大學(xué)物理學(xué)52第十六章 9-12節(jié) 激光 半導(dǎo)體 超導(dǎo)體 納米材

大學(xué)物理學(xué)電子教案量子物理（6）16-9激光16-10半導(dǎo)體16-11超導(dǎo)電性16-12納米材料復(fù)習(xí)量子力學(xué)簡(jiǎn)介波函數(shù)概率密度薛定諤方程一維勢(shì)阱問題對(duì)應(yīng)原理一維方勢(shì)壘隧道效應(yīng)多電子原子中電子分布

電子自旋自旋磁量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)多電子原子中的電子分布.發(fā)光前自發(fā)輻射

一自發(fā)輻射受激輻射1

自發(fā)輻射原子在沒有外界干預(yù)的情況下,電子會(huì)由處于激發(fā)態(tài)的高能級(jí)自動(dòng)躍遷到低能級(jí),這種躍遷稱為自發(fā)躍遷.由自發(fā)躍遷而引起的光輻射稱為自發(fā)輻射..。發(fā)光后16-9激光吸收前.受激吸收2

光吸收原子吸收外來光子能量,并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),且,這個(gè)過程稱為光吸收.吸收后。.自發(fā)輻射的特點(diǎn)：所發(fā)光互相獨(dú)立，頻率、振動(dòng)方向和相位不一定相同,是非相干光.3

受激輻射由受激輻射得到的放大的光是相干光,稱為激光.原子中處于高能級(jí)的電子,會(huì)在外來光子（其頻率恰好滿足）的誘發(fā)下向低能級(jí)躍遷,并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射...。發(fā)光前發(fā)光后受激輻射的光放大示意圖二激光原理1

粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）已知粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。統(tǒng)計(jì)分布美國物理學(xué)家梅曼于1960年9月制成第一臺(tái)紅寶石固體激光器.從外界輸入能量（如光照,放電等）,把低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去,這個(gè)過程叫做激勵(lì)（也叫泵浦）.紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖..。。基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)2

光學(xué)諧振腔激光的形成光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中往返傳播,使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加,從而獲得很強(qiáng)的光,這種現(xiàn)象叫做光振蕩...........激光光束全反射鏡光學(xué)諧振腔示意圖部分透光反射鏡加強(qiáng)光須滿足駐波條件三激光器

1

氦氖氣體激光器（輸出功率不大）

優(yōu)點(diǎn)：輸出的激光單色性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等．（波長(zhǎng)632.8nm）氦和氖的原子能級(jí)示意圖基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦氖632.8nm123氦氖激光器部分反射鏡AK（幾千伏特）毛細(xì)管管內(nèi)氦氖比例（5~10/1）全反射鏡2

紅寶石激光器紅寶石激光器的工作物質(zhì)是棒狀紅寶石晶體，它發(fā)出的激光是脈沖激光，波長(zhǎng)為694.3nm.

。。

。全反射鏡半透射鏡紅寶石棒。脈沖燈紅寶石激光示意圖激光器發(fā)展的主要方面（1）擴(kuò)展了激光的波長(zhǎng)范圍.（紅外~紫外）（2）激光的功率大大提高.（連續(xù)功率達(dá)~10kW）（3）激光器已能實(shí)現(xiàn)小型化.四激光器的特性和應(yīng)用1

方向性好利用激光準(zhǔn)直儀可使長(zhǎng)為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.3能量集中4

相干性好普通光源的發(fā)光過程是自發(fā)輻射,發(fā)出的不是相干光,激光的發(fā)光過程是受激輻射,它發(fā)出的光是相干光.2

單色性好激光的單色性比普通光高倍.一固體的能帶完全分離的兩個(gè)氫原子能級(jí)++16-10半導(dǎo)體（a）兩個(gè)原子很近時(shí)的能級(jí)分裂（b）五個(gè)原子很近時(shí)的能級(jí)分裂

（c）固態(tài)晶體的能帶1s1s1s2s2s2s重疊能級(jí)分裂形成能帶在理想的固態(tài)晶體中，因?yàn)樵娱g的相互作用，使原子原有的能級(jí)分裂成

N

個(gè)間距極近的子能級(jí),子能級(jí)幾乎連成一片形成能帶.每個(gè)子能級(jí)有個(gè)量子態(tài).根據(jù)泡利原理每個(gè)子能級(jí)容納個(gè)電子.每個(gè)能帶容納個(gè)電子導(dǎo)帶:空帶和未被電子填滿的價(jià)帶.價(jià)帶:價(jià)電子的能級(jí)分裂所形成的能帶.實(shí)驗(yàn)表明:一個(gè)能帶中最高能級(jí)與最低能級(jí)之間的間隔一般不超過的數(shù)量級(jí).由于原子數(shù)N的數(shù)量級(jí)為.所以一個(gè)能帶中相鄰能級(jí)間間隔約為.

滿帶和空帶:能帶中能級(jí)全被電子填滿為滿帶;無電子填充的能帶為空帶.晶體的能帶禁帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶（非滿帶）空帶價(jià)帶（滿帶）導(dǎo)帶禁帶:能帶之間不存在能級(jí)的區(qū)間.導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率溫度系數(shù)禁帶價(jià)帶負(fù)較小滿帶正非滿帶負(fù)較大滿帶二本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體1本征半導(dǎo)體：純凈的無雜質(zhì)的半導(dǎo)體導(dǎo)帶禁帶滿帶空穴電子鍺晶體中的正常鍵電子被激發(fā)，晶體中出現(xiàn)空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGeGe2雜質(zhì)半導(dǎo)體電子型（簡(jiǎn)稱n

型）半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶施主能級(jí)施主能級(jí)五價(jià)原子砷摻入四價(jià)硅中，多余的價(jià)電子環(huán)繞

離子運(yùn)動(dòng)空穴型（簡(jiǎn)稱p型）半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶受主能級(jí)受主能級(jí)空穴GeGeGeGeGeGeGeGeGeGe

三價(jià)原子硼摻入四價(jià)鍺晶體中，空穴環(huán)繞離子運(yùn)動(dòng)pnpnpn

結(jié)的伏安特性曲線反向電壓正向電壓三pn

結(jié)pnp偶電層n----------++++++++++空穴電子動(dòng)平衡時(shí)p

型與n

型接觸區(qū)域的電勢(shì)變化四光生伏特效應(yīng)Pn光這種由光的照射，使pn

結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng).哈勃望遠(yuǎn)鏡上兩側(cè)的光電池板將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転橥h(yuǎn)鏡提供能源4.004.204.400.1500.1000.0500.000一超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度***：臨界溫度4.20K附近汞的電阻突降為零在16-11超導(dǎo)體幾種超導(dǎo)材料的臨界溫度材料Tc

/K材料Tc/KZn0.844Al1.174Sn3.72Hg4.15Pb7.201Nb9.26NbN14.7Nb3Ge23.2La-Ba-Cu-O35Y-Ba-Cu-O80Bi–Sr-Cu-O110Tl-BaCa-Cu–O125HgBa2Ca2Cu3O8134二超導(dǎo)體的主要特性1零電阻率當(dāng)（臨界電流）時(shí)，電導(dǎo)率電阻率，2臨界磁場(chǎng)（能破壞超導(dǎo)態(tài)的外磁場(chǎng)的臨界值）超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)o臨界磁場(chǎng)與溫度關(guān)系3邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)時(shí),超導(dǎo)體內(nèi)H=0SN超導(dǎo)小球懸浮于電流的磁場(chǎng)中

在磁場(chǎng)中，超導(dǎo)圓盤懸浮起來

晶體局部區(qū)域的畸變?nèi)瑢?dǎo)電性的BCS

理論晶體點(diǎn)陣正常位置晶體點(diǎn)陣畸變位置

1957年美國物理學(xué)家巴丁、庫珀、施里弗三人共同創(chuàng)立了近代超導(dǎo)微觀理論，這就是常稱的BCS理論.

聲子：晶體中由點(diǎn)陣的振動(dòng)產(chǎn)生畸變而傳播的點(diǎn)陣波的能量子稱聲子.

庫珀對(duì)：兩個(gè)電子通過交換聲子而耦合起來，成為束縛在一起的電子對(duì)稱為庫珀對(duì).組成庫珀對(duì)的兩個(gè)電子之間的距離約為,自旋與動(dòng)量均等值而相反，所以每一庫珀對(duì)的動(dòng)量之和為零.當(dāng)時(shí)金屬內(nèi)的庫珀對(duì)開始形成,這時(shí)所有的庫珀對(duì)都以大小和方向均相同的動(dòng)量運(yùn)動(dòng),金屬導(dǎo)體就具有了超導(dǎo)電性.庫珀對(duì)的數(shù)量十分巨大,當(dāng)它們向同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí),就形成了超導(dǎo)電流.四超導(dǎo)的應(yīng)用前景

1強(qiáng)磁場(chǎng):利用超導(dǎo)線圈做的電磁體用于回旋同步加速器;超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等.2

低損耗電能傳輸.3

磁懸浮列車車速可達(dá)550km/h.4超導(dǎo)電子器件:利用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)制成的超導(dǎo)電子器件和超導(dǎo)量子干涉儀.納米（nm）一納米效應(yīng)1小尺寸效應(yīng)納米材料：幾何尺寸為納米數(shù)量級(jí)的微?；蛴杉{米大小的微粒在一定條件下加壓成形得到的固體材料.包含的原子數(shù):個(gè)一個(gè)納米微粒內(nèi)界面原子比例:50%左右由納米微粒組成的納米固體在較寬的頻率范圍內(nèi)顯示出對(duì)光的均勻吸收性,吸收峰的位置和峰的半高寬度與微粒半徑倒數(shù)有關(guān).16-12納米材料2表面與界面效應(yīng)納米微粒具有很高的表面能.納米微粒表面活性增加，成為活性極好的催化劑.納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系納米微粒尺寸/nm包含總原子數(shù)表面原子所占比例1042120%40%80%99%問:為什么高比例的表面原子會(huì)增加表面活性?簡(jiǎn)立方結(jié)構(gòu)晶體二維平面圖分立能級(jí)圖表面原子內(nèi)部原子3量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)：粒子尺寸下降到極低值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)離散分布的現(xiàn)象.能級(jí)間距（理論公式）費(fèi)米能級(jí)總電子數(shù)當(dāng)熱能、電能、磁能或超導(dǎo)凝聚能時(shí)量子效應(yīng)明顯納米微粒的磁、光、聲、熱、電等性能與宏觀材料的特性有顯著區(qū)別.二納米材料的制備納米晶體或非晶材料惰性氣體沉積+原位加壓法納米固體激光或等離子技術(shù)高溫氣相合成納米陶瓷粉料化學(xué)沉積法、水熱合成法.三一種納米新材料—碳納米管1991年11月,日本科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了一種新型針狀的碳管的碳結(jié)構(gòu).碳針直徑:1nm~30nm碳針長(zhǎng)度:~1um每根碳針數(shù)目:2~50層每層碳管可看成是由石墨片卷成圓筒狀而成.碳納米管特性1強(qiáng)度大，能經(jīng)受約~壓力.2韌度比其他纖維高200倍以上.3碳納米管填充其他物質(zhì)后可進(jìn)一步改進(jìn)其性質(zhì)和用途.四應(yīng)用（1）在微電子器件方面的應(yīng)用;（2）在磁記錄方面的應(yīng)用;（3）在傳感器上的應(yīng)用.一光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律VA（1）實(shí)驗(yàn)裝置光照射至金屬表面,電子從金屬表面逸出,稱其為光電子.（2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律截止頻率（紅限）

幾種純金屬的截止頻率僅當(dāng)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān).金屬截止頻率4.5454.398.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29電流飽和值遏止電壓

瞬時(shí)性遏止電勢(shì)差與入射光頻率具有線性關(guān)系.當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出（光強(qiáng)）遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)銫鋅鉑按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時(shí)間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.（3）經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題瞬時(shí)性問題按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要其強(qiáng)度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.二光子愛因斯坦方程（1）“光量子”假設(shè)光子的能量為（2）解釋實(shí)驗(yàn)愛因斯坦方程逸出功與材料有關(guān)對(duì)同一種金屬，

一定，，與光強(qiáng)無關(guān)幾種金屬的逸出功金屬鈉鋁鋅銅銀鉑1.90~2.462.50~3.603.32~3.574.10~4.504.56~4.736.30逸出功愛因斯坦方程產(chǎn)生光電效應(yīng)條件條件（截止頻率）光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多，光電流越大.（時(shí)）光子射至金屬表面，一個(gè)光子攜帶的能量將一次性被一個(gè)電子吸收，若，電子立即逸出，無需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）.（3）的測(cè)定愛因斯坦方程遏止電勢(shì)差和入射光頻率的關(guān)系

例