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1、1,固体物理导论,绪论,第 0 章,2,蓝 郁暨南大学物理学系 理工楼 307 电话：85224386-307 E-mail：,3,物理（Physics）源于希腊文“自然”称为自然哲学(Nature Philosophy),十九世纪 经典物理学发展已很完整,4,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,5,研究对象 基本粒子物理(elementary particle physics) 原子核物理(nuclear physics) 原子分子物理(atomic
2、 and molecular physics) 凝聚态物理(condensed matter physics) 表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics),近代物理以研究对象作为分类依据,6,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。,7,固体物理研究对象晶体、非晶体与准晶体等固相物质,8,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
3、之于绘画、装饰等，但这只能说人们学会了使用固体。,9,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。,何为晶体，非晶体？,10,11,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。,12,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,13,1984年，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,14,近代物理发展史1. 1803年，道尔顿
4、 近代原子论：万物由几十种原子组成。1803年10月，在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中，道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为三点:,15,(1)元素是由非常微小、不可再分的微粒原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。(2)同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质也各不相同，原子质量是的基本特征之一。(3)不同元素化合时，原子以简单整数比结合。,16,第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。,17,2. 19世纪60年代，门捷列夫元素周期表3. 19世纪末，发现电子、 粒子、放射性、X射线、 射
5、线，证明原子不是物质构成的最小单元。,18,4. 20世纪初，卢瑟夫建立原子结构的行星模型，探讨原子结构模型和经典物理学的矛盾，导致量子力学诞生。产生了原子、分子物理、凝聚态物理、原子核物理。,19,一、固体物理的研究对象固体按结构分为：晶体、非晶体、准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。,20,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。,与普通物理不同，它的重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去阐明和理解固体的宏观性质。解释形成这些性质的原因，从而找出控制、利用、改善这些性质的方
6、法。,21,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。,22,固体物理研究的不是单个原子的性质，而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质。固体是由大量原子和分子组成的。“More is different”-P. W. Anderson固体的性质虽然也和组成固体的原子、分子种类有关，但更主要的是和这些原子采用什么方 式结合在一起，他们的空间排列方式、相互作用力类型，特别是和原子形成固体后其价电子的运动状态有关。,23,例如：性质完全不同的无定形碳、石墨和金刚石
7、都是由相同的碳原子组成的，是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质。巴丁(J.Bardeen)说：固体物理学依据物质的电子结构和原子结 构来了解固体的各种性质。,24,固体物理的研究首先是从晶体开始的：在自然界的矿物中，晶态物质占到98以上，人类最早研究和使用的材料也大都是晶态物质，是各类晶态物质特有的性质引起了研究兴趣和开发利用。2. 晶态物质原子排列的周期性使的固体理论得以顺利进行，如今已经成熟并获得巨大成功的固体理论只是建立在对晶体研究的基础上。严格说来应该叫做晶体物理学。但基
8、于上述原因，过去很长一段时间里，人们把“固体”与“晶体”看成同义词，并不区别它们间的差别，所以早期Kittel说：固体物理研究晶体和晶体中的电子。,25,固体物理和四大力学不同：,四大力学：分别研究物质特定的运动形态，研究对象是理想条件下的特定运动的规律，如理论力学研究物体的机械运动等,固体物理：研究对象是一类固体物质，它既是力学系统、又是热学系统和电磁系统，而组成固体的微观粒子又必须服从量子力学规律，所以固体物理是一门综合科学，需要我们综合运用各种理论工具，从不同角度、不同侧面去研究实际固体的各种运动形态，从而全面地解释固体的各种性质，所以四大力学都是固体物理的理论基础课。,26,概念了解：
9、 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,27,硅表面硅原子的排列STM image,G.Binning 和 H.Rohrer STM 1986年诺贝尔,28,HRTEM image and ED pattern of CdS nanowires,德国的 Knoll 和Ruska TEM,29,二、发展过程十七世纪，惠更斯的椭球堆积模型，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) =
10、1/r : 1/s : 1/t 十九世纪，布拉维空间点阵学说：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。,30,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。,31,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。,32,二十世纪： 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
11、。 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。,33,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。,34,赛兹1940年出版的现代固体理论一书, 标志着固体物
12、理的成熟并形成了固体物理理论 的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）Seitz F, Modern Theory of SolidsMcGraw-Hill 1940这本书是固体物理学作为独立学科出现的奠基 性著作，目前我们固体物理课程所讲述的固体理论依然处在该书建立的体系中，它处理问题的基本方法取得了辉煌的成就，并一直普遍使用到今天，而且还将会继续使用下去，因此理解并掌握好这种方法是学好固体物理课的关键之处。(适用条件，使用方法，局限性等）,35,固体理论的第一个范式：固体物理研究周期结构中波的传播问题，无论是弹性波、电磁波，de-Broglie波相关理论的共同点是：充分利用了晶体结构中的
13、平移对称性，使问题得到简化，因此作为实空间Fourier变换而得到的波矢空间的重要性就被突出出来，波矢空间的基本单位是布里渊区，因此了解布里渊区内部和边界上的能量波矢关系就成为解决具体问题的关键。有人（Hall）比喻：倒易空间和布里渊区是固体物理的Maxwell方程,36,固体物理学是二十世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广的一门学科。统计表明，现今四分之一的物理工作者从事固体物理研究，每年发表的物理科学论文中三分之一属于固体物理领域。(广义地说凝聚态物理学)Shockley, Bardeen,Brattain1947年12月23日发现了半导体晶体管的放大效应，由此带来的巨大影响是固体物理
14、和高科技发展关系的最典型的说明。1950年晶体三极管，1954年硅晶体管，1959年集成电路，之后大规模集成电路，超大规模集成电路相继问世，极大地推动了计算机的发展，促成了人类历史上的第3次技术革命。,37,上世纪六七十年代后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材料的研究更加完美，而且逐渐走出大块晶体的范畴，开始了对微细材料和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来1973年非晶态金属薄膜商品化； 1976年非晶硅太阳能电池问世； 1984年在人工合成材料中发现准晶体； 1984年首次合成了纳米金属晶体Pd, Fe等。 1985年发现了以C60为代表的团簇化合物； 1986年新型高温超导材料
15、的发现； 1988年发现巨磁阻效应(GMR)； 1991年发现碳纳米管； 1994年发现超大磁阻效应(CMR)； 1995年穿隧磁阻TMR 的再发现；,38,1. 固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。固体物理的研究已经从传统的晶状固体拓展到非晶固体、薄膜和细小粒子体系、以及量子流体，这一更宽的研究领域人们称之为凝聚态物理学2. 固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中得到广泛应用，成为众多学科的共同财富。3. 固体物理是物质结构中最丰富的层次，因而构成了对于人类智力的巨大挑战，60多年来的新发现不断涌现，使之对高新技术发展的推动势头不但不减，在世纪交接之际反而变得更加突出。,39,三、学科
16、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,40,4）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）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。,41,42,四、研究方法 是一门理论与实践密切结合的科学。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。,
