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1、固体物理学固体物理学Solid State Phsicsys绪绪 论论一、固体物理的一、固体物理的研究对象研究对象二、固体物理的二、固体物理的发展过程发展过程三、固体物理的研究方法三、固体物理的研究方法四、固体物理学参考教材四、固体物理学参考教材五、课程安排和评价体系五、课程安排和评价体系一、固体物理的研究对象一、固体物理的研究对象研究固体的性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种研究固体的性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去重点不在于描述固体的宏观物理性
2、质，而是去阐明阐明和和理解理解固体的宏观性质。固体的宏观性质。解释解释形成这些性质的原因，从而找出形成这些性质的原因，从而找出控控制、利用、改善制、利用、改善这些性质的方法。这些性质的方法。例例如如：普普通通物物理理使使我我们们知知道道了了欧欧姆姆定定律律，固固体体物物理理将将说说明明固固体体电电阻阻的的来来源源并并从从理理论论上上推推导导出出欧欧姆姆定定律律，分分析析出出不不同同固体导电性能不同的原因。固体导电性能不同的原因。固体物理研究的不是单个原子的性质固体物理研究的不是单个原子的性质固体物理研究的不是单个原子的性质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
3、出来的集体性质。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。固固体体是是由由大大量量原原子子和和分分子子（10102323/cm/cm3 3）组组成成的的，固固体体的的性性质质虽虽然然也也和和组组成成固固体体的的原原子子、分分子子种种类类有有关关，但但更更主主要要的的是是和和这这些些原原子子采采用用什什么么方方式式结结合合在在一一起起，它它们们的的空空间间排排列列方方式式、相相互互作作用用力力类类型型，特特别别是是和和原原子子形形成成固固体体后后其其价价电电子子的的运运动动状状态态有有关。关。固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的桥梁固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的
4、桥梁例如：例如：例如：例如：性质完全不同的无定形碳、石墨、金刚石都是由相同的碳原子组成的，性质完全不同的无定形碳、石墨、金刚石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。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。美国贝尔电话实验室两次美国贝尔电话实验室两次美国贝尔电话实验室两次美国贝尔电话实验室两次NobleNobleNobleNoble物理奖获得者物理奖获得者物理奖获得者物理奖获得者巴丁巴丁巴丁巴丁(J.Bardeen)(J.Bardeen)(J.Bardeen)(J.Bardeen)说：说：说：说：固体物理学依据物质的电子结构和原
5、子结构固体物理学依据物质的电子结构和原子结构固体物理学依据物质的电子结构和原子结构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。来了解固体的各种性质。来了解固体的各种性质。来了解固体的各种性质。因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之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间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质固体按结构分类固体按结构
6、分类 原子有序排列尺度在原子尺度原子有序排列尺度在原子尺度1010-10-10m m（短程有序），如玻（短程有序），如玻璃、橡胶、塑料等。璃、橡胶、塑料等。固固体体非晶体非晶体晶体晶体准晶体准晶体微晶体微晶体一种介于晶态和非晶态之间的状态。特点：具有五次旋一种介于晶态和非晶态之间的状态。特点：具有五次旋转对称轴，但没有周期性。转对称轴，但没有周期性。原子在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不原子在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不接触，接触，“悬浮悬浮”在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。单晶体单晶体多晶体多晶体原子在微米量级范围有序排原子在微米量
7、级范围有序排列，形成单晶粒，整个晶体列，形成单晶粒，整个晶体由单晶粒随机堆积而成。晶由单晶粒随机堆积而成。晶粒与晶粒之间存在晶粒间界。粒与晶粒之间存在晶粒间界。如多晶硅、大量金属。如多晶硅、大量金属。原子在整个固体中有序排列，原子在整个固体中有序排列，如单晶硅。如单晶硅。原子按一定的原子按一定的周期规则有序周期规则有序排列排列1010-6-6m m（长（长程有序程有序天然的岩盐、天然的岩盐、水晶、硅单晶水晶、硅单晶主要的研究对象：主要的研究对象：主要的研究对象：主要的研究对象：晶体晶体晶体晶体 理想晶体理想晶体理想晶体理想晶体 内在结构完全规则的固体，又叫完整晶体。内在结构完全规则的固体，又叫
8、完整晶体。实际晶体实际晶体实际晶体实际晶体 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列 的背景中尚存在微量不规则性的晶体。的背景中尚存在微量不规则性的晶体。缺陷缺陷缺陷缺陷:在近乎完整的晶体内部的微量的不规则性在近乎完整的晶体内部的微量的不规则性 外外来来杂杂质质纯铁中掺入微量的碳（钢），质地比铁坚硬得多纯铁中掺入微量的碳（钢），质地比铁坚硬得多锗、硅单晶体掺入微量的杂质，才是灵敏的半导体锗、硅单晶体掺入微量的杂质，才是灵敏的半导体红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量的铬离子后才变红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量的铬离子后才变为红色。为红色
9、。固体物理已成为固体材料和器件的基础固体物理已成为固体材料和器件的基础固体物理已成为固体材料和器件的基础固体物理已成为固体材料和器件的基础学科，是固体新材料和新器件的生长点学科，是固体新材料和新器件的生长点学科，是固体新材料和新器件的生长点学科，是固体新材料和新器件的生长点n固体是由什么原子组成？固体是由什么原子组成？n它们是怎样排列和结合的？它们是怎样排列和结合的？n这种结构是如何形成的？这种结构是如何形成的？n在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？n它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？它的宏观性质和内部的微观运动形态
10、有什么联系？n各种固体有哪些可能的应用？各种固体有哪些可能的应用？n探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：“凡草木花多五出凡草木花多五出,雪花独六出雪花独六出”-韩诗外传韩诗外传西汉西汉雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 -六角雪花论六角雪花论J.Kepler （16111611）二、固体物理的发展历程二、固体物理的发展历程17841784年年 法国学者阿羽依法国学者阿羽依晶体具有
11、规则的几何外形，是晶体中原子、分子规则排列的结果晶体具有规则的几何外形，是晶体中原子、分子规则排列的结果18481848年年 法国学者布拉斐法国学者布拉斐(ABravais):空间点阵空间点阵18901890年：费多罗夫年：费多罗夫(E.S.Fedorov)18911891年：熊夫里斯年：熊夫里斯(A.Schnflies)空间群论空间群论晶体微观结构的几何理论晶体微观结构的几何理论18951895年：伦琴发现年：伦琴发现 X X 射线射线。1912年：年：劳厄劳厄(M.von Laue)，弗里德里希弗里德里希(W.Feriederich)，克尼平克尼平(P.Knipping)晶体晶体X射线实验
12、，验证了晶体结构的周期性。射线实验，验证了晶体结构的周期性。19401940年：赛兹（年：赛兹（Seitz F.Seitz F.）出版）出版Modern Theory of SolidsModern Theory of Solids。19281928年：年：BlochBloch创建能带论创建能带论195195？年：黄昆、程开甲，中国固体物理的创始人年：黄昆、程开甲，中国固体物理的创始人 新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、
13、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。发展。例：例：例：例：1988198819881988年发现巨磁电阻效应年发现巨磁电阻效应年发现巨磁电阻效应年发现巨磁电阻效应(GMR)-(GMR)-(GMR)-(GMR)-小硬盘大发
14、现小硬盘大发现小硬盘大发现小硬盘大发现 硬盘技术之父硬盘技术之父硬盘技术之父硬盘技术之父2007200720072007年摘得诺贝尔物理学奖年摘得诺贝尔物理学奖年摘得诺贝尔物理学奖年摘得诺贝尔物理学奖法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯-费尔费尔费尔费尔Albert FertAlbert FertAlbert FertAlbert Fert德国科学家皮特德国科学家皮特德国科学家皮特德国科学家皮特-克鲁伯格克鲁伯格克鲁伯格克鲁伯格Peter GrPeter GrPeter GrPeter Gr nbergnbergnbergnberg 得得益益于于“巨巨磁磁电电阻阻”
15、效效应应这这一一重重大大发发现现，最最近近2020多多年年来来，我我们们开开始始能能够够在在笔笔记记本本电电脑脑、音音乐乐播播放放器器等等产产品品中中安安装装的的越越来来越越小的硬盘来存储海量信息。小的硬盘来存储海量信息。上上世世纪纪六六七七十十年年代代后后，固固体体物物理理的的发发展展更更为为迅迅速速，不不但但晶晶体体材材料料的的研研究究更更加加完完美美，而而且且逐逐渐渐走走出出大大块块晶晶体体的的范范畴畴，开开始始了了对对微微细细材材料料和和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：英英国国曼曼彻彻斯斯特特大大学学科科学学家家安安德德烈烈海
16、海姆姆和和康康斯斯坦坦丁丁诺诺沃沃肖肖洛洛夫夫以以石墨烯石墨烯研究获得研究获得年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖 康斯坦丁康斯坦丁康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫(1974/8(1974/8(1974/8(1974/8出生出生)安德烈安德烈安德烈安德烈海姆海姆海姆海姆(1958/10(1958/10(1958/10(1958/10出生）出生）出生）出生）常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的
17、石墨片当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。度的单层就是石墨烯。1959195919591959年，著名的诺贝尔奖得主费曼（年，著名的诺贝尔奖得主费曼（年，著名的诺贝尔奖得主费曼（年，著名的诺贝尔奖得主费曼（RichardFeynmanRichardFeynmanRichardFeynmanRichardFeynman）就设想：）就设想：）就设想：）就设想：“如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会
18、产生什如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什么样的奇迹！么样的奇迹！么样的奇迹！么样的奇迹！”，“毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的话，将大大扩充我们可以获得物性的范围话，将大大扩充我们可以获得物性的范围话，将大大扩充我们可以获得物性的范围话，将大大扩充我们可以获得物性的范围”。如如今今，费费曼曼的的预预言言已已经经初初步步实实现现：我我们们已已能能够够制制备备包包括括几几十十个个到到几几万万个个原原子子的的纳纳米米粒粒子子，并并把把
19、它它们们作作为为基基本本构构成成单单元元，适适当当排排列列成成一一维维量量子子线线、二二维维量量子面和三维纳米固体。子面和三维纳米固体。19891989年年在在美美国国加加州州的的IBMIBM实实验验内内，依依格格勒勒博博士士（D.EiglerD.Eigler）采采用用低低温温、超超高高真真空空条条件件下下的的扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜（STMSTM）操操纵纵着着一一个个个个氙氙原原子子，STMSTM的的针针尖成了搬运原子的尖成了搬运原子的“抓斗抓斗”。依依格格勒勒将将3535个个氙氙原原子子排排布布成成了了世世界界上上最最小小的的IBMIBM商商标标，实实现现了了人人类类另另一一个个幻幻想
20、想直直接接操操纵纵单单个个原原子子。原原子子间间间间距距只只有有1.3nm1.3nm左左右右。这这是是人人类类有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识：从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识：固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。固固体体物物理理的的基基本本概概念念和和实实验验技技术术已已在在非非固固体体学学科科中中得得到到广广泛泛应应用用，成为众多学科的共同财富。成为众多学科的共同财富。固固体体物物理理是是物物质质结结构构中中最最丰丰富富的的层层次次，因因而而构构成成了了对对于
21、于人人类类智智力力的的巨巨大大挑挑战战，7070多多年年来来的的新新发发现现不不断断涌涌现现，使使之之对对高高新新技技术术发发展展的的推推动势头不但不减，在新世纪反而变得更加突出。动势头不但不减，在新世纪反而变得更加突出。三、固体物理的研究方法三、固体物理的研究方法n 理论上：是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要引理论上：是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要引入假说、模型和近似。入假说、模型和近似。*合作现象、平均场近似合作现象、平均场近似固体磁性理论固体磁性理论基于用量子力学处理交换相互作用基于用量子力学处理交换相互作用*理想的周期性理想的周期性晶格动力学晶格动力
22、学基于统计物理和量子论来研究固体的热性质基于统计物理和量子论来研究固体的热性质*单电子近似单电子近似固体能带理论固体能带理论基于量子力学与统计物理来研究固体导电性基于量子力学与统计物理来研究固体导电性n 实验上：大量的实验是固体理论的形成基础（验证），并且是新实验上：大量的实验是固体理论的形成基础（验证），并且是新材料、新器件诞生的主要来源。材料、新器件诞生的主要来源。几十年来，新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段。几十年来，新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段。固体物理学新的实验条件和技术固体物理学新的实验条件和技术同同步步辐辐射射技技术术超超高高真真空空技技术术光光散散射射效效
23、应应激激光光技技术术穆穆斯斯堡堡尔尔效效应应表表面面能能谱谱术术各各种种粒粒子子束束技技术术核核物物理理技技术术磁磁共共振振技技术术电电子子显显微微术术超超高高压压极极低低温温强强磁磁场场四、固体物理学参考教材四、固体物理学参考教材1.固体物理学固体物理学 黄昆、韩汝琦黄昆、韩汝琦（高等教育出版社）（高等教育出版社）2.固体物理教程固体物理教程 王矜奉王矜奉 编著编著 （山东大学出版社）（山东大学出版社）3.固体物理导论固体物理导论 基泰尔基泰尔（C.Kittel)(化学工业出版社）化学工业出版社）4.4.凝聚态物理学凝聚态物理学上卷上卷 冯端、金国钧冯端、金国钧 高等教育出版社）高等教育出版
24、社）5.Solid State Physics G.Grosso、G.P.Parravicini (Elsevier)教学教学单元单元内容内容总学时总学时学时安排学时安排讲授讲授实验实验上机上机课程设计课程设计其它其它1 1晶格结构晶格结构10109 9 1 12 2固体的结合固体的结合7 76 6 1 13 3晶格振动与晶体的热学性质晶格振动与晶体的热学性质12121111 1 14 4能带理论能带理论11111010 1 15 5晶格中电子在电场和磁场中的运动晶格中电子在电场和磁场中的运动8 87 7 1 16 6金属电子论金属电子论6 65 5 1 17 7复习复习2 2 2 2 总计总计56564848 8 8五、课程安排和评价体系五、课程安排和评价体系评分分为五部分：评分分为五部分：出勤出勤10%10%课堂表现和讨论课堂表现和讨论15%15%课后作业课后作业10%10%前沿科学与固体物理的关联调研（开放试题）前沿科学与固体物理的关联调研（开放试题）15%15%期末考试期末考试50%50%。考试以综合分析题为主，占考试以综合分析题为主，占40%40%到到60%60%，可以提供复杂的计算，可以提供复杂的计算公式，考核重心由死记硬背转变为对学生分析为题、解决问公式，考核重心由死记硬背转变为对学生分析为题、解决问题的能力上。题的能力上。