凝聚态物理课件第六章 维度性.ppt

第六章 维度性 2007.5.31 实际的物理系统都以空间三维立体结构的方式存在 如果一个方向上的粒子耦合比其它两个方向上的粒子耦合弱很多━二维面系统或准二维薄板系统 (实际上此时体系的的许多性质将表现为二维性，如电子态此时主要在平面内展开，而在垂直面的方向分布较少。) 如果二个方向上的粒子耦合比其它一个方向上的粒子耦合弱很多━一维线或准一维棒系统 . 由于其特殊不对称的晶体结构,因而许多种此类材料会随温度的变化展现出各式各样有趣的相变(phase transition)现象.如: CDW(charge-density wave); SDW(spin-density wave); Spin-Peierls phase transition; Order-disorder;magnetic transition; superconducting transitions; etc. 当此类材料发生相变后,材料的物理性质会发生巨大的改变,故人们可以利用材料的物性的改变,设计出各种功能的元件应用于不同的装置中. 如:superconducting transition 可用于电力载送,magenetic transition 可用于资料存储. 三个方向同时退化━0D或准0D团簇系统 低维系统:空间维数低于3的整数系统,即2D,1D,0D系统. 1D模型（SSH）： 介观的界定 在空间尺寸上介于宏观和微观之间(这种说法有点笼统). 介观系统:电子行为的主要特征是电子通过样品之后仍能保持自身波函数的相位相干性. 微观尺寸范围的系统里,如0.1nm左右尺度的一个原子或一个小分子,所有的能级都是分立的, 因而系统的物理性质主要由量子行为控制. 宏观尺度(1nm),通常经典的或半经典的处理方法是适用的. 介观体系的物理行为介于熟悉的宏观半经典图象和原子或分子的描述方法之间. 量子尺寸效应 — 准连续能带消失，分离能级出现 在量子点或量子阱系统中，当它们的宽度小到一定程度时，它们的量子性，即系统中的能级是离散的、分立的，才能在实际上明显地反映出来。当它们的尺度与激子玻尔半径相近时（～1.6aB, aB: 块状材料中激子玻尔半径），系统形成一系列离散量子能级，电子在其中的运动受到约束 ——量子尺寸效应 通过控制材料的各个维数上的限制，从而可达到调节半导体的发光质量是量子尺寸效应应用的一个典型的例子。 如：在量子阱结构中，被激发的电子－空穴对的自由度被限制在2D尺度。而在量子线和量子点中，分别被限制在1D和0D尺度。 介观物理(Mesoscopic Physics) 在物理上把原子尺度的客体叫做微观系统. 相对于宏观系统, 宏观尺度比微观尺度大了七、八个数量级，按体积论，则大二十四个数量级，或者说，宏观系统中包含这么多个微观客体（原子、分子），这正是阿伏伽德罗数的数量级。微观系统与宏观系统最重要的区别是它们服从的物理规律不同。在微观系统中宏观的规律（如牛顿定律）不再适用，那里的问题需要用量子力学去处理。近年来由于微结构技术的发展，制作长度为微米、线宽度为几十个纳米的样品已不太困难。在这种尺度的样品中包含原子数目的数量级为8～10，它们基本上应属于宏观范围。然而，一些线状或环状小尺寸样品在低温下的实验结果，却表现出电子波的量子干涉效应。这种呈现出微观特征的宏观系统，叫做介观系统。研究介观系统行为的学科，叫介观物理 . §5.1 低维凝聚态体系 §5.1.2一维体系 导电高分子聚合物、金属卤化物、KCP、过渡金属的三硫化合物MX3(M＝Nb,Ta,Mo，X=S,Se)和电荷转移有机复合物TTF-TCNQ等是准一维导体。导电聚合物和金属卤化物后面还会详细讨论。KCP的分子式为K2Pt(CN)4Br0.3?3H2O，其中的Pt原子形成链状结构。MX3中的过渡金属原子也形成链状结构。沿链方向金属原子的距离比较短，不同链之间金属原子的距离比较大。在KCP中，沿链方向dPt-Pt=0.288nm，而最近链间距0.987nm。这种准一维结构导致平行于链方向的电导率比垂直于链方向的电导率大4个数量级。同样，在TaS3，NbSe3，TTF-TCNQ中，电导率的各向异性都很大。 当温度降低时，这些一维导体会发生相变，出现超晶格和电荷密度波(CDW)或自旋密度波(SDW)，很多材料在相变后成为导体(Peierls相变)。它们的分子式、相变温度Tc、超晶格的晶格常数即CDW波长?、电导率等见表5.1.1（P116）。 §5.2维度的一般特征 §5.2.1布里渊区和费米面 反映固体中格点和电子的行为有两个重要的物理量：布里渊区和费米面。在倒格矢空间（或动量空间）中取一个格