2021-2022学年高二物理竞赛课件：固体物理基础绪论.pptx

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1、固体物理基础绪论固体物理基础绪论第一讲第一讲 绪论绪论前言前言-固体物理的伟大成就固体物理的伟大成就1.1.19561956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究2.2.19621962年：达维多维奇年：达维多维奇朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论3.1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论4.4.19731973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）

2、提出并发现通过隧道势垒的超电年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应流的性质，即约瑟夫森效应5.5.19771977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究6.6.19851985年：冯年：冯克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术7.7.19861986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（

3、德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜8.8.19871987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料9.9.19981998年：劳克林、霍斯特年：劳克林、霍斯特路德维希路德维希施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应10.10.20002000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克年

4、：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克基尔比（美国）发基尔比（美国）发明集成电路明集成电路11.11.20012001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔EE维曼（美国）在碱金属原子稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚态以及凝聚态物质性质早期基本性维曼（美国）在碱金属原子稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚态以及凝聚态物质性质早期基本性质研究方面的成就质研究方面的成就12.12.20032003年：阿列克谢年：阿列克谢阿布里科索夫、安东尼阿布里科索夫、安东尼莱格特（美国）、维塔利莱格特（美国）、维塔利金茨堡（俄罗斯）在超导体

5、和超流体领域中做出的开创性贡献金茨堡（俄罗斯）在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献13.13.20072007年：艾尔伯年：艾尔伯费尔（法国）和皮特费尔（法国）和皮特克鲁伯格（德国）发现巨磁电阻效应克鲁伯格（德国）发现巨磁电阻效应14.14.20092009年：高锟（美籍华裔）在光学通信领域中光的传输的开创性成就；韦拉德年：高锟（美籍华裔）在光学通信领域中光的传输的开创性成就；韦拉德博伊尔乔治博伊尔乔治史密斯（美国）史密斯（美国）发明了成像半导体电路发明了成像半导体电路电电荷藕合器件图像传感器荷藕合器件图像传感器CCDCCD15.15.20102010年：安德烈年：安德烈海姆和康斯坦丁海姆和

6、康斯坦丁诺沃肖洛夫（英国）在石墨烯实验作出了杰出的贡献诺沃肖洛夫（英国）在石墨烯实验作出了杰出的贡献16.16.20112011年：达尼埃尔年：达尼埃尔谢赫特曼（以色列）发现准晶。谢赫特曼（以色列）发现准晶。固体物理领域获得诺贝尔奖的工作固体物理领域获得诺贝尔奖的工作黄昆简介（黄昆简介（1919-20051919-2005）中国固体物理与半导体物理先驱中国固体物理与半导体物理先驱20012001国家最高科技奖国家最高科技奖写入教科书：黄散射，声子极化激元及黄昆方程，写入教科书：黄散射，声子极化激元及黄昆方程，Huang-Rhys Huang-Rhys 多多声子无辐射跃迁理论声子无辐射跃迁理论与

7、量子力学创始人之一与量子力学创始人之一M.BornM.Born合著经典著作合著经典著作晶格动力学晶格动力学固体定义固体定义u固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。u研究固体的结构及其组成粒子（离子、电子）之间的研究固体的结构及其组成粒子（离子、电子）之间的相互作用与运动规律，以阐明其宏观性能和用途。相互作用与运动规律，以阐明其宏观性能和用途。u固体的物理性质和规律由什么决定？固体的物理性质和规律由什么决定？*由组成固体的原子成分？比如，金刚石、石墨、由组成固体的原子

8、成分？比如，金刚石、石墨、C60C60固体都由固体都由碳原子组成，但它们物理性质完全不同！碳原子组成，但它们物理性质完全不同！*金刚石、石墨、金刚石、石墨、C60C60固体究竟有何不同？（原子排布结构）固体究竟有何不同？（原子排布结构）u必须在微观尺度上来研究固体：固体中原子的排布必须在微观尺度上来研究固体：固体中原子的排布固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动（微观定义）固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动（微观定义）u固体宏观物理性质由所组成原子的固体宏观物理性质由所组成原子的化学成份化学成份和和排列结排列结构构共同决定！共同决定！固体研究中的关键性问题固体研究中的关键性问题u用经典理论

9、还是量子理论？用经典理论还是量子理论？一般宏观的用经典，微观用量子一般宏观的用经典，微观用量子u如何描写原子与电子及电子与电子间的相互作用？如何描写原子与电子及电子与电子间的相互作用？*多体问题（凝聚态物理难题）多体问题（凝聚态物理难题）*很多近似，假定，简化处理很多近似，假定，简化处理u如何处理如何处理10102323/cm/cm3 3量级的粒子数？量级的粒子数？晶体的周期性结构晶体的周期性结构u主要研究主要研究晶体晶体（具有周期性结构的物质）（具有周期性结构的物质）固体物理研究首先选择晶体作为研究对象来研究固固体物理研究首先选择晶体作为研究对象来研究固体中电子和原子的运动规律，在此基础上研

10、究非晶体中电子和原子的运动规律，在此基础上研究非晶固体研究对象固体研究对象u晶体：原子排列长程有序（水晶，岩盐，金刚石）晶体：原子排列长程有序（水晶，岩盐，金刚石）u非晶：原子排列短程有序（松香，橡胶，石蜡）非晶：原子排列短程有序（松香，橡胶，石蜡）u准晶：晶体与非晶之间，准晶：晶体与非晶之间，5 5次对称等特性（次对称等特性（AlMnAlMn）u证据：证据：X X射线衍射，透射电子显微镜射线衍射，透射电子显微镜晶体（规则点阵）晶体（规则点阵）非晶（短程有序）非晶（短程有序）固体研究对象固体研究对象-准晶准晶u19841984，Daniel ShechtmanDaniel Shechtman发

11、现发现AlMnAlMn合金五重对称合金五重对称u1985,1985,郭可信，张泽郭可信，张泽:Ti-Ni-V:Ti-Ni-V合金合金u20112011，NobelNobel化学奖（准晶的发现从根本上改变了以化学奖（准晶的发现从根本上改变了以往化学家对物体的构想）往化学家对物体的构想）u不具平移周期对称性而取向长程有序的晶体不具平移周期对称性而取向长程有序的晶体uPenrose图案（英国数学家图案（英国数学家Roger PenroseRoger Penrose）u胖瘦菱形拼图（内角胖瘦菱形拼图（内角3636度，度，144144度，度，7272度和度和108108度）度）胖瘦菱形数量之比正好是胖瘦

12、菱形数量之比正好是T T（黄金分割数（黄金分割数1.6181.618）固体研究对象固体研究对象-准晶准晶固体物理发展历程固体物理发展历程u1717世纪，惠更斯：椭球堆积模型解释方解石的双折世纪，惠更斯：椭球堆积模型解释方解石的双折射和解理面射和解理面u1818世纪，阿羽衣：理论推断晶体几何外形是晶体中世纪，阿羽衣：理论推断晶体几何外形是晶体中原子分子排列的结果原子分子排列的结果u1919世纪中叶，布拉菲：空间点阵学说，概括晶格周世纪中叶，布拉菲：空间点阵学说，概括晶格周期性期性u1919世纪末，费多洛夫，熊夫利等独立发展晶体微观世纪末，费多洛夫，熊夫利等独立发展晶体微观几何结构理论体系几何结构

13、理论体系晶体结构晶体结构固体物理发展历程固体物理发展历程u1919世纪末，经验规律：杜隆世纪末，经验规律：杜隆-珀替定律（晶体比热），珀替定律（晶体比热），魏德曼魏德曼-佛兰兹定律（金属导热导电）佛兰兹定律（金属导热导电）u2020世纪初，特鲁德世纪初，特鲁德&洛仑兹洛仑兹:金属自由电子论金属自由电子论u19121912，劳厄：，劳厄：X X射线衍射研究晶体结构，证实空间群射线衍射研究晶体结构，证实空间群理论理论u19201920s:s:量子力学理论建立：晶格振动理论，索末量子力学理论建立：晶格振动理论，索末菲固体量子论，费米统计理论菲固体量子论，费米统计理论u19301930s:s:能带理论

14、，晶格动力学。阐明了固体微观能带理论，晶格动力学。阐明了固体微观导电机理，解释了导体、绝缘体和半导体的区别导电机理，解释了导体、绝缘体和半导体的区别物理规律物理规律固体物理发展历程固体物理发展历程u1940-50s1940-50s：Ge,SiGe,Si晶体出现，半导体物理学科产生，是晶体出现，半导体物理学科产生，是固体物理一大飞跃。此后，电子技术、计算技术迅速发展固体物理一大飞跃。此后，电子技术、计算技术迅速发展u19601960s:s:固体物理实验工作重大发展，大型高速计算机应固体物理实验工作重大发展，大型高速计算机应用于理论计算用于理论计算u19601960s:s:激光技术和低温技术激光技

15、术和低温技术u1970s1970s以来以来:复杂低维体系的设计和制备（如量子阱、复杂低维体系的设计和制备（如量子阱、纳米结构、量子点等），先进实验手段的发展（如电镜、纳米结构、量子点等），先进实验手段的发展（如电镜、表面分析技术），推动固体物理向纵深发展（准晶）表面分析技术），推动固体物理向纵深发展（准晶）飞跃发展飞跃发展固体物理研究内容固体物理研究内容p金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料p完整晶体完整晶体vsvs缺陷杂质缺陷杂质p一般条件一般条件vsvs极端条件（低温、强磁场、强激发极端条件（低温、强磁场、强激发)p发展新理论发展新理论vsvs新

16、材料、新器件新材料、新器件p理论：非晶态理论、多体理论、超导理论、表面理理论：非晶态理论、多体理论、超导理论、表面理论、光与物质相互作用理论论、光与物质相互作用理论金属为什么柔韧性好？玻璃为什么很脆？金刚石为金属为什么柔韧性好？玻璃为什么很脆？金刚石为什么硬而石墨为什么软什么硬而石墨为什么软固体物理子学科固体物理子学科u金属物理金属物理u半导体物理半导体物理u晶体物理和晶体生长晶体物理和晶体生长u磁学磁学u电介质物理电介质物理相互渗透，综合分析相互渗透，综合分析u固体发光固体发光u超导物理超导物理u固态电子学固态电子学u固态光电子学固态光电子学u表面物理表面物理固体物理研究方法固体物理研究方法

17、u固体宏观性质是大量粒子相互作用和集体运动的表现固体宏观性质是大量粒子相互作用和集体运动的表现u根据所研究物理现象，用都能够接受和理解的假设和前提，建立根据所研究物理现象，用都能够接受和理解的假设和前提，建立（抽象出）近似模型，解释物理现象（抽象出）近似模型，解释物理现象u对比、验证实验结果，修正，再演绎，再验证，对比、验证实验结果，修正，再演绎，再验证，根据晶体中原子排列的特点，抽象出理想的周期性，建立晶格动根据晶体中原子排列的特点，抽象出理想的周期性，建立晶格动力学理论，引入声子概念，阐明固体的低温比热力学理论，引入声子概念，阐明固体的低温比热从对金属的研究，抽象出电子共有化概念，用单电子近似方法，从对金属的研究，抽象出电子共有化概念，用单电子近似方法，建立能带理论，发现半导体，建立了半导体物理建立能带理论，发现半导体，建立了半导体物理从电子从电子-声子相互作用出发，阐明低温磁化强度随温度的变化规律声子相互作用出发，阐明低温磁化强度随温度的变化规律从电子从电子-声子相互作用出发，提出库珀电子对概念，建立超导微观声子相互作用出发，提出库珀电子对概念，建立超导微观理论理论