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1、立方体心立方面心立方晶胞第1页/共62页晶体组成结合力结合力特性晶体特性离子晶体正、负离子库仑吸引力（离子键）无方向性无饱和性硬度高、熔点高、性脆、电子导电性弱共价晶体原子共价键有方向性有饱和性硬度高、熔点高、沸点高、不溶于所有寻常液体第2页/共62页晶体组成结合力结合力特性晶体特性金属晶体原子实、价电子金属键有明显方向性有饱和性具有导电性、导热性、金属光泽分子晶体电中性的无极分子范德瓦耳斯力（范德瓦耳斯键）无方向性无饱和性熔点低、硬度低、导电性差第3页/共62页二、固体的能带1、电子共有化单个原子两个原子由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。晶体中周
2、期性势场第4页/共62页2、能带的形成电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，形成能带。氢原子的能级分裂原子中的能级晶体中的能带第5页/共62页能带的一般规律：2.越是外层电子，能带越宽，E越大。1.原子间距越小，能带越宽，E越大。3.两个能带有可能重叠。禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。离子间距r02p2s1sEO能带重叠示意图第6页/共62页电子在能带中的分布：1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶体的原子个数）。2、正常情况下，总是优先填能量较低的能级
3、。满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子不参与导电过程。价带：由价电子能级分裂而形成的能带。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。第7页/共62页禁带空带（导带）满带导带满带第8页/共62页三、导体和绝缘体当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。禁带空带满带半导体能带禁带空带满带绝缘体能带第9页/共62页禁带价带满带空带满带空带价带满带一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。第10页/共62页四、半导体 本征半导体是指纯净的半导体。杂质半导体是指掺
4、有杂质半导体。电子导电半导体的载流子是电子空穴导电半导体的载流子是空穴（满带上 的一个电子跃迁到空带后,满带 中出现的空位）第11页/共62页SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半导体 在四价元素中掺入少量五价元素，形成n型半导体。导带施主能级满带第12页/共62页SiSiSiSiSiSiSi2、p型半导体 在四价元素中掺入少量三价元素，形成p型半导体。B导带受主能级满带第13页/共62页3、p-n结的形成由于n区的电子向p区扩散，p区的空穴向p区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内电场。p-n结n型p型第14页/共62页导带禁带满带第15页/共62页p-n结的单
5、向导电性在p-n结的p型区接电源正极，n区接负极阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向n区运动，电子向p区运动，形成正向电流。p型n型IU（伏）I（毫安）O第16页/共62页在p-n结的p型区接电源负极，n区接正极。阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n区运动，也不利于电子向p区运动。U(伏)I（微安）p型n型第17页/共62页4、半导体的其他特征和应用热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随变化十分灵敏。热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长光敏电阻在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。第18页/共62页温差电偶将两种不同的半导体组成回路，两
6、个接头处于不同温度，回路中将产生温差电动势。n型p型热端冷端负载电流电流电势差增加，半导体内电场也增强，阻止载流子扩散，最后达到平衡。第19页/共62页18-218-2 激光原理激光原理Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLaser受激辐射光放大一、激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。第20页/共62页自发辐射 在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。满足条件：h=E2-E1随机过程，用概率描述N2t时刻处于能级E2上的
7、原子数单位时间内从高能级自发跃迁到 低能级的原子数第21页/共62页A21自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子 在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率 自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。第22页/共62页受激辐射 处于高能级E2上的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。频率、相位、偏振态、传播方向等均同第23页/共62页随机过程，用概率描述单位时间内从高能级E2受激跃迁到 低能级E1的原子数B21受激辐射系数（由原子本身性质决定）W21表示一个原
8、子在单位时间内从E2受激辐射 跃迁到E1的概率(,t)辐射场的能量密度第24页/共62页受激吸收 能量为h=E2-E1的光子入射原子系统时，原子吸收此光子从低能级E1跃迁到高能级E2。N1t时刻处于能级E1上的原子数单位时间内由于吸收光子从E1跃迁 到E2的原子数密度W12受激吸收跃迁概率B12受激吸收系数(,t)辐射场的能量密度第25页/共62页2、粒子数反转 激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激辐射超过吸收和自发辐射根据玻尔兹曼能量分布律 热动平衡下，N2N1，即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数粒子数的正常分布受激辐射占支配地位粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数第2
9、6页/共62页实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有 适当的能级结构；必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。（激励或泵浦）激励方法：光激励、电激励、化学激励工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转第27页/共62页工作跃迁第28页/共62页3、光学谐振腔输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔激发态原子基态受激辐射自发辐射实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。第29页/共62页输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光
10、学谐振腔光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。第30页/共62页4、纵模与横模谐振条件：光波在谐振腔内能形成驻波或腔长谐振频率频谱中每个谐振频率成为一个振荡纵模。激光的纵模第31页/共62页相邻两纵模间隔N个纵模谐振腔选频作用：工作物质辐射的谱线有一定宽度，只有满足阈值条件，并处于物质辐射谱线宽度内。输出纵模个数：第32页/共62页激光的横模激光斑中的光的强度有不同形式的稳定分布花样，在光束横截面上的稳定分布称为激光横模。基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。第33页/共62页工作物
11、质：具有亚稳态能级结构光学谐振腔：维持光振荡激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光二、激光器He-Ne 气体激光器第34页/共62页电子碰撞碰撞转移He、Ne原子部分能级图第35页/共62页三、激光的特性4、能量集中3、相干性好2、方向性好1、单色性好单色性较好的普通光He-Ne激光器发出的红光第36页/共62页四、激光的应用4、激光在受控核聚变中的应用3、光信息处理和激光通信2、激光加工与激光医疗1、激光测距干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距打孔、切割、焊接、外科手术刀、武器光盘的高速高密记录、激光打印机5、激光的非线性效应第37页/共62页激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个
12、数量级，一根极细的光纤 能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。第38页/共62页激光手术刀（不需开胸，不住院）照明束：照亮视场 纤维镜激光光纤：成象 有源纤维强激光：使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束 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第39页/共62页 激光 原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。试样通常是微电子器件。激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置第40页
13、/共62页18-3 18-3 超导电性超导电性1911年昂尼斯（K.Onnes）发现超导现象。一、超导的基本特性1、零电阻效应某些金属、合金及化合物的温度低于某一值时，电阻突然为零。说明：只有稳恒电流的情况下才有零电阻效应。超导体临界温度Tc第41页/共62页2、迈斯纳效应（完全抗磁性）处于超导态的超导体内磁感应强度总为零。外磁场抗磁电流磁场总磁场第42页/共62页3、临界磁场和临界电流超导态能被足够强的磁场所破坏。超导体所能承载的电流也受限制。超导材料只有满足下述条件才能处于超导态第43页/共62页4、同位素效应超导临界温度与元素的同位素质量有关5、能隙超导中电子的能量存在类似半导体禁带的情
14、况第44页/共62页二、超导体的微观机制1、金属导体电阻的电子理论电子波在非严格周期性势场中传播将会发生散射，使自由电子的动量发生变化，即电子在电流方向上的加速受到阻碍。散射的原因缺陷热振动杂质电阻热振动电阻i与杂质浓度有关第45页/共62页2、弗罗里希的“电-声”作用电子密度在局部范围内有大有小，高密度的电子会对附近的离子晶格产生较大吸引力，是该处的离子实离开自己的平衡位置而产生振动，振动传播形成晶格波。第46页/共62页晶格波的能量量子化，每一份能量为电子之间有一种有效吸引，是通过交换声子而实现的。3、BCS理论只要两个电子之间存在有净的吸引作用，不论多么微弱，结果总能形成电子对束缚态。库
15、珀电子对库珀对使整个导体处于更为有序化的状态。电子位置有序化第47页/共62页BCS理论的核心：在超导态中，电子通过电声作用而结成束缚态的库珀对，而泡利不相容原理使所有的库珀对电子有序化为群体电子的动量和角动量相关为零。超导体处于超导态时，价电子以库珀对为整体与晶格作用，库珀对电子在散射前后总动量仍然保持不变，即电流的流动不发生变化，因此没有电阻。第48页/共62页三、超导材料的分类按超导体在临界磁场Hc时将磁通排斥在超导体外的方式分类：在临界磁场以下，磁通是完全被排斥在超导体之外的，只要磁场高于临界磁场，磁场就完全透入超导体中，材料也恢复正常。第类超导材料超导态向正常态的转变无任何中间态。电
16、流密度磁场温度正常超导第49页/共62页存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），材料处于下临界磁场时是完全超导态，在下临界磁场和上临界磁场之间，处于混合态。当磁场达到上临界磁场时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电阻的正常态。第类超导材料混合态外磁场温度正常态超导高温超导材料第50页/共62页四、超导理论新动向“激子机制”而形成电子对。1987年安德逊提出共振理论，认为电子在晶格附近配成自旋相反的共价键，通过掺杂的驱动，这种共价电子就共振转变为超流的库珀对而形成超导。罗伏兹提出固体中电子气的密度发生起伏，以波的形式传递而形成电荷密度波。现在超导材料主要是多元金属氧化物。第51页/共62页五、
17、超导电性在工业上的应用电能在零电阻输送，完全没有损耗大尺度、强磁场、低消耗2、超导电缆1、超导磁体3、超导储能超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。第52页/共62页六、约瑟夫逊效应及其应用绝缘层对电子来说是一个势垒，电子动能小于势垒高度时，仍有一定的概率贯穿势垒。超导结：N-I-N结、N-I-S结、S-I-S结N正常态金属膜，S超导体，I绝缘层1、单电子隧道效应第53页/共62页只要隧道结的势垒层足够薄，库珀对可贯穿势垒。库珀对的S-I-S结隧道效应2、约瑟夫逊效应ab段结电压（S-I-S结两端电
18、压）为零，此时电流为超导隧道电流。bc段显示出正常态的电流电压关系。结电压为零时，为常数，电流恒定。(1)直流约瑟夫逊效应第54页/共62页隧道电流超过最大约瑟夫逊电流，结电压不为零时结电压不为零时，会出现一个交变电流。(2)交流约瑟夫逊效应第55页/共62页(1)超导量子干涉器3、约瑟夫逊效应的主要应用(2)电压标准(3)超导计算机器件第56页/共62页18-418-4 纳米科学技术简介纳米科学技术简介一、纳米材料学纳米材料是线度为纳米量级的超微颗粒在一定条件下加压制成固体材料或用沉积方法制成薄膜。纳米颗粒大小范围：0.1nm100nm纳米颗粒包含原子数：102104个，50%为界面原子。1
19、、纳米颗粒的奇异特性(1)小尺寸效应(2)表面效应(3)量子效应第57页/共62页2、纳米材料及应用原子团簇原子团是由多个原子组成的小粒子。原子团簇尺寸小于20nm，约含几个到105个原子。原子团簇的特性：(1)具有硕大的表面体积比而呈现出表面或界面效应(2)幻数效应(3)原子团尺寸小于临界值时的“库仑”爆炸(4)原子团逸出功的振荡行为第58页/共62页纳米颗粒颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，在1100nm之间。不具有幻数效应，但具有量子效应。纳米碳管圆柱状分子。石墨的层状六角结构，每一层边缘翘起从而形成一种更稳定的卷桶结构，即碳管。特性：(1)重量很轻，却有很
20、高的弹性模量；受压力时不折断，而是弯曲，压力消失时重新变直。(2)有相当大的表面，有毛细现象。第59页/共62页纳米固体将超微颗粒在高压力下制成型，或再经一定热处理工序后生成致密型固体材料。有巨大的颗粒间界面，从而具有高韧性。纳米薄膜与纳米涂层将某种颗粒嵌于不同材料的薄膜中所生成的复合薄膜。第60页/共62页二、纳米电子学研究结构尺寸为纳米量级的电子器件和电子设备。第一代纳米机器人：第二代纳米机器人：第三代纳米机器人：生物系统和机械系统的有机结合体。直接用分子、原子装配成的纳米智能装置。装配有纳米电子计算机，可以实现人机对话，并具有自我复制能力。第61页/共62页感谢您的观看。第62页/共62页