物理学思想史和方法论第七讲固体物理学与材料科学(上).

1第七讲固体物理学与材料科学(上)2研究与开发新材料，新器件，新工艺的理论基础；发表论文数量质量均居榜首诺贝尔物理学获得者人数比例最大(1970年以来约有20多人次）固体物理学是物理学领域最重要的分支学科3晶体非晶体宏观性质：多为各向异性各向同性有确定的熔点逐渐软化晶体的结构特点:晶体中的原子规则排列形成晶格－具有周期性－具有对称性4形形色色的晶体美丽的光泽规则的形状奇特的性能5晶格晶格把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格(空间点阵)。6晶胞晶胞--构成晶格的最基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵晶胞能充分反映整个空间点阵的对称性7abca,b,c－晶格常数面心立方晶格晶格有多种类型：14种布拉菲点阵简单立方晶格a=b=c8·体心立方晶格Cscl·六角密排晶格BeMgZnCd9结构决定性质C系家族石墨结构C60金刚石结构10声子组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热运动－晶格振动晶格振动的能量是量子化的--声子11固体的能带从原子能级到固体能带原子中的电子处于不同的能级N个原子有相互作用构成一个体系时电子的能级如何？12能级能带}EN条能隙，禁带gE13能带被电子占据情况:满带:填满电子的能带空带:没有电子的能带未满带:未填满电子的能带禁带:不能填充电子的能区1s2s2p3s3pMg价带:和价电子能级相应的能带即最高的充有电子的能带空带价带14导电－－电子在电场作用下作定向运动，以一定速度漂移v10-2cm/s－－电子得到附加能量－－要到较高的能级上去－－满带中没有空着的更高能级!未满带对导电有贡献--有电子,有空着的更高能级能带对电导的贡献:空带无电子不能导电满带对导电无贡献,能带中的电子不能导电15价带(满带)空带(导带)不满带(导带)EEpEpmpE2216导体、半导体和绝缘体导体电阻率10－8·m半导体电阻率10－4－107·m绝缘体电阻率1012－1020·m各种晶体都有大量电子为什么导电性有很大的差别?这要用能带理论来说明17导体存在不满带0gEgE某些一价金属，如:Li…某些二价金属，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…18绝缘体：价带是满带能隙宽半导体：价带是满带但能隙较窄,温度升高时,一部分电子从价带跃迁到导带，形成不满带。=3－10eV0.1－3.0eVgE19半导体(semiconductor)空穴:满带中少一个电子相当于多一个正电子--称之为空穴价带中的空穴与导带中的电子对导电有同样的贡献本征半导体—导带中电子及价带中空穴皆由热激发产生杂质半导体--导带中电子及价带中空穴皆由杂质产生n型半导体--电子型半导体P型半导体--空穴型半导体20Ｐ－Ｎ结的单向导电性势垒降低空穴流向Ｎ区，电子流向Ｐ区形成正向电流mA量级PN耗尽层-+-+-+-+-+21伏安特性曲线V(伏)1.02.0I(毫安)4080102030微安4020击穿电压22Ｐ－Ｎ结应用•单向导通特性----交流变直流:整流•开关----两种状态且可控:计算机的基础23由于热激发,半导体的载流子显著增加热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降电导性随温度变化十分灵敏体积小热惯性小寿命长广泛应用于自动控制24光敏电阻可见光照射:光强增加电阻减少原因:光激发使载流子迅速增加光敏电阻有选择性光的频率大于红限频率应用:遥感技术等25晶体管Ｐ－Ｎ结的适当组合可以做成具有放大作用的晶体三极管以及各种晶体管，1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。固定针B探针固定针AGe晶片1956年,小组的三位成员获诺贝尔物理奖。26世界上第一支晶体管27肖克利巴丁布拉顿1956年诺贝尔物理学奖获得者。28集成电路大规模集成电路超大规模集成电路下图为INMOST900微处理器:每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。293031巨磁电阻效应“巨磁电阻”效应:非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应2007年诺贝尔物理学奖:1988年，费尔和格林贝格尔发现了“巨磁电阻”效应•硬盘中是利用磁介质来存储信息的,当数据读出头扫描过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始“译码”。•当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应→更加灵敏的数据读出头•1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。••超导和超导材料超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁力线的特性超导电现象1908荷兰H.K.Onnes获得液氮4.2K1911发现汞电阻在4.2K时降为零(图)1TT汞具有通常的导电性，正常态2TT电阻完全消失)10(27mR超导态:1T起始转变温度；:2T零电阻温度转变中点温度:CT0.100.054.004.204,40T(k)0R()T1T2相继发现28种元素、5000多种合金和化合物以及在高压下15种元素有超导电性一些超导材料的临界温度物质Tc(K)发现年代汞(Hg)4.21911铅(Pb)7.21913铌(Nb)9.21930钒三硅17.11953铌铝锗20.51967铌三锗23.2197334H.K.Onnes获1913年诺尔贝物理学奖零电阻率铜的电阻率在室温下为167108.m超导体的电阻率1027mMIT持续电流实验：TTC,突然撤去磁场,两年半未发现电流强度衰减NS超导体的特性及应用NbZr0.750.25超导螺线管衰减时间十万年361933年Meissner发现超导体是一种完全抗磁体内部磁感应强度为零,磁通量完全被排斥在超导体外H0TTC超导体H0TTC超导体完全抗磁性37无摩擦轴承，无摩擦陀螺，磁悬浮列车磁悬浮超导体本身可看成是一磁体NSN38BCS理论1957年Bardeen,Cooper,Schriefter共同提出了超导电性的微观理论。获1972年诺尔贝物理学奖库珀对低温下的超导体中，在电子-声子相互作用下，动量大小相等、方向相反，自旋相反的两个电子会彼此吸引，形成束缚的电子对--库珀对库珀对的质心动量为零，库珀对在电场作用下作定向运动时，不会受到晶格缺陷杂质的散射，因此无电阻。高温超导1911汞－4.2K→1973铌三锗－23K62年增加19K1986.4Muller,Bednoz发现钡镧铜的氧化物在30K存在超导电性的可能性，开辟了从氧化物中找超导的新途径，引发出研究高温超导的热潮。YBaCuO高温超导体BiSrCaCuO高温超导体等等41K.A.Muller和J.G.Bednorz获1987年诺尔贝物理学奖42超导磁悬浮列车常导型：利用普通直流电磁铁电磁斥力的原理将列车悬起，悬浮的气隙小，一般为10mm左右。时速可达每小时400~500公里。超导型：利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用.悬浮的气隙较大，一般为100mm左右。时速可达每小时500公里以上。4344世界第一条商业化运作的磁浮列车2002年12月30日试运行！上海磁浮列车45中国西南交通大学研制出世界上第一台载人高温超导磁浮实验车！46超导电力技术大大降低电网损耗，提高电能质量，提高电力系统的稳定性、可靠性、安全性。我国电网的功率损耗为总发电量的8.5%1997年我国发电容量～200GW电网的功率损耗为17GW相当于三峡电站的发电容量。47超导变压器超导发电机48超导电磁储能.长期无损耗地储存能量，其转换优点：1效率95%；2.响应速度快（毫秒级）；3.可建成大功率和大能量系统；4.使用寿命长；5.维护简单、污染小。超导储能装置利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载49电力技术方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化超导储能系统大型电机设备形状与性能的革命能源工业超导贮能调节电网负荷超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变高温超导实用化——诱人前景电子学方面：超导计算机研究：计算速度高，体积小，功耗低，信息储存量大医学和生物方面核磁共振计算机断层诊断装置超导量子干涉仪(SQUID)50作业晶体的结构特点是:晶体中的原子规则排列，具有________，具有___________。