固體物理緒論(新疆大學(xué)李強(qiáng)老師課件)

固體物理SolidStatePhysics物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李強(qiáng)2009.1sttermXinjiangUniversity2023/4/19教師信息教師： 李強(qiáng)辦公室： 3＃412電話：-mail： qli@XinjiangUniversity2023/4/19考核方法平時(shí)成績 10%(*不要抄作業(yè)！)期末成績 90%XinjiangUniversity2023/4/19緒論固體物理的研究對(duì)象固體物理的發(fā)展歷史固體物理的研究內(nèi)容固體物理的研究特點(diǎn)課程內(nèi)容簡介教材和參考書目XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象凝聚態(tài)物理的研究對(duì)象晶體非晶體準(zhǔn)晶體多晶體單晶體原子在空間呈周期排列原子在空間呈無規(guī)排列原子排列具有5次對(duì)稱性組成材料的原子間具有較強(qiáng)的相互作用理想晶體:內(nèi)在結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的固體實(shí)際晶體:固體中或多或少地存在有不規(guī)則性(稱為缺陷)，在規(guī)則排列的背景中尚存在微量不規(guī)則性的晶體固體液體軟物質(zhì)液晶XinjiangUniversity2023/4/19方鉛礦(Galena,PbS)純鐵1、固體物理的研究對(duì)象XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象NaCl晶體原子堆積模型食鹽晶體XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象NaCl晶體的結(jié)構(gòu)示意圖NaCl晶體原子堆積模型XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象金剛石金剛石的晶體結(jié)構(gòu)XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象石墨石墨的晶體結(jié)構(gòu)XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象YBaCuO高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖XinjiangUniversity2023/4/19石英(Quartz,SiO2),玻璃(glass,SiO2)

1、固體物理的研究對(duì)象XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象SiO2晶體（石英）SiO2玻璃原子排列短程有序，長程無序XinjiangUniversity2023/4/191、固體物理的研究對(duì)象準(zhǔn)晶體：1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的AlMn合金電子衍射圖中具有五重對(duì)稱的斑點(diǎn)分布介于晶體和非晶體之間的新的狀態(tài)通常只能存在于很小的區(qū)域XinjiangUniversity2023/4/192、固體物理的發(fā)展歷史晶體規(guī)則的幾何形狀和對(duì)稱性與其它物理性質(zhì)之間有一定聯(lián)系，晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部規(guī)則性的反映;十八世紀(jì)，阿羽依(Hauy)認(rèn)為晶體由一些堅(jiān)實(shí)、相同的平行六面體的小‘基石”有規(guī)則地重復(fù)堆集而成的;十九世紀(jì)中葉，布喇菲(Bravais)發(fā)展了空間點(diǎn)陣學(xué)說概括了晶格周期性的特征；XinjiangUniversity2023/4/192、固體物理的發(fā)展歷史十九世紀(jì)末葉，費(fèi)多洛夫、熊夫利、巴羅等獨(dú)立地發(fā)展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進(jìn)一步研究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù);1912年，勞厄(Laue)進(jìn)行了晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了晶體中原子在空間的周期排列;二十世紀(jì)初特魯?shù)?Drude)建立了經(jīng)典金屬自由電子論，對(duì)固體認(rèn)識(shí)進(jìn)入一個(gè)新的階段;二十世紀(jì)初逐步建立起來的量子理論使晶體內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動(dòng)過程能夠被正確描述，這使得固體物理的研究得到了極大的發(fā)展；XinjiangUniversity2023/4/192、固體物理的發(fā)展歷史1907年，愛因斯坦(Einstein)引進(jìn)量子化的概念來研究晶格振動(dòng)，發(fā)展了固體比熱理論;1912年，德拜(Debye)改進(jìn)了愛因斯坦固體比熱理論，解釋了固體比熱在低溫時(shí)的變化規(guī)律;1926年，費(fèi)米(Femi)建立統(tǒng)計(jì)理論，使之可能研究大量電子組成的體系;1928年，索末菲(Sommerfeld)在特魯?shù)?Drude)金屬自由電子理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展了金屬自由電子氣的量子理論;XinjiangUniversity2023/4/192、固體物理的發(fā)展歷史1928年，布洛赫(Bloch)等提出固體電子能帶理論，使固體物理逐漸從物理學(xué)科中分離出來，形成一門單獨(dú)學(xué)科。固體能帶論說明了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有一類固體，其導(dǎo)電性質(zhì)介于兩者之間---半導(dǎo)體。20世紀(jì)四十年代末，以鍺、硅為代表的半導(dǎo)體單晶的出現(xiàn)；1947年出現(xiàn)了第一只晶體三極管,引發(fā)了一場(chǎng)科技革命。1957年，巴定(Bardeen)、庫珀(Cooper)和施里弗(Schrieffer)提出了超導(dǎo)電性量子理論。1960年，出現(xiàn)紅寶石激光器?！璛injiangUniversity2023/4/193、固體物理的研究內(nèi)容一般環(huán)境條件下，理想晶體的金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性物質(zhì)、發(fā)光材料等的各種物理性質(zhì)；雜質(zhì)和缺陷對(duì)上述各種固體材料物理性質(zhì)的影響；強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、超高壓、極低溫等特殊條件下材料表現(xiàn)出的各種性質(zhì)和現(xiàn)象。固體物理學(xué)是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律以闡明其性能與用途的科學(xué)。XinjiangUniversity2023/4/193、固體物理的研究內(nèi)容探索新材料和設(shè)計(jì)新器件；發(fā)展制備材料和器件的新工藝和新理論；超導(dǎo)理論、多體理論、非晶態(tài)理論、表面理論、納米材料理論等等；固體物理學(xué)負(fù)擔(dān)著眾多的理論課題。XinjiangUniversity2023/4/193、固體物理的研究內(nèi)容固體物理金屬物理半導(dǎo)體物理電介質(zhì)物理磁性物理固體光譜固態(tài)光電子學(xué)激光物理半導(dǎo)體器件超導(dǎo)體物理表面物理介觀物理納米物理量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理電磁理論…《材料科學(xué)》的基礎(chǔ)XinjiangUniversity2023/4/193、固體物理的研究內(nèi)容固體物理學(xué)已成為當(dāng)今物理學(xué)中最大、最主要的分支。論文數(shù)目---1/2；科研工作者---1/3；諾貝爾物理獎(jiǎng)中---1/2。固體物理學(xué)研究內(nèi)容日益豐富，日益復(fù)雜，形成了以晶體結(jié)構(gòu)、晶體原子動(dòng)力學(xué)、晶體的電、磁、光性質(zhì)及半導(dǎo)體和超導(dǎo)等核心論題為中心的分支學(xué)科。XinjiangUniversity2023/4/193、固體物理的研究內(nèi)容與凝聚態(tài)物理有關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1985：整數(shù)量子霍爾效應(yīng)1987：高溫超導(dǎo)1991：液晶和聚合物1994：中子譜

1998：分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)2000：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)2001：玻色愛因斯坦凝結(jié)2003：超導(dǎo)和超流體2007：巨磁電阻效應(yīng)

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1998：密度泛函理論2000：導(dǎo)電聚合物………1996：C602010：石墨烯XinjiangUniversity2023/4/194、固體物理的研究特點(diǎn)固體物理是在原子和電子層次，研究固體的宏觀物理性質(zhì)大部分情況需要量子理論，有時(shí)可以采用經(jīng)典方法固體是一個(gè)復(fù)雜的多粒子體系，每立方厘米包含1023個(gè)原子和電子，而且這些粒子間存在強(qiáng)的相互作用晶體中原子呈周期排布，引入傅里葉空間(倒易空間)使很多問題的討論大大簡化

*固體物理的核心問題就是波在周期結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)采用統(tǒng)計(jì)理論根據(jù)討論的問題，抽出主要矛盾，忽略次要矛盾，化簡模型，從而使問題得以求解XinjiangUniversity2023/4/194、固體物理的研究特點(diǎn)固體物理是以實(shí)驗(yàn)為主的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)中不僅要掌握理論知識(shí)，也要掌握和了解實(shí)驗(yàn)方法固體物理是建立在量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、電磁理論以及普通物理各門課程基礎(chǔ)上的一門物理課程，是物理學(xué)中內(nèi)容極其豐富、應(yīng)用極其廣泛的分支學(xué)科，有人說固體物理是“高級(jí)”普通物理任何時(shí)候都要注重物理基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)和積累XinjiangUniversity2023/4/195、課程內(nèi)容簡介固體物理課程內(nèi)容原子論電子論晶體中原子的排布（晶體結(jié)構(gòu)）(1)晶體中原子的結(jié)合(2)晶體中原子的振動(dòng)及熱學(xué)性質(zhì)(3)晶體中電子的運(yùn)動(dòng)（能帶理論）(4)晶體中電子在外部電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(5)晶體缺陷(12)固體的電學(xué)性能，磁性能，光學(xué)性能等電子-晶格原子相互作用(電聲相互作用):

超導(dǎo)元激發(fā)(晶體中電子，原子，離子的集體運(yùn)動(dòng)）XinjiangUniversity2023/4/196、教材和參考書目教材

《固體物理》，黃昆、韓汝琦，高教出版社，1988

參考書《IntroductiontoSolidStatePhysics》，Kittel，加州伯克利分校，2004，