中科大研究生课程-高等固体物理-2014年度-复习详细笔记

2014高等固体物理复习知识点明细授课老师:李震宇教授整理人:黄晓整理模板:往届师兄第一章与第二章明细部分见手写(并非点点对应).三四五三章和三个专题都是手动打的电子版.公式打得想吐=.=2014/6/14于1304望后继有人将第一二章变成电子版.第一章绪论1.范式的定义及科学演化的方式答：样式作为样本或模式的例子；前范式阶段、常规科学阶段、反常阶段、危机阶段科学革命阶段、新范式阶段。2.固体物理的范式的建立，内容和定量描述A1、晶体学:晶体周期结构的确定2、固体比热的理论:初步的晶格动力学理论3、金属导电的自由电子理论:Fermi统计4、铁磁性研究:自旋量子理论5、电子衍射的动力学理论(Bethe)、金属导电的能带理论(Bloch)、基于能带理论的半导体物理(Wilson)6、标志:1940年Seitz“固体的现代理论”B内容：核心概念：周期结构中波的传播(1946年Brillouin著)、晶体的平移对称性(周期性)、波矢空间(倒空间)、强调共有化的价电子以及波矢空间的色散关系焦点：Brillouin区边界或区内某些特殊位置的能量-波矢色散关系；晶格动力学+固体能带理论C定量描述：标量波(电子)、矢量波(电磁波）、张量波(晶格波）3.光子晶体的定义和应用定义：在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料.这种光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，控制着光在晶体中的运动应用：可以改变原子的自发辐射速率、可以用于制造光子晶体光纤4.量子化学的范式的内容量子化学研究的对象是原子,分子的结构和性质，方法是用量子力学求解体系波函数。所用理论1、价键理论(电子配对理论)，主要思想是电子两两配对形成定域的化学键；2、分子轨道理论：主要思想:一个分子中的所有轨道都扩展到整个分子上（原子轨道的线性组合）核心思想:实空间中的几何位形,电子的局域化,电子密度的集中和电荷的转移.和固体能带理论范式的差别:一个强调周期结构,主要处理非局域态;一个强调原子相关,键合的形成,主要处理局域态和固体能带理论范式的联系:分子轨道理论类似于紧束缚的单电子近似5.凝聚态物理的范式（概念：元激发，序参数，对称破缺等）凝聚态物质世界都是对称破缺的产物，范式的核心概念:对称破缺。四个层次,相互关联:基态,元激发,缺陷和临界区域6.准晶的定义准晶是固态物质的一种新的有序相,同时具有长程准周期平移序和晶体学上不允许的长程取向对称.7.液晶的定义及其分类液晶相：具有各向异性的液态，由各向异性分子构成，且分子倾向定向排列。液晶：凡出现液晶相的物质向列型液晶、近晶型液晶、螺旋状液晶8.相变的定义及其分类定义：一个多粒子系统在不同的温度和压强或其他外部条件下可以处在不同的状态,不同状态之间的转变叫相变一级相变或不连续相变:热力学势连续,一阶导数不连续的状态突变；二级相变或连续相变:热力学势和一阶导数连续,二阶导数不连续的状态突变条件:无规则起伏势能分布宽度W与带宽B=2ZV之比大于临界值时,无序系统中所有的本征态都是局域态.9.Landau的二级相变理论Landau的二级相变理论:强调对称性的重要性,对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中某一对称元素突然消失,就对应于相变的发生,导致低对称相的出现.10.临界现象临界点：两级相变的相变点、临界现象:物质处在或接近于临界点时所表现出来的独特行为11.重整化群方法将关联长度发散的临界点与非线性变换的不动点联系起来，建立一种与传统的统计方法不同的分析途径，这种途径不直接配分函数，而是研究保持配分函数形式不变的变换特性。三个步骤：（1）粗粒化；（2）重新标度；（3）重整化12.元激发的定义，分类定义：有相互作用的多粒子体系的低能激发态,可以看成是一些独立的基本激发单元的集合,它们具有确定的能量,有时还有确定的动量.分类：集体激发(多为Bose型):例如：离子-离子相互作用引起的晶格振动--声子(phonon);(2)磁性材料中的自旋-自旋相互作用引起的自旋波--磁振子(magnon);(3)金属中电子气相互作用引起的等离子体集体振荡--等离子激元(plasmaron);(4)光子和光学模声子耦合－极化激元(polariton)个别激发(多为Fermi型):(1)正常金属中相互作用的电子,变换成屏蔽电子或准电子,其有效质量增大(quasi-electron);(2)离子晶体中的电子或空穴在运动时带着周围极化场一起运动而形成的极化子(polaron);(3)半导体中的电子和空穴对(electron-holepair)13.等离激元电子气相对正电背景的振荡：等离子体振荡。振荡的能量取值是量子化的，元激发为等离激元。14.极化子的定义及其分类将电子连同由于它对周围极化所构成的总体视为准粒子，叫极化子(polaron)，极化子是慢电子与光学模纵声子(LO)相互作用系统的准粒子。分类：大极化子，小极化子15.激子的定义能带论中在带边产生独立电子－空穴对的激发能量元激发不再是形成独立的电子和空穴对，而是形成电子与空穴的束缚态，其所需元激发能量低于Eg激子：电子和空穴束缚对16.广义刚度和缺陷广义刚度：描述有序相(对称破缺)体系在能量取极小的情况下对外界的某种响应.它反应了有序相中长距离上粒子之间存在关联(相邻粒子间的互作用是这种关联的基本原因广义刚度的破缺→拓扑缺陷的产生（涡线，位错，畴界）缺陷结构：比元激发更高的激发态第二章无序1．无序体系的性质不再能以长程有序的理想晶体作为零级近似，无序作为微扰来解释的情形。2．无序的类型（1)成分无序（2)位置无序（3)拓扑无序3.非晶态固体的制备常见方法:液相急冷法,气相沉积法一般方法：溅射法,真空蒸发沉积法,电解和化学沉积法,及辉光放电分解法新方法：激光加热法，离子注入法4．非晶态固体结构的描述与检测原子的径向分布函数（RDF）:描述原子分布状态；扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)吸收边：每种元素在某些特定能量处出现吸收系数的突变。5.非晶态固体的结构模型和缺陷(1)刚球无规密堆模型（非晶态金属或金属合金DRPHS）Finney:793个硬球模型无规密堆有一个明确的堆积密度上限0.6366;密堆晶体0.7405非晶具有一些不同类型的局域短程序。以原子为中心作其最近邻的连心线。以这些连心线为棱边所构成的多面体→Bernal多面体。(2)连续无规网格模型（CRN）以共价结合的非晶态固体，最近邻配位与晶态类似。用球代表原子位置，线段代表大小，线段间的夹角代表键角，所有球和线段组成的网络－非晶网络模型(3)非晶中的缺陷非晶半导体i）悬挂键ii）微孔iii）杂质6.扩展态所有电子在有序晶格中作公有化运动－扩展态7.局域态在晶体中引入缺陷，周期性局域破坏，杂质态局域在杂质附近8.Anderson局域化定义:热力学极限下的体系（N,V无限大N/V有限），设t＝0时l格点(或附近)有一个电子,经过较长时间后在该格点找到电子的几率振幅为A(t):A(t)=0扩展态A(t)≠0局域态9.Thouless公式定性说明强无序情况W/V1考虑有一个电子定域在格点l,由于相互作用可以使邻近格点l’上的电子波函数混入,由量子力学微扰理论(一级):10.迁移率边c无序系统既存在扩展态，也有局域态，扩展态在TBA能量中心，局域态在带尾,并有一个划分扩展态与局域态能量的分界Ec任意E态的局域化条件:/212/()212/1(2/)EWcWeEWEZVEWEW(,),,()cWVEE对于给定11．态密度在无序固体中,波矢K不再是好的量子数.但不论是晶态还是非晶态,体系的总自由度不变,因而模式密度,能态密度的概念依旧有效。1()()iigV12．晶态和非晶态的态密度曲线的异同晶态态密度曲线上的一些结构，如vanHove奇异被抹平了。奇异是晶体具有平移对称性的结果，在非晶态材料中，这种长程序不复存在。结构细节被抹平，可定性的用不确定原理说明。由于无序的存在，电子因频繁被散射，平均自由程缩短。第二，有一定域态的带尾，两相邻带尾之间没有许可态的区域称为帯隙，但有时，带尾可交叠，带间态密度低的区域称为赝能隙。13.Anderson转变由于载流子浓度或无序程度的改变，把费米能级推过迁移率边是发生的金属-绝缘体转变，或定域-退定域转变，一般称为Anderson转变。EF处在扩展态为金属，EF处在局域态为绝缘体。无序引起的相变叫Anderson相变。14．渗流相变每格点被占据的几率为P,不占据的几率为1-P。相邻格点都被占据，这些格点形成一个集团。当P增大,集团的大小增大。P达到一个临界点，点阵上就出现一个无限大集团－渗流相变。渗流体系最基本点：閾值PPc：有限集团PPc：无限集团P-Pc-0:出现一个初始无限大集团Pc:渗流閾值或渗流临界值15．渗流相变是一个二级相变序参量：渗流几率()P定义：当占据几率为时，点阵上任意格点属于无限大集团的几率。16.自相识性缩放对称性，即不管对结构作怎样的放大与缩小，结构看上去仍是相同的。17.跳跃电导00,,,iijjTTRRij温度时，体系的电导率＝绝缘体，电子可因热激活，从一个定域位置跳到另一个，产生跳跃电导电子从隧穿到的两个决定因素(1)两个态波函数的交叠exp(/)exp(2/)jirRPRRRR(2)两个格点的能量差exp(/)exp(/)BBKTPKTexp(2/)BPRKT低温下(2)比(1)重要变程跳跃高温下(1)比(2)重要定程跳跃exp(2/)BPRRKT和都存在涨落110()()()2[]0()2()ddddBBgRdgRaFermiagRdRaadRRdRgRKTgKT的平均值估算：单位体积内的态密度，具有尺寸的维空间总状态数靠近能级处平均能量间隔：＝为一适当常数最可几的计算：设最可几跳跃支配了跳跃电导率：01(/)101~()CTTdBdeKTg1111,2,3,2341~exp()()dBdddgKT定程跳跃：18.非晶半导体的直流电导与晶态半导体不同之处(1).非晶态半导体存在扩展态、带尾定域态、带隙中的缺隙定域态。这些状态中的载流子都可能对电导有贡献。(2).非晶态半导体中的费米能级通常是“钉扎”在带隙中，基本不随温度变化。钉扎:Fermi能级的位置不因少量的浅施主和浅受主杂质的引入而发生变化。Fermi能级之上有带正电的状态Fermi能级之下有带负电的状态两者的补偿作用使EF“钉扎”19.非晶态半导体电导21/222()//11()(1).()(2).BAFBBFFBEKTFEEKTFEKTAFneEEKTNEeEWEeeEEE半导体电导率：＝非晶半导体电导一种载流子带隙中缺陷定域态带隙中缺陷定域态处在缺陷定域态的能级之中，只是在附近范围内电子才对电导率有贡献电子密度为：＝为缺陷定域态之间跳跃平均激活能带隙中缺陷定域态导带尾定域态由激发电子到导带尾部中的电子浓度11:WW导带带尾之间跳跃平均激活能/0(3).BEKTCFeEEE带隙中缺陷定域态导带扩展态与激发到导带的电子浓度成正比，迁移率依赖温度变化小＝20.非晶态金属的电阻率及其温度关系51)1,103)4)100150ddTMooij非晶态金属的电阻率高于晶态金属材料的电阻率100-300cm剩余电阻-无序结构导致的,数值较大2)非晶态金属的电阻率温度系数=特别小其绝对值小于结构无序和杂志贡献大于原子热运动贡献很多非晶态金属在很宽范围内有负的电阻温度系数经验规律cm为正cm为负5)非晶态金属的电阻率随非晶结构的稳定性而发生不可逆变化.当温度升高开始晶化时,电阻率将发生突变-估计非晶态金属的晶化温度21.Kondon效应含有极少量磁性杂质的晶态金属在低温下出现电阻极小的现象。s