固体物理学黄昆绪论

固体物理SolidStatePhysics物理学的发展史物理（Physics）源于希腊文“自然”称为自然哲学(NaturePhilosophy)十九世纪古典物理学发展已很完整近代物理学两大基石:量子力学及相对论20世纪以后发展的物理称为近代物理1900年普朗克（德国人）提出量子论，经20多年发展成量子力学1905年爱因斯坦提出狭义相对论基本粒子物理(elementaryparticlephysics)原子核物理(nuclearphysics)原子分子物理(atomicandmolecularphysics)凝聚态物理(condensedmatterphysics)表面物理(surfacephysics)等离子体物理(plasmaphysics)近代物理以研究对象作为分类依据研究對象凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。固体物理研究对象晶体、非晶体与准晶体等固相物质几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术，人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质，并用之于绘画、装饰等，但这只能说人们学会了使用固体。何为晶体，非晶体？理想晶体中原子排列是十分规则的，主要体现是原子排列具有周期性，或者称为是长程有序的。CrystalStructureofCaCO3CrystalStructureofYBaCuO非晶体则不具有长程有序的性质，但是在非晶体中原子排列也不是杂乱无章、完全无序的，仍然保留有原子排列的短程序。晶体---单晶体：水晶、岩盐、金刚石---多晶体：金属、陶瓷非晶体——高分子材料，橡胶，塑料，松香，石蜡准晶体——1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金电子衍射图中具有五重对称的斑点分布介于晶体和非晶体之间的新的状态—准晶态固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的粒子的运动形态及其相互关系的科学。研究对象：固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。二、固体物理的研究对象•固体物理是研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。•固体按结构分为：晶体和非晶体•固体物理研究首先选择晶体作为研究对象来研究固体电子和原子的运动规律，在此基础上才开始研究非晶体。•概念了解：理想晶体——内在结构完全规则的固体_又叫做完整晶体。近乎完整的晶体——固体中或多或少地存在有不规则性（缺陷），在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体硅表面硅原子的排列STMimageG.Binning和H.RohrerSTM1986年诺贝尔HRTEMimageandEDpatternofCdSnanowires德国的Knoll和RuskaTEM•点缺陷：晶体中偏离晶格周期性的现象仅局限在格点附近一个或几个晶格常数范围内•空位（Schottky缺陷）、Frenkel缺陷（间隙原子）、杂质原子•线缺陷：刃位错•螺位错•面缺陷：晶粒间界、孪晶界、小角晶界和层错等。卢柯，沈阳金属所•固体物理是在研究了理想晶体的基础上主要研究近乎完整的晶体中微量缺陷的作用展开的。如杂质的应用：1）纯Fe+C===钢(热处理)•纯铁在1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ铁；•当冷却到1394℃时转变为面心立方晶格的γ铁；•继续冷却至912℃时，转变成了具有体心立方晶格的α铁。再继续冷却时晶格类型不再发生变化。2）SiGe+ⅢA或ⅤA元素=掺杂=灵敏半导体(n,p型)3）白宝石（刚玉Al2O3）+微量铬离子===红宝石三、发展过程•十七世纪，惠更斯椭球堆积模型，解释方解石双折射现象。•十八世纪，阿羽依晶体由平行六面体的基石堆积，有理指数定律。cos(a1,n):cos(a2,n):cos(a3,n)=1/r:1/s:1/t•十九世纪，布喇菲空间点阵学说：一些相同的点子在空间有规律地作周期性的无限分布。•十九世纪末，费多罗夫、熊夫利、巴罗等发展了晶体微观几何结构的理论体系===空间群理论。•另外，十九世纪根据经验总结了许多经验定律：晶体比热：杜隆-珀替定律，Cv=3NkB导热导电性质：魏德曼-佛兰兹定律：在室温下，金属的热导率和电导率的比值为常数。热导率电导率τ为弛豫时间*3022mETnkFB*02mEneF223ekTB特鲁德、洛仑兹：经典金属自由电子论金属中的价电子象气体分子一样组成电子气体，可以同离子碰撞，在一定温度下达到平衡。电子气服从麦克斯韦-玻尔兹曼统计。二十世纪：1）1912年，劳厄：晶体可以作为X射线衍射光栅，证实空间群理论。XRD确定晶相。2）量子理论的发现可以深入正确描述晶体内部微观粒子的运动过程。•爱因斯坦：引入量子化概念研究晶格振动。•索末菲：在自由电子论基础上发展了固体量子论。•费米发展了电子统计理论：电子服从费米-狄拉克统计。为以后研究晶体中电子运动的过程指出了方向。•在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预测了半导体的存在。3)20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管______产生了半导体物理。4）1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器件不断地提出新要求。四、学科领域1）研究固体中的元激发及其能谱，揭示固体内部微观过程。光与固体作用—发展光电子器件。如光电子能谱等XPS2）研究固体内部原子间结合力的性质及复杂结构的关系，掌握缺陷形成和运动以及结构变化（相变）的规律，发展功能复合材料。高强度轻质材料（飞机、火箭、导弹）3）研究极低温、极高压、强磁场、强辐射条件下固体的性质，发展新能源材料。核反应堆材料，人造金刚石技术、航天材料等4）表面物理：研究表面对固体材料防腐蚀、防断裂的作用以及化学催化的微观机制。•金属防护（氧化物、氮化物、碳化物薄膜）。•双疏双亲-----化学所江雷5）非晶态物理：研究非晶体原子、电子微观过程。6）一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质、发光等材料的各种性质。固体物理领域金属物理半导体物理晶体物理磁学电介质物理液晶物理固体发光超导体物理固态电子学固态光电子学固体光谱强关联物理纳米物理表面物理介观物理五、研究方法•是一门实验性学科。为阐明固体表现出的现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论•固体是个复杂的客体，1m3含有数量级为1029的原子、电子，相互作用非常强。•其宏观性质是大量粒子之间相互作用和集体运动的总表现。•研究过程中必须抓住主要矛盾来分析。如：1）晶体中原子规则排列---周期性---晶格动力学。点群32和空间群230引入声子概念---解释低温固体比热。2）金属—电子公有化概念---用单电子近似的方法—建立能带论。由一定能量范围内准连续分布的能级组成的能带。孤立原子：分立能级，自由电子：连续能级。3）物质的铁磁性——研究了电子与声子的相互作用，阐明低温磁化强度随温度变化的规律。4）超导理论：电子与晶格振动的相互作用在电子间产生间接吸引力，形成库柏电子对。库柏对的凝聚表现为超导电相变。