固体物理简介-1

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1、1,固体物理简介,2,17-1 激光特性简介,激光 （laser）,（Light amplification by stimulated emission of radiation）,“受激辐射的光放大”,3,普通光源一自发辐射 激光光源一受激辐射,世界上第一台激光器诞生于1960年,基本原理都是基于1916年爱因斯坦提出的受激辐射理论,一.激光的特性及分类,1. 高方向性,激光发散角极小，可小到 10-4 弧度， 可用于定位，准直，导向，测距等。,比如：投射到月球（38万公里）后，光斑直径仅约2公里 测地球月球距离精度达几厘米,4,2. 高单色性,普通光源中，氪(Kr)灯单色性最好 = 4.

2、710-13 m,例如：氦氖激光器的单色性为 10-17 m,能量集中在很窄的频率范围激光的谱线分辨率高，可用于研究原子、分子、晶体等物质的能级和光谱的精细结构，超精细结构等。,3. 高相干性,用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分子和生物高分子的全息图。,激光波面上各个点可以做到都是相干的,相干长度可达几十公里,5,4. 高亮度,5. 分类,按工作物质分类 固体 (如 红宝石Al2O3) 液体 (如 某些染料) 气体 (如 He-Ne，CO2) 半导体 (如 砷化镓 GaAs) 按工作方式分类 连续式 (功率可达 104 W) 脉冲式 (瞬时功率可达 1014 W ),脉冲瞬时功率

3、可达 1014 W 可用于精密加工，医学,可产生108 K的高温 引起核聚变,6,物理过程： 粒子数反转 光放大作用 谐振腔的作用,波长范围： 极紫外 可见光 亚毫米 (100 n m) (1.222 m m ),组成包括： 激励能源 工作物质 (含有亚稳态能级) 光学谐振腔,7,二.光的吸收与辐射,1. 自发辐射,原子处于激发态是不稳定的，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子，这个过程 自发辐射,h,设 N1 、N2 为单位体积中处于 E1 、E2 能级的原子数,则在单位体积中单位时间内， 从E2 E1自发辐射的原子数为：,21 自发辐射系数,21 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率,8

4、,2. 受激吸收,若原子处在某个能量为E1的低能级，另有某个能量为E2的高能级，当入射光子的能量 h = E2 E1 时，原子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级， 这个过程 受激吸收,h,设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1 、E2 能级的原子数,则单位体积中单位时间内，因吸收光子而从 E1E2 的原子数为：,W12 单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率,W12 受激吸收系数,9,3. 受激辐射,爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现辐射场和原子交换能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能达到热平衡的还必须存在另一种辐射方式 受激辐射,受激辐射 若入射光子的能量 h 等于原子高、低能级间的能

5、量差 E2 E1，且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场就会诱发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与入射光子完全相同的光子。,10,单位体积中单位时间内，从E2 E1的受激辐射的原子数为：,B21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率,B21 受激辐射系数,设 N1 、N2 分别为单位体积中处于 E1 、E2 能级的原子数,21、 W12、 B21 爱因斯坦系数,11,自发辐射：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件下， 自发地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射 特点 与外界条件无关，不可控制 各原子产生的辐射互不相关，各个光子的频率、 位相、偏振态和传播方向各不相同， 光的单色

6、性和相干性差,自发辐射与受激辐射的比较,受激辐射：处于高能级的原子在外来光子的作用下由高能级 向低能级跃迁所产生的辐射 特点 所产生的两个光子的运动状态完全相同， 即两个光子的频率、位相、偏振态和传播方向 完全相同，单色性和相干性好,12,自发辐射,受激吸收,自发辐射系数,受激吸收系数,受激辐射,受激辐射系数,一般情况下,13,全同光子: 频率、相位、振动方向、传播方向都相同,受激辐射有光放大作用,14,三.粒子数反转和光放大,粒子数反转态,介质,热平衡状态,光强变化,15,2. 实现粒子数反转的必备条件,1) 依靠泵浦源激发原子,激发的方式可以有光激发和原子碰撞激发等,1. 当介质处于粒子数

7、反转态，光在其中传播时得以放大。,说明,粒子数反转态是非热平衡态，为了促使粒子数反转 的出现必须用一定的手段去激发原子体系，这个过程 称为“泵浦”或“抽运”。,有三能级或三能级以上的能级系统,上能级应为“亚稳态”（自发辐射系数小）,下能级不应是基态，而且对下下能级的自发辐射要大,2) 适合能级分布的激活物质,16,电子,亚稳态,例: He-Ne 激光器中Ne气粒子数反转态的实现,He 是辅助物质 Ne 是激活物质 激活方式直流气体放电 He 与 Ne 之比为51 101,17,四. 光学谐振腔,为了强化光放大，应使受激辐射光反复多次通过激活物质，实现这一目的的装置是光学谐振腔 在激活物质两侧配

8、置两个反射镜，就构成了一个“光学谐振腔”,使激光具有极好的方向性（沿轴线）,增强光放大作用（相当于延长了工作物质）,对输出波长选择，使激光具有极好的单色性（选频）,光学谐振腔的作用,18,五. 激光的应用,利用激光高强度 良好的聚焦性（平行性）,刻制光栅等,绘制集成电路图,芯片电路的准确分割,切割(连续打孔)：,调节精密电阻,焊接(烧熔)：迅速 非接触 可在空气中进行,钻孔(烧穿)： 效率高 可加工硬质合金钻石等,激光的应用已遍及科技、工农业、医疗、军事、生活等各个领域，这里只列举几个方面：, 加工：,19, 测量：,准直、测距等, 医疗：,激光手术刀,血管内窥镜,治癌等, 军事：,激光制导,

9、激光炮等, 核技术：,激光分离同位素,（还利用了频率准确的特点）,激光核聚变,20,激光雷达（分辨率高，可测云雾）等,利用激光极好的相干性：, 测量：,精密测长、,测角、,测流速,(10-5104 m/s),定向(激光陀螺),测电流电压（磁光效应）,准确测定光速 c（定义 1米 = c /299752458）, 全息技术：,全息存储,全息测量,全息电影,全息摄影等,21,抗干扰性强, 探测：,微电子器件表面探测,（激光原子力显微镜可测25个原子厚度的起伏变化),单原子探测,（利用光谱分析能测出1020个原子中的一个原子）, 激光光纤通讯：,载波频率高（10111015Hz）,信息容量大,清晰,

10、功耗小,分子雷达,（可探测活细胞内的新陈代谢过程）,22,激光核聚变,激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变,23,激光焊接,高能激光（能产生约5500 oC的高温） 把大块硬质材料焊接在一起,24,用激光使脱落的视网膜再复位,25,照明束 照亮视场, 纤维镜激光光纤 成象, 有源纤维强激光 使堵塞物熔化, 附属通道 （可注入气或液） 排除残物以明视线, 套环 （可充、放气） 阻止血流或使血流流通,26,17-2 晶体能带理论,固体分类,晶体 原子按一定的周期性规则排列的固体(有序性),天然的岩盐、水晶 半导体锗、硅单晶,非晶体 原子的排列没有明

11、确的周期性,玻璃、橡胶、塑料,27,长程有序 有一定的熔点 解理性 从外形上看，晶体通常是规则的凸多面体 晶面角守恒 各向异性 宏观特征是内在原子结构规则性排列的结果。,一. 晶体宏观特性,28,硅表面原子的排列 STM image G.Binning和H.Rohrer STM 1986年诺贝尔,29,雪花晶体形态示意图,30,31,石英晶体的不同外形,岩盐晶体的不同外形,32,Be2O3 晶体和 Be2O3玻璃,33,二. 晶体分类,34,三. 晶体结构,在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格， 空间点阵,空间点阵学说 晶体内在结构的长程有序 决定晶体的宏观性质,空间点阵 格点 + 周

12、期性平移,格点 原子（晶体完全由一种原子构成） 基元（晶体由数种原子构成）,基元 由这数种原子构成的基本单元,35,NaCl结构 一种典型的离子晶体 Na+构成面心立方格子 Cl也构成面心立方格子,36,CsCl结构 两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间 对角线位移12 的长度套构而成,37,金刚石结构, 碳原子构成的一个面心立方原胞内还有四个原子 分别位于四个空间对角线的 14处, 金刚石结构的半导体晶体,Ge、Si等, 一个碳原子和其它四个碳 原子构成一个正四面体,38,立方系的硫化锌 具有金刚石类似的结构 S和Zn分别组成面心立方结构的子晶格沿空间对角线 位移 14 的长度套构而成,化合物

13、半导体 锑化铟、砷化镓、磷化铟,39,四. 周期性势场和电子的共有化,1）孤立原子（单价） 电子所在处的电势为U，电子的电势能为V 电势能是一个旋转对称的势阱,1. 周期性势场,40,2) 两个原子情形,41,3）大量原子规则排列情形,晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构， 晶体中形成周期性势场,42,2. 电子的共有化运动,为确定电子在周期性势场中的运动，需解薛定谔方程,电子能量 E1 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；,电子能量 E2 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。,43,电子共有化 由于晶体中原子的周期性排列，价电子不再为单个原子所有的现象。共有化的电子可以在不同原子中的

14、相似轨道上转移，可以在整个固体中运动。 原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，属于 共有化的电子 原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子,44,电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场 中,五. 能带和能带中电子的分布,量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响，原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成 能带,例如：两个氢原子靠近结合成分子时，1S能级分裂为两条。,45,当N 个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互作用， 对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N 条靠得很近的 能级。使原来处于相同能级上的电子，不再有相

15、同的能量， 而处于N 个很接近的新能级上。,46,(1) 服从泡里不相容原理(电子是费米子) (2) 服从能量最小原理 孤立原子的能级 Enl，最多能容纳 2(2l+1) 个电子。 这一能级分裂成由N条能级组成的能带后， 最多能容纳 2(2l+1) 个电子。,能带中电子的排布 晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一条能级上。,排布原则：,例如： 1s、2s能带，最多容纳2个电子； 2p、3p能带，最多容纳6个电子。,47,遵守 泡利不相容原理 和 能量最小原理,最多可容纳电子数,2N,2N,2N,6N,6N,10N,48,满带,空带,导带 未填满的能带及空带（一般与价带相邻）,未填满的价带,例： 能带对导电性的影响,不参与导电,参与导电,参与导电,填满的价带,49,价带,六. 绝缘体 导体 半导体,绝缘体,半导体,满带,空带,导带,50,锂,镁,铜 铝 银,导体（三种情况）,51,七. 半导体类型,52,杂质能级,1. n 型半导体,价带,10-2 eV,施主能级,八. 杂质半导体,53,杂质能级,2. P 型半导体,价带,受主能级,10-2 eV,空穴,54,九. p n 结,p n 结中的电场和电势差,p区能带升高，n区能带降低，形成势垒,1. p n 结中的电场和势垒,55,p n结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化,