固體物理學(xué)：緒論 固體物理的昨天和今天

1、固體物理學(xué)(一)學(xué)習(xí)成績平時成績（40）考試成績（60）平時成績: 習(xí)題（王矜奉等,固體物理概念題和習(xí)題指導(dǎo)） 考勤期末考試：閉卷緒論：固體物理的昨天和今天0.1 固體物理的研究對象0.2 固體物理的發(fā)展歷程0.3 固體物理的研究方法0.4 固體物理的相關(guān)教材 什么是固體物理學(xué)？如何學(xué)習(xí)固體物理學(xué)？0.1 固體物理學(xué)的研究對象 顧名思義，固體物理學(xué)是研究固態(tài)物質(zhì)物理性質(zhì)的學(xué)科。 但和普通物理不同，它的重點(diǎn)不在于描述固體的宏觀物理性質(zhì)，而是去闡明和理解固體的宏觀性質(zhì)。解釋形成這些性質(zhì)的原因，從而找出控制、利用、改善這些性質(zhì)的方法。 例如：普通物理使我們知道了歐姆定律，固體物理將說明固體電阻的來源

2、并從理論上推導(dǎo)出歐姆定律，分析出不同固體導(dǎo)電性能不同的原因。固體物理學(xué) Solid State Physics研究固體的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、固體中各種粒子運(yùn)動形態(tài)和規(guī)律及它們相互關(guān)系的學(xué)科。物理學(xué)的重要分支，涉及力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等各方面的內(nèi)容。固體的應(yīng)用極為廣泛，各個時代都有自己特色的固體材料、器件和有關(guān)制品。現(xiàn)代固體物理形成于20世紀(jì)前40年代，它是先進(jìn)的微電子、光電子、光子等各項技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，其重要性是顯然的。中國大百科全書（物理學(xué)） 固體物理研究的不是單個原子的性質(zhì)，而是大量原子組成在一起形成固體后所表現(xiàn)出來的集體性質(zhì)。 固體是由大量原子和分子組成的，固體的性質(zhì)

3、雖然也和組成固體的原子、分子種類有關(guān)，但更主要的是和這些原子采用什么方式結(jié)合在一起 ，他們的空間排列方式、相互作用力類型，特別是和原子形成固體后其價電子的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。 固體物理學(xué)依據(jù)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)來了解固體的各種性質(zhì)。 例如：性質(zhì)完全不同的無定形碳、石墨和金剛石都是由相同的碳原子組成的，是碳原子空間排列和結(jié)合方式的差異帶來了其物理性質(zhì)的極端不同。 因此只有通過對固體微觀結(jié)構(gòu)和組成固體微觀粒子之間的相互作用及運(yùn)動機(jī)制的研究才能理解固體的性質(zhì)。兩次Noble物理獎獲得者巴丁(J.Bardeen)說： 自然界中的固體，按其構(gòu)成原子空間排列的特點(diǎn)大致可以分為晶體和非晶體。 固體物理的研究首

4、先是從晶體開始的： 1. 在自然界的礦物中，晶態(tài)物質(zhì)占到98以上，人類最早研究和使用的材料也大都是晶態(tài)物質(zhì)，是各類晶態(tài)物質(zhì)特有的性質(zhì)引起了研究興趣和開發(fā)利用。 2. 晶態(tài)物質(zhì)原子排列的周期性使得固體理論得以順利進(jìn)行，如今已經(jīng)成熟并獲得巨大成功的固體理論只是建立在對晶體研究的基礎(chǔ)上。嚴(yán)格說來應(yīng)該叫做晶體物理學(xué)。但基于上述原因，過去很長一段時間里，人們把“固體”與“晶體”看成同義詞，并不區(qū)別它們間的差別，所以早期Kittel說：固體物理研究 晶體和晶體中的電子。 固體物理和四大力學(xué)也不同，后者分別研究物質(zhì)特定的運(yùn)動形態(tài)，研究對象是理想條件下的特定運(yùn)動的規(guī)律，如理論力學(xué)研究物體的機(jī)械運(yùn)動等。固體物理

5、則不同，它研究的對象是一類物質(zhì)固體，它既是力學(xué)系統(tǒng)、又是熱學(xué)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)，而組成固體的微觀粒子又必須服從量子力學(xué)規(guī)律，所以固體物理是一門綜合科學(xué)，需要我們綜合運(yùn)用各種理論工具，從不同角度、不同側(cè)面去研究實際固體的各種運(yùn)動形態(tài)，從而全面地解釋固體的各種性質(zhì)，所以四大力學(xué)都是固體物理的理論基礎(chǔ)課。0.2 固體物理學(xué)的發(fā)展歷程 固體物理學(xué)作為一門近代科學(xué)始于20世紀(jì)初，雖然晶體學(xué)的研究有著悠久的歷史，19世紀(jì)末就已經(jīng)建立起了完整的對稱性理論，但只是在1912年Laue發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象后，晶體結(jié)構(gòu)的研究才得以證實，并從此具備了實驗研究固體微觀結(jié)構(gòu)的條件。 20世紀(jì)初量子論，特別是量子力學(xué)的

6、逐步建立使正確解釋已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的關(guān)于固體性質(zhì)的規(guī)律成為可能。 自此之后的幾十年是創(chuàng)立固體理論的輝煌時期： *Einstein 1907 和Debye 1912,建立了固體比熱的量子理論，解釋了低溫比熱為什么低于Doulong-Petit 值。 *Born和Karman 1912首次采用周期性邊界條件處理了三維晶格振動問題，建立了晶格動力學(xué)理論。 Sommerfeld 1928 采用Fermi統(tǒng)計，用量子論的觀點(diǎn)修正了經(jīng)典電子論。 *Bloch 1928 近似求解周期勢場中的Schrdinger方程，引入了能帶的概念。Wilson 1931利用能帶觀點(diǎn)解釋了半導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象，提出了空穴的概念。Bri

7、llouin , Seitz, Slater等人相繼進(jìn)行研究，從而逐步完善了能帶論。 與此同時，* Heisenberg, *Wigner, *Mott, *朗道，夫倫克爾，佩爾斯，*肖特基，*范弗萊克等當(dāng)時一流的理論物理學(xué)家都曾投入到固體理論的研究中并取得了豐富的成果。 賽茲1940年出版的現(xiàn)代固體理論一書,標(biāo)志著固體物理的成熟并形成了固體物理理論的第一個范式。（建立在對晶體認(rèn)識的基礎(chǔ)上） Seitz F, Modern Theory of Solids, McGraw-Hill 1940 這本書是固體物理學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科出現(xiàn)的奠基性著作，目前我們固體物理課程所講述的固體理論依然處在該書建立的

8、體系中，它處理問題的基本方法取得了輝煌的成就，并一直普遍使用到今天，而且還將會繼續(xù)使用下去，因此理解并掌握好這種方法是學(xué)好固體物理課的關(guān)鍵之處。(適用條件，使用方法，局限性等）?？茖W(xué)史學(xué)家 Thomas Kuhn 強(qiáng)調(diào)范式在學(xué)科發(fā)展過程中的作用/EDUCATION/mfp/Kuhnsnap.htmlThomas Kuhn(1922.7.18-1996.6.17)在Harvard 大學(xué)讀理論物理研究生時寫的一本書 *什么叫范式? (Paradigm) An example that serves as pattern or model. 樣式作為樣本或模式的例子 *學(xué)科的范式 聯(lián)貫的理論體系 一

9、個學(xué)科的成熟以其范式的建立為標(biāo)準(zhǔn) 范式對學(xué)科從整體上把握有重要意義 * 學(xué)科發(fā)展的范式科學(xué)的演化是經(jīng)過不同階段循環(huán)發(fā)展的過程。 前范式階段(pre-paradigm) 常規(guī)科學(xué)階段 (normal science) 反常階段(anomaly) 危機(jī)階段(crisis) 科學(xué)革命階段(scientific revolution) 新范式階段 (new paradigm).科學(xué)發(fā)展過程中，范式的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了科學(xué)革命。而一門成熟科學(xué)的發(fā)展歷程是可以通過范式轉(zhuǎn)換來描述的。*固體物理的范式 范式的建立 時間: 20世紀(jì)上半葉 基礎(chǔ): (1). 晶體學(xué): 晶體周期結(jié)構(gòu)的確定 1669: 晶面角守恒律(Ste

10、no) 1784: 有理指數(shù)定律和晶胞學(xué)說(Hauy) 1848: 空間點(diǎn)陣學(xué)說(Bravais) 1889-1891: 空間群理論(Federov 和 Schvenflies) 1912: 晶體X射線衍射實驗(Laue) (2). 固體比熱的理論: 初步的晶格動力學(xué)理論 1907: 獨(dú)立振子的量子理論(Einstein) 1912: 連續(xù)介質(zhì)中的彈性波的量子理論(Debye) 1912: 周期結(jié)構(gòu)中的彈性波(Born 和 von Karman) (3). 金屬導(dǎo)電的自由電子理論: Fermi 統(tǒng)計1897: 電子的發(fā)現(xiàn)(Thomson)1900: 金屬電導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的經(jīng)典自由電子理論(Drud

11、e)1924: 基于Fermi統(tǒng)計的自由電子理論(Pauli 和 Sommerfield) (4). 鐵磁性研究:自旋量子理論1894: 測定鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變的臨界溫度(Curie)1907: 鐵磁性相變的分子場理論(Weiss)1928: 基于局域電子自旋相互作用的鐵磁性量子理論另外: 電子衍射的動力學(xué)理論(Bethe) 金屬導(dǎo)電的能帶理論(Bloch) 基于能帶理論的半導(dǎo)體物理(Wilson) 標(biāo)志: 1940年 Seitz “固體的現(xiàn)代理論”*范式的內(nèi)容 核心概念: 周期結(jié)構(gòu)中波的傳播 (1946年Brillouin著) 晶體的平移對稱性(周期性) 波矢空間(倒空間) 強(qiáng)調(diào)共有化的價電子以

12、及波矢空間的色散關(guān)系波矢空間的基本單元: Brillouin區(qū)焦點(diǎn): Brillouin區(qū)邊界或區(qū)內(nèi)某些特殊位置的能量-波矢 色散關(guān)系晶格動力學(xué)+固體能帶理論 固體理論的第一個范式：固體物理研究周期結(jié)構(gòu)中波的傳播問題，無論是彈性波、電磁波，de-Broglie波相關(guān)理論的共同點(diǎn)是：充分利用了晶體結(jié)構(gòu)中的平移對稱性，使問題得到簡化，因此作為實空間Fourier變換而得到的波矢空間的重要性就被突出出來，波矢空間的基本單位是布里淵區(qū)，因此了解布里淵區(qū)內(nèi)部和邊界上的能量波矢關(guān)系就成為解決具體問題的關(guān)鍵。 有人（Hall）比喻：倒易空間和布里淵區(qū)是固體物理的 Maxwell方程 該理論體系研究的主要成果

13、：彈性波在周期勢場中的傳播晶格動力學(xué)；X射線在周期勢場中的傳播X射線衍射學(xué)；電子在周期勢場中的傳播 能帶論；應(yīng)用上述理論可以正確地闡明晶體的電性質(zhì)、磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)，熱性質(zhì)、超導(dǎo)性等各種物理性質(zhì)，并開啟了晶體材料在各種新技術(shù)中，特別是信息技術(shù)中的應(yīng)用，使固體物理在二十世紀(jì)后半葉得到了飛速的發(fā)展。 今天可以毫不夸大地說：已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)重要支柱、高科技源泉的固體物理學(xué)是二十世紀(jì)物理學(xué)中發(fā)展最快、影響最大、領(lǐng)域最廣的一門學(xué)科。統(tǒng)計表明，現(xiàn)今四分之一的物理工作者從事固體物理研究，每年發(fā)表的物理科學(xué)論文中三分之一屬于固體物理領(lǐng)域。 Shockley,*Bardeen,Brattain1947年12月2

14、3日發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體晶體管的放大效應(yīng)，由此帶來的巨大影響是固體物理和高科技發(fā)展關(guān)系的最典型的說明。1950年晶體三極管，1954年硅晶體管，1959年集成電路，之后大規(guī)模集成電路，超大規(guī)模集成電路相繼問世，極大地推動了計算機(jī)的發(fā)展，促成了人類歷史上的第3次技術(shù)革命。2004年已達(dá) 170Gbit/in21G = 1091T = 1012 in = 2.54cm預(yù)計不久到 1000 Gbit/in2,最終可能到 50 Tbit/in2固體物理促進(jìn)高技術(shù)發(fā)展的實例：硬磁盤的發(fā)展 上世紀(jì)六七十年代后，固體物理的發(fā)展更為迅速，不但晶體材料的研究更加完美，而且逐漸走出大塊晶體的范疇，開始了對微細(xì)材料和無序固

15、體的開發(fā)和利用，新發(fā)現(xiàn)、新進(jìn)展接踵而來， 1973年非晶態(tài)金屬薄膜商品化； 1976年非晶硅太陽能電池問世； 1984年在人工合成材料中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體； 1984年首次合成了納米金屬晶體Pd, Fe等。 1985年發(fā)現(xiàn)了以C60為代表的團(tuán)簇化合物； 1986年新型高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)； 1988年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)(GMR)； 1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管； 1994年發(fā)現(xiàn)超大磁電阻效應(yīng)(CMR)； 1995年TMR 的再發(fā)現(xiàn)； 還應(yīng)特別指出：這個期間中，人工微結(jié)構(gòu)材料和微器件研究取得重大進(jìn)展，過去，新材料制造方面的工作雖然也包括人工合成、人工提純和人工拉制單晶等，但所得到的材料還是自然界中可能存在的，只是

16、通過人工條件得到比自然條件下某種性能更優(yōu)異的材料。20世紀(jì)70年代開始的人工超晶格材料的研究，則開創(chuàng)了完全由人工設(shè)計和制備全新材料的新紀(jì)元，這些材料的性能往往可以從理論上預(yù)先估計，從而有目的的進(jìn)行研究。它得到的是全新的材料人類智能的結(jié)晶，一維量子勢阱和巨磁電阻效應(yīng)就是在超晶格材料中發(fā)現(xiàn)的。 1959年，著名的諾貝爾獎得主費(fèi)曼（Richard Feynman）就設(shè)想： “如果有一天人們可以按照自己的意志排列原子和分子，那會產(chǎn)生什么樣的奇跡！” ， “毫無疑問，如果我們對細(xì)微尺度的事物加以控制的話，將大大擴(kuò)充我們可以獲得物性的范圍”， 如今，費(fèi)曼的預(yù)言已經(jīng)初步實現(xiàn)：我們已能夠制備包括幾十個到幾萬個

17、原子的納米粒子，并把它們作為基本構(gòu)成單元，適當(dāng)排列成一位量子線、二維量子面和三維納米固體。 2005年科大微尺度實驗室成功實現(xiàn)單分子自旋態(tài)控制。1.固體物理正在向凝聚態(tài)物理的范疇擴(kuò)展。2.固體物理的基本概念和實驗技術(shù)已在非固體學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用，成為眾多學(xué)科的共同財富。3.固體物理是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中最豐富的層次，因而構(gòu)成了對于人類智力的巨大挑戰(zhàn)，60多年來的新發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，使之對高新技術(shù)發(fā)展的推動勢頭不但不減，在新世紀(jì)反而變得更加突出。從二十世紀(jì)固體物理發(fā)展中得到的幾點(diǎn)認(rèn)識：固體晶 體非晶體準(zhǔn)晶體納米材料團(tuán)簇材料超晶格目前固體物理的研究已經(jīng)從傳統(tǒng)的晶狀固體拓展到非晶固體、薄膜和細(xì)小粒子體系、以及量子

18、流體，這一更寬的研究領(lǐng)域人們稱之為凝聚態(tài)物理學(xué)Solid State Physics Condensed matter Physics固體物理正在向凝聚態(tài)物理的范疇擴(kuò)展 上世紀(jì)六七十年代后的發(fā)展，極大地擴(kuò)展了固體物理的研究對象和研究領(lǐng)域，豐富了固體理論的內(nèi)容。 這時再使用已經(jīng)當(dāng)作晶體同義詞的“固體”一詞表述該領(lǐng)域顯然是不妥當(dāng)?shù)?，人們提出了“凝聚態(tài)物理”的概念。 然而至目前為止，已經(jīng)成熟并獲得巨大成功的固體理論體系仍然還是建立在對晶體研究的基礎(chǔ)上，只完全適用于對晶態(tài)塊狀物質(zhì)的討論。無序、納米體系材料物理性質(zhì)的理論研究顯然不能沿用上述理論體系，它們的理論研究仍處在起步和發(fā)展階段，其理論體系尚在建立

19、之中，因此至目前為止，雖已有凝聚態(tài)物理的論著，但真正建立起 對所有固體普遍適用的統(tǒng)一理論還有很大困難。 從固體物理到凝聚態(tài)物理一方面是傳統(tǒng)固體物理的向外擴(kuò)展，使研究對象不再局限于晶體，還包括非晶態(tài)、超晶格、液態(tài)物質(zhì)如：液氦，液晶，液態(tài)金屬，電解液等，另一方面這種擴(kuò)展也是傳統(tǒng)固體物理學(xué)中一些基本概念深化的結(jié)果，這些深化了的概念對傳統(tǒng)固體物理學(xué)的內(nèi)容做了更高度的概括，可以推廣應(yīng)用于比晶態(tài)物質(zhì)更復(fù)雜的體系中，因此我們不能認(rèn)為由于研究范圍的擴(kuò)展，傳統(tǒng)固體物理的方法就過時了，恰恰相反，只有學(xué)好傳統(tǒng)固體物理的內(nèi)容，才能進(jìn)入凝聚態(tài)物理的研究中。0.3 固體物理的研究方法 1. 固體物理是一門“橫向”科學(xué)；

20、2. 是一門理論與實踐密切結(jié)合的科學(xué)； 3. 固體理論中充滿了各種近似方法：1立方厘 米中含有1023個原子，相互作用是極其復(fù)雜 的多體問題，只能近似求解。 4. 固體物理中的兩類問題： 理想完整晶體； 近完整晶體； 基態(tài)問題； 低激發(fā)態(tài)問題； *Anderson： 一個簡化模型對于自然界實際狀況的見解，遠(yuǎn)勝于個別情況的從頭計算，這些計算即便是對的，也往往包含了過多的細(xì)節(jié)，以至于掩蓋了而不是顯示了現(xiàn)實，計算或測量的過于精細(xì)有時不一定是優(yōu)點(diǎn)，反而可能是缺點(diǎn)，因為人們精確測量或計算出的結(jié)果往往是與機(jī)制無關(guān)的事情，總之，完美的計算可以重現(xiàn)自然，但不能解釋它。 元激發(fā)是傳統(tǒng)固體物理給出的最重要的概念，

21、并在凝聚態(tài)物理得到推廣應(yīng)用。它有兩層含義：基態(tài)的總結(jié)合能并不是一個很重要的物理量，和物理系統(tǒng)的行為沒有很大關(guān)系，物理上重要的是相對于基態(tài)的低激發(fā)態(tài)行為，這些態(tài)可以在相對低的溫度和微弱的外場下就會被激發(fā)，是它們決定著固體的性質(zhì)；這些低激發(fā)態(tài)往往（幾乎確是如此）具有特別簡單的性質(zhì)，比起其他狀態(tài)來說，數(shù)學(xué)上可以做嚴(yán)格處理，而且物理上也容易被理解。所以原子振動的格波和晶體中運(yùn)動的電子都可以歸結(jié)為元激發(fā)，即聲子和準(zhǔn)電子。 摘自馮 端文章 光子 電磁波 固體中的元激發(fā)（excitation)Bloch電子周期勢場中的電子聲子 彈性波等離子激元集體電子波磁振子磁化強(qiáng)度波極化子電子彈性波激子 極化強(qiáng)度波閻守勝

22、，固體物理基礎(chǔ) 北大出版社 20002. 黃 昆，韓汝琦，固體物理學(xué) 高等教育出版社 1988第1版， （根據(jù)黃 昆，固體物理學(xué) 人民教育出版社 1966版擴(kuò)充改編）3. 方俊鑫，陸棟，固體物理學(xué)（上，下兩冊） 上?？萍汲霭嫔?1980，1981 （根據(jù)謝希德，方俊鑫，固體物理學(xué) 1965版擴(kuò)充改編）4. 顧秉林，王喜坤，固體物理學(xué) 清華大學(xué)出版社 19905. 陳長樂，固體物理學(xué) 西北工大出版社 19986. 王矜奉， 固體物理教程 （4版） 山東大學(xué)出版社 2004 （1999年初版）7. 朱建國等 固體物理學(xué) 科學(xué)出版社 2005 （四川大學(xué)）0.4 固體物理國內(nèi)通用教材Kittel C

23、. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley Sons Inc.,2005 （作者是在固體物理研究領(lǐng)域有過重要貢獻(xiàn)的美國加州大學(xué)Bekeley分校物理學(xué)教授，該書1953年首次出版后受到廣泛重視，后于1956，1966，1971，1976，1986，1996年不斷修訂再版，成為大學(xué)固體物理的標(biāo)準(zhǔn)教材之一，2005年是第8版。我國曾先后翻譯出版了1956年的第2版和1976年的第5版。）固體物理導(dǎo)論 化學(xué)工業(yè)出版社，2005Busch G. Schade H. 固體物理學(xué)講義 高等教育出版社 1987 (原文為德文，瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院教材，1972)M A Omar Elementary Solid State Physics: Principle and Applications 中譯本：固體物理學(xué)基礎(chǔ) 北京師范大學(xué)出版社 1987H E Hall Solid State Physics John Wiley Sons Ltd 1974 (英國曼徹斯特大學(xué)教材)Ashcroft, Mermin Solid