大学物理学52第十六章9-12节激光半导体超导体纳米材.

物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件大学物理学电子教案量子物理（6）16-9激光16-10半导体16-11超导电性16-12纳米材料物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件复习量子力学简介波函数概率密度薛定谔方程一维势阱问题对应原理一维方势垒隧道效应多电子原子中电子分布电子自旋自旋磁量子数四个量子数多电子原子中的电子分布物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件.1E2E发光前自发辐射一自发辐射受激辐射1自发辐射原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.2E1EhEE)(12.。2E1Eh发光后16-9激光物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件h吸收前.1E2E受激吸收2光吸收原子吸收外来光子能量,并从低能级跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.2E1EhEE12h吸收后。.2E1E自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动方向和相位不一定相同,是非相干光.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件3受激辐射由受激辐射得到的放大的光是相干光,称为激光.原子中处于高能级的电子,会在外来光子（其频率恰好满足）的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.2E1E12EEh.1E2E.。2E1E发光前发光后hhh受激辐射的光放大示意图物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件二激光原理1粒子数正常分布和粒子数布居反转（反转）2211;ENENkTEENN/)(2121e/12EE已知粒子数的正常分布1E2E.....。。。。。。。。。。。。。1N2N12EE21NN粒子数反转分布2E1E...............。。。。。2N1N12EE12NNkTEiiCN/e统计分布物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件美国物理学家梅曼于1960年9月制成第一台红宝石固体激光器.从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级上的原子激发到高能级上去,这个过程叫做激励（也叫泵浦）.红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。。基态亚稳态激发态3Es)10(8s)10(3物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件2光学谐振腔激光的形成光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡..激光光束全反射镜l光学谐振腔示意图部分透光反射镜加强光须满足驻波条件2kl物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件三激光器1氦氖气体激光器（输出功率不大）优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等．（波长632.8nm）氦和氖的原子能级示意图基态亚稳态氦氖632.8nm123氦氖激光器部分反射镜AK（几千伏特）毛细管管内氦氖比例（5~10/1）全反射镜物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件2红宝石激光器红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.。。。全反射镜半透射镜红宝石棒。脉冲灯0UU红宝石激光示意图激光器发展的主要方面（1）扩展了激光的波长范围.（红外~紫外）（2）激光的功率大大提高.（连续功率达~10kW）（3）激光器已能实现小型化.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件四激光器的特性和应用1方向性好利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.3能量集中4相干性好普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.2单色性好激光的单色性比普通光高倍.1010物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件一固体的能带s1s2p2完全分离的两个氢原子能级s1s2p2ee+Aee+B16-10半导体物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件（a）两个原子很近时的能级分裂（b）五个原子很近时的能级分裂（c）固态晶体的能带rrr1s1s1s2s2s2s重叠能级分裂形成能带在理想的固态晶体中，因为原子间的相互作用，使原子原有的能级分裂成N个间距极近的子能级,子能级几乎连成一片形成能带.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件每个子能级有个量子态.)12(2l根据泡利原理每个子能级容纳个电子.)12(2l每个能带容纳个电子Nl)12(2导带:空带和未被电子填满的价带.价带:价电子的能级分裂所形成的能带.实验表明:一个能带中最高能级与最低能级之间的间隔一般不超过的数量级.由于原子数N的数量级为.所以一个能带中相邻能级间间隔约为.eV102319mm10eV10eV/101017192满带和空带:能带中能级全被电子填满为满带;无电子填充的能带为空带.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件晶体的能带EgE禁带gE禁带导带价带（非满带）空带价带（满带）导带禁带:能带之间不存在能级的区间.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件导体半导体绝缘体电阻率m)(Ω温度系数禁带价带8410~10负较小满带4810~10正非满带20810~10负较大满带物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件二本征半导体和杂质半导体1本征半导体：纯净的无杂质的半导体gE导带禁带满带ee空穴电子锗晶体中的正常键电子被激发，晶体中出现空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeee物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件2杂质半导体电子型（简称n型）半导体价带导带施主能级施主能级SisAe五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕离子运动sASiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件空穴型（简称p型）半导体价带导带受主能级受主能级空穴BBGeGeGeGeGeGeGeGeGeGe三价原子硼掺入四价锗晶体中，空穴环绕离子运动物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件pnUIpnUIpn结的伏安特性曲线反向电压正向电压三pn结物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件eeeepnp偶电层n----------++++++++++0x空穴电子0Ux0x动平衡时p型与n型接触区域的电势变化物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件四光生伏特效应Pneeee光eeγ这种由光的照射，使pn结产生电动势的现象，叫做光生伏特效应.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件哈勃望远镜上两侧的光电池板将太阳能转变为电能为望远镜提供能源物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件4.004.204.400.1500.1000.0500.000K/T)/(R一超导体的转变温度***cT：临界温度4.20K附近汞的电阻突降为零在16-11超导体物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件几种超导材料的临界温度材料Tc/K材料Tc/KZn0.844Al1.174Sn3.72Hg4.15Pb7.201Nb9.26NbN14.7Nb3Ge23.2La-Ba-Cu-O35Y-Ba-Cu-O80Bi–Sr-Cu-O110Tl-BaCa-Cu–O125HgBa2Ca2Cu3O8134物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件二超导体的主要特性1零电阻率当（临界电流）时，cc,IITT电导率电阻率，02临界磁场（能破坏超导态的外磁场的临界值）2c0c)(1TTHH0c,K0HHTTH)(cTH超导态正常态oCT临界磁场与温度关系物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件3迈斯纳效应tSBtΦlEd)(dddd超导体内,0E0d/dtBcHH外当时,0内H0HH超导体内H=0SNHI超导小球悬浮于电流的磁场中在磁场中，超导圆盘悬浮起来物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件晶体局部区域的畸变三超导电性的BCS理论e晶体点阵正常位置晶体点阵畸变位置1957年美国物理学家巴丁、库珀、施里弗三人共同创立了近代超导微观理论，这就是常称的BCS理论.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件声子：晶体中由点阵的振动产生畸变而传播的点阵波的能量子称声子.库珀对：两个电子通过交换声子而耦合起来，成为束缚在一起的电子对称为库珀对.组成库珀对的两个电子之间的距离约为,自旋与动量均等值而相反，所以每一库珀对的动量之和为零.m106当时金属内的库珀对开始形成,这时所有的库珀对都以大小和方向均相同的动量运动,金属导体就具有了超导电性.库珀对的数量十分巨大,当它们向同一方向运动时,就形成了超导电流.cTT物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件四超导的应用前景1强磁场:利用超导线圈做的电磁体用于回旋同步加速器;超导发电机和电动机等.2低损耗电能传输.3磁悬浮列车车速可达550km/h.4超导电子器件:利用超导约瑟夫森结制成的超导电子器件和超导量子干涉仪.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件纳米（nm）m10nm19一纳米效应1小尺寸效应纳米材料：几何尺寸为纳米数量级的微粒或由纳米大小的微粒在一定条件下加压成形得到的固体材料.包含的原子数:个一个纳米微粒内4310~10界面原子比例:50%左右由纳米微粒组成的纳米固体在较宽的频率范围内显示出对光的均匀吸收性,吸收峰的位置和峰的半高宽度与微粒半径倒数有关.16-12纳米材料物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件2表面与界面效应纳米微粒具有很高的表面能.纳米微粒表面活性增加，成为活性极好的催化剂.纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸/nm包含总原子数表面原子所占比例1042120%40%80%99%410331042105.230物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件问:为什么高比例的表面原子会增加表面活性?简立方结构晶体二维平面图分立能级图ABCδ表面原子内部原子物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件3量子尺寸效应量子尺寸效应：粒子尺寸下降到极低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象.NE34F能级间距（理论公式）费米能级总电子数当热能、电能、磁能或超导凝聚能时量子效应明显纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料的特性有显著区别.物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件二纳米材料的制备纳米晶体或非晶材料惰性气体沉积+原位加压法纳米固体激光或等离子技术高温气相合成纳米陶瓷粉料化学沉积法、水热合成法.三一种纳米新材料—碳纳米管1991年11月,日本科学家宣布发现了一种新型针状的碳管的碳结构.碳针直径:1nm~30nm碳针长度:~1um每根碳针数目:2~50层物理学教程（第二版）第十六章量子物理广东海洋大学理学院教学课件每层碳管可看成是由石墨片卷成圆筒状而成.碳纳米管特性1强度大，能经受约~压力.Pa1042韧度比其他纤维高200倍以上.3碳纳米管填充其他物质后可进一步改进其性质和用途.四应用（1）在微电子器件方面的应用;（2）在磁记录方面的应用;（3）在传感器上的应用.物理学教程（第二版）第十六章量子物理