對(duì)固體物理學(xué)的初步認(rèn)識(shí)

1、常比訃：|中.3iLErL對(duì)固體物理學(xué)的初步認(rèn)識(shí)固體物理學(xué)研究的對(duì)象固體物理學(xué)是研究固體的性質(zhì)、它的微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的學(xué)科。固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，這方面的研究是從晶體開(kāi)始的，因?yàn)榫w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進(jìn)一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關(guān)系。這類(lèi)研究統(tǒng)稱(chēng)為凝聚態(tài)物理學(xué)。由于固體物理本身是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)，也由于固體物理學(xué)科內(nèi)在的因素，固體物理的研究論文已占物理學(xué)中研究論文三分之一以上。同時(shí)，固體物理學(xué)的成就和實(shí)

2、驗(yàn)手段對(duì)化學(xué)物理、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地學(xué)等的影響日益增長(zhǎng)，正在形成新的交叉領(lǐng)域。固體物理對(duì)于技術(shù)的發(fā)展有很多重要的應(yīng)用，晶體管發(fā)明以后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見(jiàn)。固體的一些性質(zhì)固體磁性是一個(gè)有很久歷史的研究領(lǐng)域?？勾判允俏镔|(zhì)的通性，來(lái)源于在磁場(chǎng)中電子的軌道運(yùn)動(dòng)的變化。從20世紀(jì)初至30年代，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者努力建立了抗磁性的基本理論。范扶累克在1932年證明在某些抗磁分子中會(huì)出現(xiàn)順磁性；朗道在1930年證明導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的非局域的軌道運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生抗磁性，這是量子的效應(yīng)；居里在1895

3、年測(cè)定了順磁體磁化率的溫度關(guān)系，朗之萬(wàn)在1905年給出順磁性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致順磁鹽絕熱去磁致冷技術(shù)出現(xiàn)，電子順磁共振技術(shù)和微波激射放大器的發(fā)明，以及固體波譜學(xué)的建立。固體的相變晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點(diǎn)陣。處于不同形式點(diǎn)陣的晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點(diǎn)陣形式具有不同的能量：在低溫時(shí)，點(diǎn)陣處于能量最低的形式；當(dāng)晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點(diǎn)陣就會(huì)轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。這種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為相變，相變會(huì)導(dǎo)致晶體物理性質(zhì)的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。在固體物理學(xué)中相變占有重要地位。它涉及熔化、

4、凝聚、凝固、晶體生長(zhǎng)、蒸發(fā)、相干衡、相變動(dòng)力學(xué)、臨界現(xiàn)象等，19世紀(jì)吉布斯研究了相平衡的熱力學(xué)。后來(lái)厄任費(fèi)斯脫在1933年對(duì)各種相變作了分類(lèi)。60年代以后，人們對(duì)發(fā)生相變點(diǎn)的臨界現(xiàn)象做了大量研究，總結(jié)出標(biāo)度律和普適性。卡達(dá)諾夫在1966年指出在臨界點(diǎn)粒子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)起重要作用。威耳遜在1971年采用量子場(chǎng)論中重正化群方法，論證了臨界現(xiàn)象的標(biāo)度律和普適性，并計(jì)算了臨界指數(shù)，取得成功。固體物理學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)（1）晶體在固體物理中，晶體結(jié)構(gòu)的研究占據(jù)了很重要的地位。下面先對(duì)晶體的一些了解：晶體是各向異性的均勻物體。生長(zhǎng)良好的晶體,外觀上往往呈現(xiàn)某種對(duì)稱(chēng)性。從微觀來(lái)看，組成晶體的原子在空間呈周期重復(fù)

5、排列。即以晶體中的原子或其集合為基點(diǎn),在空間中三個(gè)不共面的方向上,各按一定的點(diǎn)陣周期，不斷重復(fù)出現(xiàn)。如從重復(fù)出現(xiàn)的每個(gè)基元中各取某一相當(dāng)點(diǎn)，則這些點(diǎn)合在一起形成一個(gè)空間點(diǎn)陣的一部分。確切地說(shuō)，點(diǎn)陣是一組按連接其中任何兩點(diǎn)的矢量進(jìn)行平移后而能復(fù)原的點(diǎn)的重復(fù)排列。晶體的解理性當(dāng)晶體受到敲打、剪切、撞擊等外界作用時(shí)，可有沿某一個(gè)或幾個(gè)具有確定方位的晶面劈裂開(kāi)來(lái)的性質(zhì)。如固體云母很容易沿自然層狀結(jié)構(gòu)平行的方向劈為薄片，晶體的這一性質(zhì)稱(chēng)為解離性，這些劈裂面則稱(chēng)為解理面。自然界的晶體顯露于外表的往往就是一些解理面。晶體的各向異性晶體的物理性質(zhì)隨觀測(cè)方向而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為各向異性。晶體的很多性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性

6、，如壓電性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)等。例如：石墨的電導(dǎo)率，當(dāng)我們沿晶體不同方向測(cè)其電導(dǎo)率時(shí)，得到方向不同而石墨的電導(dǎo)率數(shù)值也不同的結(jié)果。晶體的對(duì)稱(chēng)性晶體的宏觀性質(zhì)一般說(shuō)來(lái)是各向異性的，但并不排斥晶體在某幾個(gè)特定的方向可以是異向同性的。晶體的宏觀性質(zhì)在不同方向上有規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象稱(chēng)為晶體的對(duì)稱(chēng)性。晶體的對(duì)稱(chēng)性反映在晶體的幾何外形和物理性質(zhì)兩個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)表明，晶體的許多物理性質(zhì)都與其幾何外形的對(duì)稱(chēng)性相關(guān)。(2)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)即晶體的微觀結(jié)構(gòu)，是指晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)的具體排列情況。從微觀來(lái)看，組成晶體的原子在空間呈周期重復(fù)排列。即以晶體中的原子或其集合為基點(diǎn)，在空間中三個(gè)

7、不共面的方向上，各按一定的點(diǎn)陣周期，不斷重復(fù)出現(xiàn)。如從重復(fù)出現(xiàn)的每個(gè)基元中各取某一相當(dāng)點(diǎn)，則這些點(diǎn)合在一起形成一個(gè)空間點(diǎn)陣的一部分。確切地說(shuō)，點(diǎn)陣是一組按連接其中任何兩點(diǎn)的矢量進(jìn)行平移后而能復(fù)原的點(diǎn)的重復(fù)排列?？臻g點(diǎn)陣是認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)基本特征的關(guān)鍵之一，用它可以方便而又清楚地說(shuō)明晶體的微觀結(jié)構(gòu)在宏觀中所表現(xiàn)出的面角守恒、有理指數(shù)等定律以及x射線衍射的幾何關(guān)系。各點(diǎn)分布在同一直線上的點(diǎn)陣稱(chēng)為直線點(diǎn)陣，分布在同一平面中者稱(chēng)為平面點(diǎn)陣，而分布在三維空間中者稱(chēng)為空間點(diǎn)陣?？臻g點(diǎn)陣可以分解為各組平行的直線點(diǎn)陣或平面點(diǎn)陣，并可劃分成并置的平行六面體單位。規(guī)定這個(gè)單位的矢量為a、b和c?？臻g點(diǎn)陣劃分成一個(gè)個(gè)并

8、置的平行六面體單位后，若點(diǎn)陣中各點(diǎn)都位于各平行六面體的頂點(diǎn)處，則此單位只攤到一個(gè)點(diǎn)，稱(chēng)為素單位。平行六面體單位也可在面上或體內(nèi)帶心，攤到一個(gè)以上的點(diǎn)，成為復(fù)單位。按照空間點(diǎn)陣的平行六面體單位,可劃分成晶體結(jié)構(gòu)的單位,這樣的單位稱(chēng)為晶包。空間點(diǎn)陣的類(lèi)型根據(jù)晶體的宏觀對(duì)稱(chēng)性，布喇菲在1849年首先推導(dǎo)出14種空間點(diǎn)陣,它們的晶軸關(guān)系即晶軸的單位長(zhǎng)度及夾角間的關(guān)系，分別屬于立方、四方、三方、六方、正交、單斜、三斜共7個(gè)晶系。在四方晶系中,晶胞的兩個(gè)邊等長(zhǎng)并正交;而在正交晶系中三個(gè)邊皆不等長(zhǎng)。在六方晶系中，兩個(gè)邊等長(zhǎng)(a=b厵c),它們的夾角y=120而，在三方晶系中的菱面體晶胞中，三個(gè)邊等長(zhǎng)，三個(gè)夾

9、角相等，但無(wú)正交關(guān)系(三方晶系中也可取六方點(diǎn)陣的晶胞)，在單斜晶系，三個(gè)邊不等長(zhǎng)，三個(gè)夾角中有兩個(gè)是90。在這7個(gè)晶系中，除了由素單位構(gòu)成的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣(P)外,還可能有體心(I)、底心(C)、面心(F)點(diǎn)陣。在這些有心的點(diǎn)陣中，晶胞分別有2個(gè)或4個(gè)陣點(diǎn)。固體物理的應(yīng)用：固體表面物理化學(xué)基于對(duì)固體物理晶體結(jié)構(gòu)的研究，以及它所體現(xiàn)的一些性質(zhì)，催生出來(lái)好多前沿科學(xué)。其中之一，就是固體表面物理化學(xué)。該學(xué)科涉及了固體物理學(xué)，物理化學(xué)中催化化學(xué)、電化學(xué)、結(jié)構(gòu)與量子化學(xué)等分支學(xué)科前沿研究領(lǐng)。它具體的研究?jī)?nèi)容如下：價(jià)健理論方法、金屬及金屬氧化物表面化學(xué)吸附與反應(yīng)、碳納米管管壁的共價(jià)化學(xué)、金屬催化劑上n2加氫與c

10、o加氫的反應(yīng)機(jī)理和離子型化合物助催劑的作用本質(zhì)、輕烷分子活化和臨氧轉(zhuǎn)化中的某些問(wèn)題、金屬單晶表面電化學(xué)與電催化、表面增強(qiáng)擔(dān)曼光譜、表面電化學(xué)研究中的現(xiàn)場(chǎng)掃描遂道顯微技術(shù)、表面電化學(xué)研究中的現(xiàn)場(chǎng)表面x射線衍射技術(shù)、空間分辨電化學(xué)研究方法、半導(dǎo)體和聚事物電化學(xué)、生物大分子電化學(xué)等。固體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。I960年，T.H梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺(tái)激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。這類(lèi)激光器所采用的固體工作物質(zhì)，是把具有能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體而制成的。固體激光器的工作物質(zhì)，由光學(xué)透明的

11、晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，摻以激活離子或其他激活物質(zhì)構(gòu)成。這種工作物質(zhì)一般應(yīng)具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)、窄的熒光譜線、強(qiáng)而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。以晶體為基質(zhì)材料的晶體激光工作物質(zhì)一般具有良好的熱性能和機(jī)械性能，窄的熒光譜線，但獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸材料的晶體生長(zhǎng)技術(shù)復(fù)雜。60年代以來(lái)已有300種以上摻入各種稀土金屬或過(guò)渡金屬離子氧化物和氟化物晶體實(shí)現(xiàn)了激光振蕩。常用的激光晶體有紅寶石（Cr:AI2O3，波長(zhǎng)6943埃）、摻釹釔鋁石榴石（Nd:Y3AI5O12,簡(jiǎn)稱(chēng)Nd:YAG波長(zhǎng)1.064微米）、氟化釔鋰（LiYF4,簡(jiǎn)稱(chēng)YLF;Nd:YLF,波長(zhǎng)1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF

12、波長(zhǎng)2.06微米）等。固體激光器以光為激勵(lì)源。常用的脈沖激勵(lì)源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵(lì)源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長(zhǎng)壽命激光器中，可用半導(dǎo)體發(fā)光二極管或太陽(yáng)光作激勵(lì)源。一些新的固體激光器也有采用激光激勵(lì)的。固體激光器由于光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物質(zhì)所吸收，加上其他損耗，因而能量轉(zhuǎn)換效率不高，一般在千分之幾到百分之幾之間。固體激光器的特性是可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖激光器的輸出能量可達(dá)千焦耳級(jí)。經(jīng)調(diào)Q和多級(jí)放大的釹玻璃激光系統(tǒng)的最高脈沖功率達(dá)10瓦。釔鋁石榴石連續(xù)激光器的輸出功率達(dá)百瓦級(jí)，多級(jí)串接可達(dá)千瓦固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。它常用于測(cè)

13、距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調(diào)諧染料激光器的激勵(lì)源。固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量。固體物理在其他方面的應(yīng)用（1）人工微結(jié)構(gòu)物理。（2）量子調(diào)控電子學(xué)。（3）微結(jié)構(gòu)材料。（4）軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。（5）微結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)和理論計(jì)算。（6）基于微結(jié)構(gòu)的高新技術(shù)。（7）材料制備的物理基礎(chǔ)研究。固體物理學(xué)的展望新的實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)日新月異，正為固體物理不斷開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域。極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件、超高真空技術(shù)、表面能譜術(shù)、材料制備的新技術(shù)、同步輻射技術(shù)、核物理技術(shù)、激光技術(shù)、光散射效應(yīng)、各種粒子束技術(shù)、電子顯微術(shù)、穆斯堡爾效應(yīng)、磁共振技術(shù)等現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，使固體物理性質(zhì)的研究不斷向深度和廣度發(fā)展。由于固體物理本身是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)，也由于固體物理學(xué)科內(nèi)在的因素，固體物理的研究