《固体物理基础》——阎守胜.ppt

固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间——半导体 —— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管—— 产生了半导体物理 —— 1960年，诞生的激光技术，促进了固体的电光、声光 和磁光器件的不断发展。 —— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学 —— 1960年以后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材 料的研究更加成熟，而且对微细材料和无序固体的新 发现、新进展接踵而来。 1979年发现量子霍尔效应 1984年在人工合成材料中发现准晶体； 1984年首次合成了纳米金属晶体Pd, Fe等。 1985年发现了以C60为代表的团簇化合物； 1986年发现新型高温超导材料； 1988年发现巨磁电阻效应(GMR)； 1991年发现碳纳米管； 1994年发现超大磁电阻效应(CMR)； 1995年发现磁性隧道结(TMR) ； 2004年制备出石墨烯(Graphene)； 2004年提出拓扑绝缘体和随后拓扑绝缘体材料发现 2008年发现铁基高温超导体 三 固体物理的学科领域 固体物理学发展至今，一般包含： * 固体的结构性质 * 固体的力学性质 * 固体的电子性质 * 固体的输运性质 * 固体的磁学性质 * 固体的光学性质 固体物理领域 金 属 物 理 半导体物理 晶体物理 磁学 电介质物理 液晶物理 固体发光 超导体物理 固态电子学 固态光电子学 固体光谱 强关联物理 纳米物理 表面物理 介观物理 四 固体物理的学科特点 3. 固体由大量原子组成，是多粒子体系，相互作用非常复杂。 对于这样的多体问题，通常只能近似求解，因此固体理论 中充满了各种近似方法。 1. 四大力学是固体物理与处理问题的基础。 2. 理论与实验密切结合。 4. 固体物理中的两类问题： 1) 理想完整晶体， 近完整晶体 2) 基态问题， 低激发态问题 物理上重要的是相对于基态的低激发态行为，如：原子振动格波(声子)和晶体中运动的电子(准电子)，这些态可以在相对低的温度和微弱的外场下被激发，它们决定着固体的绝大多数性质。 在研究固体的客观规律时，必须针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素来进在分析研究。 五 固体物理的研究方法 1. 如何应对1029/m3的粒子？求解1029个连立方程？如何化解这个困难？ 晶体中原子呈有规律性的排列——周期性！数学上处理这样的周期性结构——只需在几个或有限数量的原子、电子范围，用周期函数描述。 ? 贯穿固体物理学的主线就是周期性 (核心问题是波在 周期性结构中的运动) 晶体(周期结构)中波的传播问题的研究方法： 充分利用晶体结构的平移对称性，来简化问题。通常可将所研究的问题(衍射强度、电子能量、电子浓度等) 写成实空间的周期函数。 研究某些问题(衍射强度、晶格振动等)时，需要将实空间周期函数作Fourier变换，而使问题得到简化。也就是说，将研究问题在实空间的Fourier空间进行表达。 傅里叶(Fourier)级数 实空间的Fourier空间也叫倒易空间(波矢空间)，倒易空间的基本单位是布里渊区。 Hall曾比喻：倒易空间和布里渊区是固体物理的Maxwell方程 四 固体物理的研究方法 2. 金属电子的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用 单电子近似的方法建立能带理论 第一步：把原子核与核外内层电子考虑成一个整体——离子实，使原子中的多体问题简化为离子实与外层电子的问题； 第二步：绝热近似，考虑到离子实的质量比较大，离子运动速度相对慢，位移相对小，在讨论电子问题时，可以认为离子是固定在瞬时的位置上, 这样多种粒子的问题就简化成多电子问题，电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动 (共有化电子) ； 第三步：忽略共有化电子之间的相互作用(理想电子气)，利用哈特里－福克自洽场方法, 多电子问题简化为单电子问题, 每个电子是在固定的离子势场和其他电子的平均场中运动，在此基础上建立能带理论。 最外层电子 + 离子实 共有化电子 忽略电子之间的相互作用 单电子近似 * 《固体物理学》 教材：《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪， 高等教育出版社 《固体物理学》 《Introduction to Solid State Physics》 —— C. KITTEKL, John Wiley 《固体物理学》