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1、固体物理学 Solid State Physics李岳彬 Tel: 88661681 Email: 湖北大学物电学院Ch 0 Ch 0 固体物理学导论Ch 0 Ch 0 固体物理学导论3一. 自然界的物质分类一. 自然界的物质分类 按物理分类按物理分类固态 液态 气态 等离子态固态 液态 气态 等离子态等离子态是由等量的带负电的电子和带正电的离子组成， 我们通常称处于等离子态的物质为等离子体。温度、压力改变时，固、液、气三态可互相转化。等离子态是由等量的带负电的电子和带正电的离子组成， 我们通常称处于等离子态的物质为等离子体。温度、压力改变时，固、液、气三态可互相转化。Ch 0 Ch 0 固
2、体物理学导论4一. 自然界的物质分类一. 自然界的物质分类 按化学分类按化学分类 按生物分类：有机物无机物按生物分类：有机物无机物有机化合物有机化合物(organic compound）主要由）主要由C,H,O,N元素组成元素组成, 是生 命产生的物质基础。脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、 酶、激素等。此外，许多与人类生活有密切关系的物质，例如石油、 天然气、棉花、染料、化纤、天然和合成药物等，均属有机化合物。是生 命产生的物质基础。脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、 酶、激素等。此外，许多与人类生活有密切关系的物质，例如石油、 天然气、棉花、染料、化纤、天然和合成药物等，均
3、属有机化合物。无机化合物（无机化合物（inorganic compound）通常指不含碳元素的化合 物，但包括碳的氧化物、碳酸盐、氰化物等。）通常指不含碳元素的化合 物，但包括碳的氧化物、碳酸盐、氰化物等。非生命物体生命物体非生命物体生命物体Ch 0 Ch 0 固体物理学导论5二. 固体物理学及其研究对象二. 固体物理学及其研究对象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(原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运 动规律的科学。固体物理是固体材料和器件的基础，是新材料、能源技术、 微电子技术、光电子技术、新器件的生长点。固体是由大量的原子（或离子）组成，固体物理学是研究
4、固体物质的物理性质、微观结构、构成 物质的粒子(原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运 动规律的科学。固体物理是固体材料和器件的基础，是新材料、能源技术、 微电子技术、光电子技术、新器件的生长点。固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原子个原子/cm3, 固体结构就是指这些原子的排列方式。, 固体结构就是指这些原子的排列方式。Ch 0 Ch 0 固体物理学导论6二二. . 固体物理学及其研究对象固体物理学及其研究对象1. 晶体（晶体（crystal）:规则结构，分子或原子按一定的周期性排 列，长程有序性，有固定的熔点。规则结构，分子或原子按一定的周期性排 列，长程有序性，有固定的熔点
5、。晶体 规则网络晶体 规则网络单晶体：水晶、岩盐、金刚石 多晶体：由两个以上的同种或异种单晶组成的晶体物 质，金属、陶瓷单晶体：水晶、岩盐、金刚石 多晶体：由两个以上的同种或异种单晶组成的晶体物 质，金属、陶瓷固体的分类固体的分类Ch 0 Ch 0 固体物理学导论7Eg. 水晶，岩盐，锗水晶，岩盐，锗单晶单晶，硅单晶，硅单晶Ch 0 Ch 0 固体物理学导论82. 非晶体（非晶体（non-crystal）:非规则结构，分子或原子排列没 有一定的周期性。短程有序性，没有固定的熔点。非规则结构，分子或原子排列没 有一定的周期性。短程有序性，没有固定的熔点。非晶体 无规网络非晶体 无规网络高分子材料
6、，玻璃，橡胶，塑料， 松香，石蜡高分子材料，玻璃，橡胶，塑料， 松香，石蜡Ch 0 Ch 0 固体物理学导论9Eg. 玻璃 橡胶玻璃 橡胶Ch 0 Ch 0 固体物理学导论103. 液晶液晶(liquid crystal )液晶相由具有特殊形状的分子组合产生，它们可以流动，又 拥有结晶的光学性质。在一维或二维方向上具有长程有序。 当继续加热至温度时，转变为液体。液晶相由具有特殊形状的分子组合产生，它们可以流动，又 拥有结晶的光学性质。在一维或二维方向上具有长程有序。 当继续加热至温度时，转变为液体。因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用 在轻薄型的显示技术上。因为其特殊的
7、物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用 在轻薄型的显示技术上。具结晶性的液体 - 液晶具结晶性的液体 - 液晶Ch 0 Ch 0 固体物理学导论114. 准晶体（准晶体（quasicrystal）没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体或者完整晶体）没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体或者完整晶体ch12 缺陷（缺陷（defect）:是指微量的不规则性。是指微量的不规则性。AlMn合金电子衍射图合金电子衍射图1984年，1984年，Shechtman等人实验发现一类和晶体、非晶体都不相同 的固体，在这类固体中发现了已经证明在晶体中不可能存在的五 重对称轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的固体，称
8、为准晶 体。2011 nobel prize实验发现一类和晶体、非晶体都不相同 的固体，在这类固体中发现了已经证明在晶体中不可能存在的五 重对称轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的固体，称为准晶 体。2011 nobel prize有长程的取向序，有准 周期性， 但无长程周期 性的晶体。有长程的取向序，有准 周期性， 但无长程周期 性的晶体。Ch 0 Ch 0 固体物理学导论12三三. . 固体物理学的发展历史固体物理学的发展历史1 体系建立以前（体系建立以前（17-19世纪世纪20年代前）年代前） 晶体宏观几何形态的发现与规律性总结晶体宏观几何形态的发现与规律性总结 晶体微观结构特征猜想晶体
9、微观结构特征猜想 晶体宏观物理性质（热、电、磁）等试验规律的发现晶体宏观物理性质（热、电、磁）等试验规律的发现方解石晶体坚实、相同、平行六 面体“基石”重复堆积而成规则几何外形 内部规则性方解石晶体坚实、相同、平行六 面体“基石”重复堆积而成规则几何外形 内部规则性阿羽依阿羽依Ch 0 Ch 0 固体物理学导论13三. 固体物理学的发展历史三. 固体物理学的发展历史2 体系建立过程（体系建立过程（20-40s 年代）年代）理论上：量子力学、统计物理、群论晶格动力学、电子能带 理论标志着固体物理学体系的建立独立为一门学科 1940年，德国Seitz:第一本系统的固体物理学书籍“Modern Th
10、eory of Solid State Physics”理论上：量子力学、统计物理、群论晶格动力学、电子能带 理论标志着固体物理学体系的建立独立为一门学科 1940年，德国Seitz:第一本系统的固体物理学书籍“Modern Theory of Solid State Physics”实验上：实验上：X-ray、电子衍射微观结构直接测定 “晶体学”、电子衍射微观结构直接测定 “晶体学”Ch 0 Ch 0 固体物理学导论143 大发展时期（大发展时期（50-70s）(1)大批新型合金（大批新型合金（Ti，V，Nb）制备）制备 航空、航天、原子能 工业航空、航天、原子能 工业“金属物理学”“金属物
11、理学”(2)半导体的发现（半导体的发现（50s）半导体）半导体晶体管晶体管集成电路（电子技 术、计算技术、自控、计算机）集成电路（电子技 术、计算技术、自控、计算机）信息时代信息时代“半导体物理学”“半导体物理学”(3)超导体理论解释（超导体理论解释（BCS理论、理论、Nobel Prize）“超导物理学”“超导物理学”(4)大批功能晶体与陶瓷大批功能晶体与陶瓷(BaTiO3,PZT,LiNbO3)的开发的开发“电 介质物理学”“电 介质物理学”(5)各种磁性材料的发现各种磁性材料的发现“铁磁性物理学”“铁磁性物理学”(6)对固体表面的微观结构，物理、化学性质及理论的研究开辟了 固体物理学的新
12、领域，形成了表面物理学这一分支学科。对固体表面的微观结构，物理、化学性质及理论的研究开辟了 固体物理学的新领域，形成了表面物理学这一分支学科。固体物理学为基础各个分支学科的建立固体物理学为基础各个分支学科的建立Ch 0 Ch 0 固体物理学导论15四.当代固体物理学发展的特点四.当代固体物理学发展的特点5. 与其它学科相互交叉、渗透、 互相促进、共同发展微电子学、材料科学、激光物理与技 术、化学、计算物理、能源科学等与其它学科相互交叉、渗透、 互相促进、共同发展微电子学、材料科学、激光物理与技 术、化学、计算物理、能源科学等1.研究对象的多样化、复杂化 由简单研究对象的多样化、复杂化 由简单复
13、杂及特殊的体 系复杂：结构，晶体 复杂及特殊的体 系复杂：结构，晶体非晶体、准晶 过程（规律）：非平衡、非线性 特殊：体材非晶体、准晶 过程（规律）：非平衡、非线性 特殊：体材表面、界面、表面、界面、film、 低维、 低维、Nano 材料（零维）材料（零维）2.多种现代及极端条件的应用超高、低温、低压、强激光、磁共振、 电子束、粒子束技术、同步辐射、中 子衍射多种现代及极端条件的应用超高、低温、低压、强激光、磁共振、 电子束、粒子束技术、同步辐射、中 子衍射 3.理论研究的深入重正化群方法引入一相变理论；自相 似、自组织、混沌方法引入一非平衡、 非线性问题等理论研究的深入重正化群方法引入一相
14、变理论；自相 似、自组织、混沌方法引入一非平衡、 非线性问题等 4.与计算物理之间密切联系与计算物理之间密切联系计算机的发展可以将原来理论研究 和实验结果的分析推向崭新阶段计算机的发展可以将原来理论研究 和实验结果的分析推向崭新阶段Ch 0 Ch 0 固体物理学导论16五. 地位五. 地位1. 从器件设计看固体物理学的地位从器件设计看固体物理学的地位光电子学 化合物半导 体光电子学 化合物半导 体InP,GaAs, GaN自旋电子学自旋电子学 AMR,GMR, LaSrMnO氧化物电子学 铁电绝缘体氧化物电子学 铁电绝缘体 BaTiO3等等固体固体!Ch 0 Ch 0 固体物理学导论172.
15、从近年来重要成就看固体物理学的地位从近年来重要成就看固体物理学的地位C 6 0、C 7 0 等新材料等新材料C的第三种的第三种Stable state (金刚石、石墨）球、管金刚石、石墨）球、管团簇团簇 Graphene:安德烈安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫获得诺沃肖洛夫获得2010, Nobel Prize聚乙炔(CH)x等 导电聚合物新型高分子导电材料：原料丰富，制备简便，具有可塑性， 渗杂可得到：绝缘体聚乙炔(CH)x等 导电聚合物新型高分子导电材料：原料丰富，制备简便，具有可塑性， 渗杂可得到：绝缘体半导体半导体导体，导体，2000, Nobel Prize准晶的发现准晶
16、的发现1984，以色列科学家达尼埃尔，以色列科学家达尼埃尔谢赫特曼，谢赫特曼，2011，Nobel Prize量子量子 Hall effectKlitzing( 80年）：年）：1.5K ,1 8.9 T金属金属- 绝缘体绝缘体-半导体场效应 管反型层观察整数量子半导体场效应 管反型层观察整数量子Hall效应效应85年年Nobel奖奖 Bell Lab 82年年0.5K，25T GaAs-AlxGaAs异质结表面上观 察到分数量子异质结表面上观 察到分数量子Hall效应，效应，83年理论年理论98年年Nobel prize高高Tc氧化物超导体氧化物超导体86年年La2-XSrXCuO4氧化物陶瓷中观察到高温超导氧化物陶瓷中观察到高温超导 87年年Nobel奖巨磁电阻材料奖巨磁电阻材料88年铁磁金属多层膜中观察到巨磁电阻效应年铁磁金属多层膜中观察到巨磁电阻效应
