固体物理绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

固固 体体 物物 理理 学学Solid State PhysicsSolid State Physics王 超 群 合肥工业大学电物学院09月第1页固体物理开山之作固体物理开山之作固体物理开山之作固体物理开山之作：The Moderon Theory of SolidsThe Moderon Theory of Solids美国物理学家：美国物理学家：美国物理学家：美国物理学家：Frederick Seitz Frederick Seitz 2020世纪世纪世纪世纪4040年代年代年代年代中国：黄昆、程开甲中国：黄昆、程开甲中国：黄昆、程开甲中国：黄昆、程开甲2020世纪世纪世纪世纪5050年代年代年代年代中国固体物理创始人中国固体物理创始人中国固体物理创始人中国固体物理创始人固体物理固体物理固体物理固体物理非晶态、液晶态、液态、高分子非晶态、液晶态、液态、高分子非晶态、液晶态、液态、高分子非晶态、液晶态、液态、高分子.晶体晶体晶体晶体凝聚态物理凝聚态物理凝聚态物理凝聚态物理第2页绪绪 论论一一一一、固体物理发展过程、固体物理发展过程、固体物理发展过程、固体物理发展过程-为何要学习固体物理学为何要学习固体物理学为何要学习固体物理学为何要学习固体物理学二二二二、固体物理研究对象、固体物理研究对象、固体物理研究对象、固体物理研究对象三、固体物理学课程特点三、固体物理学课程特点三、固体物理学课程特点三、固体物理学课程特点四、固体物理研究方法四、固体物理研究方法四、固体物理研究方法四、固体物理研究方法五、固体物理学参考教材五、固体物理学参考教材五、固体物理学参考教材五、固体物理学参考教材第3页一一一一、固体物理发展过程、固体物理发展过程、固体物理发展过程、固体物理发展过程第4页固体物理学发展简史第5页固体物理学发展简史第6页固体物理学发展简史固体物理学发展简史已经成为当代科学主要支柱、高科技源泉固体物理学是二已经成为当代科学主要支柱、高科技源泉固体物理学是二已经成为当代科学主要支柱、高科技源泉固体物理学是二已经成为当代科学主要支柱、高科技源泉固体物理学是二十世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广一门学科。十世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广一门学科。十世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广一门学科。十世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广一门学科。第7页 固固体体物物理理本本身身是是微微电电子子技技术术、光光电电子子学学技技术术、能能源源技技术术、材材料料科科学学等等技技术术学学科科基基础础，也也因因为为固固体体物物理理学学科科内内在在原原因因，固固体体物物理理研研究究论论文文已已占占物物理理学学中中研研究究论论文三分之一以上。文三分之一以上。同同时时，固固体体物物理理学学成成就就和和试试验验伎伎俩俩对对化化学学物物理理、催催化化学学科科、信信息息科科学学、生生命命科学、地学等影响日益增加，正在形成新交叉领域。科学、地学等影响日益增加，正在形成新交叉领域。例例例例：JJJJ巴巴巴巴丁丁丁丁、WHWHWHWH布布布布拉拉拉拉顿顿顿顿和和和和WBWBWBWB肖肖肖肖克克克克利利利利 1947194719471947年年年年12121212月月月月23232323日日日日发发发发觉觉觉觉了了了了半半半半导导导导体体体体晶晶晶晶体管放大效应，由此带来巨大影响是固体物理和高科技发展关系最经典说明。体管放大效应，由此带来巨大影响是固体物理和高科技发展关系最经典说明。体管放大效应，由此带来巨大影响是固体物理和高科技发展关系最经典说明。体管放大效应，由此带来巨大影响是固体物理和高科技发展关系最经典说明。第8页 摩摩摩摩尔尔尔尔定定定定律律律律是是是是由由由由英英英英特特特特尔尔尔尔（IntelIntelIntelIntel）创创创创始始始始人人人人之之之之一一一一戈戈戈戈登登登登摩摩摩摩尔尔尔尔（Gordon Gordon Gordon Gordon MooreMooreMooreMoore）提提提提出出出出来来来来。其其其其内内内内容容容容为为为为：当当当当价价价价格格格格不不不不变变变变时时时时，集集集集成成成成电电电电路路路路上上上上可可可可容容容容纳纳纳纳晶晶晶晶体体体体管管管管数数数数目目目目，约约约约每每每每隔隔隔隔18181818个个个个月月月月便便便便会会会会增增增增加加加加一一一一倍倍倍倍，性性性性能能能能也也也也将将将将提提提提升升升升一一一一倍倍倍倍；或或或或者者者者说说说说，每每每每一一一一美美美美元元元元所所所所能能能能买买买买到到到到电电电电脑脑脑脑性性性性能能能能，将将将将每每每每隔隔隔隔18181818个个个个月翻两倍以上。月翻两倍以上。月翻两倍以上。月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步速度。这一定律揭示了信息技术进步速度。这一定律揭示了信息技术进步速度。这一定律揭示了信息技术进步速度。第9页例：1988年发觉巨磁电阻效应(GMR)-小硬盘大发觉 硬盘技术之父摘得诺贝尔物理学奖法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯法国科学家艾尔伯-费尔费尔费尔费尔Albert FertAlbert FertAlbert FertAlbert Fert德国科学家皮特德国科学家皮特德国科学家皮特德国科学家皮特-克鲁伯格克鲁伯格克鲁伯格克鲁伯格Peter GrnbergPeter GrnbergPeter GrnbergPeter Grnberg 得得得得益益益益于于于于“巨巨巨巨磁磁磁磁电电电电阻阻阻阻”效效效效应应应应这这这这一一一一重重重重大大大大发发发发觉觉觉觉，最最最最近近近近20202020多多多多年年年年来来来来，我我我我们们们们开开开开始始始始能能能能够够够够在在在在笔笔笔笔记记记记本本本本电电电电脑脑脑脑、音音音音乐乐乐乐播播播播放放放放器器器器等等等等产产产产品品品品中中中中安安安安装装装装越越越越来来来来越小硬盘越小硬盘越小硬盘越小硬盘来来来来存放海量信息。存放海量信息。存放海量信息。存放海量信息。第10页巨磁阻是一个量子力学效应，它产生于层状磁性薄膜结构。巨磁阻是一个量子力学效应，它产生于层状磁性薄膜结构。巨磁阻是一个量子力学效应，它产生于层状磁性薄膜结构。巨磁阻是一个量子力学效应，它产生于层状磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层磁矩相互平行时，载流子与自旋相关散射最小，材料有最小电阻。当铁磁矩相互平行时，载流子与自旋相关散射最小，材料有最小电阻。当铁磁矩相互平行时，载流子与自旋相关散射最小，材料有最小电阻。当铁磁矩相互平行时，载流子与自旋相关散射最小，材料有最小电阻。当铁磁层磁矩为反平行时，与自旋相关散射最强，材料电阻最大。磁层磁矩为反平行时，与自旋相关散射最强，材料电阻最大。磁层磁矩为反平行时，与自旋相关散射最强，材料电阻最大。磁层磁矩为反平行时，与自旋相关散射最强，材料电阻最大。第11页 “看看你计算机硬盘存放能力有多大，就知道他们贡献有多大了。看看你计算机硬盘存放能力有多大，就知道他们贡献有多大了。看看你计算机硬盘存放能力有多大，就知道他们贡献有多大了。看看你计算机硬盘存放能力有多大，就知道他们贡献有多大了。”或许我们这才明白，司空见惯笔记本电脑、或许我们这才明白，司空见惯笔记本电脑、或许我们这才明白，司空见惯笔记本电脑、或许我们这才明白，司空见惯笔记本电脑、MP3MP3MP3MP3、U U U U盘等消费品，竟盘等消费品，竟盘等消费品，竟盘等消费品，竟然都闪烁着刺眼科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥理论和艰涩然都闪烁着刺眼科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥理论和艰涩然都闪烁着刺眼科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥理论和艰涩然都闪烁着刺眼科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥理论和艰涩知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留心日常生活中。知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留心日常生活中。知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留心日常生活中。知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留心日常生活中。第12页 不过，即便是巨磁阻这项叱诧风云技术，发展到现在也已经靠近不过，即便是巨磁阻这项叱诧风云技术，发展到现在也已经靠近不过，即便是巨磁阻这项叱诧风云技术，发展到现在也已经靠近不过，即便是巨磁阻这项叱诧风云技术，发展到现在也已经靠近了极限，硬盘容量提升必须寻求新技术。当前行业公认下一代技术是了极限，硬盘容量提升必须寻求新技术。当前行业公认下一代技术是了极限，硬盘容量提升必须寻求新技术。当前行业公认下一代技术是了极限，硬盘容量提升必须寻求新技术。当前行业公认下一代技术是“垂直磁统计垂直磁统计垂直磁统计垂直磁统计”技术，即技术，即技术，即技术，即“统计位统计位统计位统计位”S/N”S/N”S/N”S/N两极连线垂直于盘片，而在此两极连线垂直于盘片，而在此两极连线垂直于盘片，而在此两极连线垂直于盘片，而在此之前技术都属于之前技术都属于之前技术都属于之前技术都属于“水平磁统计水平磁统计水平磁统计水平磁统计”技术。技术。技术。技术。第13页年128Mb，20128Gb：与有60年悠久历史硬盘驱动技术不一样，NAND闪存技术还很年轻，还有很大发展及提升空间。如今，NAND闪存存放能力以每年175%速度增加。1956年5Mb，年4Tb：1956年，IBM推出了世界上第一个硬盘驱动器RAMAC 350。RAMAC 350重量在1吨左右，用50个直径为24英寸盘片组成，约有两个冰箱大。年希捷推出3.5英寸台式机硬盘存放容量能够到达6TB。第14页 上上上上世世世世纪纪纪纪六六六六七七七七十十十十年年年年代代代代后后后后，固固固固体体体体物物物物理理理理发发发发展展展展更更更更为为为为快快快快速速速速，不不不不但但但但晶晶晶晶体体体体材材材材料料料料研研研研究究究究愈愈愈愈加加加加完完完完美美美美，而而而而且且且且逐逐逐逐步步步步走走走走出出出出大大大大块块块块晶晶晶晶体体体体范范范范围围围围，开开开开始始始始了了了了对对对对微微微微细细细细材材材材料料料料和和和和无无无无序序序序固固固固体开发和利用，新发觉、新进展接踵而来：体开发和利用，新发觉、新进展接踵而来：体开发和利用，新发觉、新进展接踵而来：体开发和利用，新发觉、新进展接踵而来：英英英英国国国国曼曼曼曼彻彻彻彻斯斯斯斯特特特特大大大大学学学学科科科科学学学学家家家家安安安安德德德德烈烈烈烈海海海海姆姆姆姆和和和和康康康康斯斯斯斯坦坦坦坦丁丁丁丁诺诺诺诺沃沃沃沃肖肖肖肖洛洛洛洛夫夫夫夫以以以以石墨烯石墨烯石墨烯石墨烯研究取得年度诺贝尔物理学奖研究取得年度诺贝尔物理学奖研究取得年度诺贝尔物理学奖研究取得年度诺贝尔物理学奖 康斯坦丁康斯坦丁康斯坦丁康斯坦丁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫(1974/8(1974/8(1974/8(1974/8出生出生)安德烈安德烈安德烈安德烈海姆海姆海姆海姆(1958/10(1958/10(1958/10(1958/10出生）出生）出生）出生）第15页常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列平面碳原子堆叠而形成常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列平面碳原子堆叠而形成常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列平面碳原子堆叠而形成常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列平面碳原子堆叠而形成石墨层间作用力较弱，很轻易相互剥离，形成薄薄石墨片石墨层间作用力较弱，很轻易相互剥离，形成薄薄石墨片石墨层间作用力较弱，很轻易相互剥离，形成薄薄石墨片石墨层间作用力较弱，很轻易相互剥离，形成薄薄石墨片当把石墨片剥成单层之后，当把石墨片剥成单层之后，当把石墨片剥成单层之后，当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度单层就是石墨烯。这种只有一个碳原子厚度单层就是石墨烯。这种只有一个碳原子厚度单层就是石墨烯。这种只有一个碳原子厚度单层就是石墨烯。第16页1959195919591959年，著名诺贝尔奖得主费曼（年，著名诺贝尔奖得主费曼（年，著名诺贝尔奖得主费曼（年，著名诺贝尔奖得主费曼（RichardFeynmanRichardFeynmanRichardFeynmanRichardFeynman）就构想：）就构想：）就构想：）就构想：“假如有一天人们能够按照自己意志排列原子和分子，那会产生什假如有一天人们能够按照自己意志排列原子和分子，那会产生什假如有一天人们能够按照自己意志排列原子和分子，那会产生什假如有一天人们能够按照自己意志排列原子和分子，那会产生什么样奇迹！么样奇迹！么样奇迹！么样奇迹！”，“毫无疑问，假如我们对细微尺度事物加以控制毫无疑问，假如我们对细微尺度事物加以控制毫无疑问，假如我们对细微尺度事物加以控制毫无疑问，假如我们对细微尺度事物加以控制话，将大大扩充我们能够取得物性范围话，将大大扩充我们能够取得物性范围话，将大大扩充我们能够取得物性范围话，将大大扩充我们能够取得物性范围”。如如如如今今今今，费费费费曼曼曼曼预预预预言言言言已已已已经经经经初初初初步步步步实实实实现现现现：我我我我们们们们已已已已能能能能够够够够制制制制备备备备包包包包含含含含几几几几十十十十个个个个到到到到几几几几万万万万个个个个原原原原子子子子纳纳纳纳米米米米粒粒粒粒子子子子，并并并并把把把把它它它它们们们们作作作作为为为为基基基基本本本本组组组组成成成成单单单单元元元元，适适适适当当当当排排排排列列列列成成成成一一一一维维维维量量量量子子子子线线线线、二二二二维维维维量量量量子子子子面面面面和和和和三维纳米固体。三维纳米固体。三维纳米固体。三维纳米固体。第17页原子操纵原子操纵第18页 1989198919891989年年年年在在在在美美美美国国国国加加加加州州州州IBMIBMIBMIBM试试试试验验验验内内内内，依依依依格格格格勒勒勒勒博博博博士士士士（D.EiglerD.EiglerD.EiglerD.Eigler）采采采采取取取取低低低低温温温温、超超超超高高高高真真真真空空空空条条条条件件件件下下下下扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧道道道道显显显显微微微微镜镜镜镜（STMSTMSTMSTM）操操操操纵纵纵纵着着着着一一一一个个个个个个个个氙氙氙氙原原原原子子子子，STMSTMSTMSTM针针针针尖尖尖尖成成成成了搬运原子了搬运原子了搬运原子了搬运原子“抓斗抓斗抓斗抓斗”。依依依依格格格格勒勒勒勒将将将将35353535个个个个氙氙氙氙原原原原子子子子排排排排布布布布成成成成了了了了世世世世界界界界上上上上最最最最小小小小IBMIBMIBMIBM商商商商标标标标，实实实实现现现现了了了了人人人人类类类类另另另另一一一一个个个个幻幻幻幻想想想想直直直直接接接接操操操操纵纵纵纵单单单单个个个个原原原原子子子子。原原原原子子子子间间间间间间间间距距距距只只只只有有有有1.3nm1.3nm1.3nm1.3nm左左左左右右右右。这这这这是是是是人人人人类类类类有有有有目标、有规律地移动和排布单个原子开始。目标、有规律地移动和排布单个原子开始。目标、有规律地移动和排布单个原子开始。目标、有规律地移动和排布单个原子开始。第19页 右右右右图图图图是是是是48484848个个个个铁铁铁铁原原原原子子子子在在在在铜铜铜铜表表表表面面面面组组组组成成成成“量量量量子子子子围围围围栏栏栏栏”，图图图图中中中中“波波波波浪浪浪浪”表表表表达达达达了了了了在此量子栅中电子密度分布起伏。在此量子栅中电子密度分布起伏。在此量子栅中电子密度分布起伏。在此量子栅中电子密度分布起伏。第20页从二十世纪固体物剪发展中得到几点认识：从二十世纪固体物剪发展中得到几点认识：从二十世纪固体物剪发展中得到几点认识：从二十世纪固体物剪发展中得到几点认识：固体物理正在向凝聚态物理范围扩展。固体物理正在向凝聚态物理范围扩展。固体物理正在向凝聚态物理范围扩展。固体物理正在向凝聚态物理范围扩展。固固固固体体体体物物物物理理理理基基基基本本本本概概概概念念念念和和和和试试试试验验验验技技技技术术术术已已已已在在在在非非非非固固固固体体体体学学学学科科科科中中中中得得得得到到到到广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用，成成成成为为为为众众众众多多多多学科共同财富。学科共同财富。学科共同财富。学科共同财富。固固固固体体体体物物物物理理理理是是是是物物物物质质质质结结结结构构构构中中中中最最最最丰丰丰丰富富富富层层层层次次次次，因因因因而而而而组组组组成成成成了了了了对对对对于于于于人人人人类类类类智智智智力力力力巨巨巨巨大大大大挑挑挑挑战战战战，70707070多多多多年年年年来来来来新新新新发发发发觉觉觉觉不不不不停停停停涌涌涌涌现现现现，使使使使之之之之对对对对高高高高新新新新技技技技术术术术发发发发展展展展推推推推进进进进势势势势头头头头不不不不但但但但不不不不减减减减，在在在在新新新新世纪反而变得愈加突出。世纪反而变得愈加突出。世纪反而变得愈加突出。世纪反而变得愈加突出。第21页二二、固体物理研究对象、固体物理研究对象p研究对象研究对象研究对象研究对象 研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体宏观性质关系学科。内部运动同固体宏观性质关系学科。内部运动同固体宏观性质关系学科。内部运动同固体宏观性质关系学科。和和和和普普普普通通通通物物物物理理理理学学学学不不不不一一一一样样样样，它它它它重重重重点点点点不不不不在在在在于于于于描描描描述述述述固固固固体体体体宏宏宏宏观观观观物物物物理理理理性性性性质质质质，而而而而是是是是去去去去说说说说明明明明和和和和了了了了解解解解固固固固体体体体宏宏宏宏观观观观性性性性质质质质。解解解解释释释释形形形形成成成成这这这这些些些些性性性性质质质质原原原原因因因因，从从从从而而而而找找找找出出出出控控控控制制制制、利用、改进利用、改进利用、改进利用、改进这些性质方法。这些性质方法。这些性质方法。这些性质方法。比比比比如如如如：普普普普通通通通物物物物理理理理使使使使我我我我们们们们知知知知道道道道了了了了欧欧欧欧姆姆姆姆定定定定律律律律，固固固固体体体体物物物物理理理理将将将将说说说说明明明明固固固固体体体体电电电电阻阻阻阻起起起起源源源源并并并并从从从从理理理理论上推导出欧姆定律，分析出论上推导出欧姆定律，分析出论上推导出欧姆定律，分析出论上推导出欧姆定律，分析出不一样固体导电性能不一样原因不一样固体导电性能不一样原因不一样固体导电性能不一样原因不一样固体导电性能不一样原因。第22页p固体物理研究不是单个原子性质固体物理研究不是单个原子性质固体物理研究不是单个原子性质固体物理研究不是单个原子性质 而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来集体集体集体集体性质。性质。性质。性质。固固固固体体体体是是是是由由由由大大大大量量量量原原原原子子子子和和和和分分分分子子子子组组组组成成成成，固固固固体体体体性性性性质质质质即即即即使使使使也也也也和和和和组组组组成成成成固固固固体体体体原原原原子子子子、分分分分子子子子种种种种类类类类相相相相关关关关，但但但但更更更更主主主主要要要要是是是是和和和和这这这这些些些些原原原原子子子子采采采采取取取取什什什什么么么么方方方方式式式式结结结结合合合合在在在在一一一一起起起起，它它它它们们们们空空空空间间间间排排排排列列列列方方方方式式式式、相相相相互互互互作作作作用用用用力力力力类类类类型型型型，尤尤尤尤其其其其是是是是和和和和原原原原子子子子形形形形成成成成固固固固体体体体后后后后其其其其价价价价电电电电子运动状态相关。子运动状态相关。子运动状态相关。子运动状态相关。固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁第23页比如：比如：比如：比如：性质完全不一样无定形碳、石墨和金刚石都是由相同碳原子组成，是性质完全不一样无定形碳、石墨和金刚石都是由相同碳原子组成，是性质完全不一样无定形碳、石墨和金刚石都是由相同碳原子组成，是性质完全不一样无定形碳、石墨和金刚石都是由相同碳原子组成，是碳原子空间排列和结合方式差异带来了其物理性质极端不一样。碳原子空间排列和结合方式差异带来了其物理性质极端不一样。碳原子空间排列和结合方式差异带来了其物理性质极端不一样。碳原子空间排列和结合方式差异带来了其物理性质极端不一样。美国贝尔电话试验室两次美国贝尔电话试验室两次美国贝尔电话试验室两次美国贝尔电话试验室两次NobleNobleNobleNoble物理奖取得者物理奖取得者物理奖取得者物理奖取得者巴丁巴丁巴丁巴丁(J.Bardeen)(J.Bardeen)(J.Bardeen)(J.Bardeen)说：说：说：说：固体物理学依据物质电子结构和原子结构来固体物理学依据物质电子结构和原子结构来固体物理学依据物质电子结构和原子结构来固体物理学依据物质电子结构和原子结构来了解固体各种性质。了解固体各种性质。了解固体各种性质。了解固体各种性质。所以只有经过对固体微观结构和组成固体微观粒子之所以只有经过对固体微观结构和组成固体微观粒子之所以只有经过对固体微观结构和组成固体微观粒子之所以只有经过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间相互作用及运动机制研究才能了解固体性质间相互作用及运动机制研究才能了解固体性质间相互作用及运动机制研究才能了解固体性质间相互作用及运动机制研究才能了解固体性质第24页非晶硅非晶硅p固体按结构分类分类固体按结构分类分类固体按结构分类分类固体按结构分类分类 原子有序排列尺度在原子尺度原子有序排列尺度在原子尺度1010-10-10m m（短程有序），如玻璃、橡（短程有序），如玻璃、橡胶、塑料等。胶、塑料等。固固体体非晶体非晶体晶体晶体准晶体准晶体微晶体微晶体一个介于晶态和非晶态之间状态。特点：含有五次旋转对称轴，一个介于晶态和非晶态之间状态。特点：含有五次旋转对称轴，但没有周期性。但没有周期性。原子（离子）在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间原子（离子）在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不接触，不接触，“悬浮悬浮”在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。单晶体单晶体多晶体多晶体原子（离子）在微米量级范围有原子（离子）在微米量级范围有序排列，形成单晶粒，整个晶体序排列，形成单晶粒，整个晶体由单晶粒随机堆积而成。晶粒与由单晶粒随机堆积而成。晶粒与晶粒之间存在晶粒间界。如多晶晶粒之间存在晶粒间界。如多晶硅、大量金属。硅、大量金属。原子（离子）在整个固体中有序原子（离子）在整个固体中有序排列，如单晶硅。排列，如单晶硅。原子按一定周期原子按一定周期规则有序排列规则有序排列1010-6-6m m（长程有序（长程有序天然岩盐、水晶、天然岩盐、水晶、硅单晶硅单晶第25页电子衍射图中含有五重对称斑点分布电子衍射图中含有五重对称斑点分布第26页单晶硅单晶硅多晶硅多晶硅第27页主要研究对象：晶态固体主要研究对象：晶态固体主要研究对象：晶态固体主要研究对象：晶态固体晶体晶体晶体晶体。理想晶体理想晶体理想晶体理想晶体 内在结构完全规则固体，又叫完整晶体。内在结构完全规则固体，又叫完整晶体。实际晶体实际晶体实际晶体实际晶体 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列 背景中尚存在微量不规则性晶体。背景中尚存在微量不规则性晶体。缺点缺点缺点缺点:在近乎完整晶体内部微量不规则性在近乎完整晶体内部微量不规则性在近乎完整晶体内部微量不规则性在近乎完整晶体内部微量不规则性 外来杂质外来杂质纯铁中掺入微量碳（钢），质地比铁坚硬得多纯铁中掺入微量碳（钢），质地比铁坚硬得多纯铁中掺入微量碳（钢），质地比铁坚硬得多纯铁中掺入微量碳（钢），质地比铁坚硬得多锗、硅单晶体掺入微量杂质，才是灵敏半导体锗、硅单晶体掺入微量杂质，才是灵敏半导体锗、硅单晶体掺入微量杂质，才是灵敏半导体锗、硅单晶体掺入微量杂质，才是灵敏半导体红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量铬离子后才变为红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量铬离子后才变为红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量铬离子后才变为红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量铬离子后才变为红色。红色。红色。红色。固体物理已成为固体材料和器件基础学固体物理已成为固体材料和器件基础学固体物理已成为固体材料和器件基础学固体物理已成为固体材料和器件基础学科，是固体新材料和新器件生长点科，是固体新材料和新器件生长点科，是固体新材料和新器件生长点科，是固体新材料和新器件生长点第28页n n固体是由什么原子组成？固体是由什么原子组成？固体是由什么原子组成？固体是由什么原子组成？n n它们是怎样排列和结合？它们是怎样排列和结合？它们是怎样排列和结合？它们是怎样排列和结合？n n这种结构是怎样形成？这种结构是怎样形成？这种结构是怎样形成？这种结构是怎样形成？n n在特定固体中，电子和原子取什么样详细运动形态？在特定固体中，电子和原子取什么样详细运动形态？在特定固体中，电子和原子取什么样详细运动形态？在特定固体中，电子和原子取什么样详细运动形态？n n它宏观性质和内部微观运动形态有什么联络？它宏观性质和内部微观运动形态有什么联络？它宏观性质和内部微观运动形态有什么联络？它宏观性质和内部微观运动形态有什么联络？n n各种固体有哪些可能应用？各种固体有哪些可能应用？各种固体有哪些可能应用？各种固体有哪些可能应用？n n探索设计和制备新固体，研究其特征，开发其应用。探索设计和制备新固体，研究其特征，开发其应用。探索设计和制备新固体，研究其特征，开发其应用。探索设计和制备新固体，研究其特征，开发其应用。p基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：第29页主题纷纭繁杂主题纷纭繁杂主题纷纭繁杂主题纷纭繁杂理论处理花样繁多理论处理花样繁多理论处理花样繁多理论处理花样繁多综合性强综合性强综合性强综合性强基本概念、试验规律、曲线、推导基本概念、试验规律、曲线、推导基本概念、试验规律、曲线、推导基本概念、试验规律、曲线、推导注意交叉学科注意交叉学科注意交叉学科注意交叉学科笔记笔记笔记笔记三、固体物理学课程特点三、固体物理学课程特点第30页n n前面所学课程综合前面所学课程综合前面所学课程综合前面所学课程综合n n固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法n n最时髦科学进展与固体物理紧密相连最时髦科学进展与固体物理紧密相连最时髦科学进展与固体物理紧密相连最时髦科学进展与固体物理紧密相连特点特点特点特点课程重点课程重点课程重点课程重点研究固体物理性质、内部微观结构以及内部研究固体物理性质、内部微观结构以及内部研究固体物理性质、内部微观结构以及内部研究固体物理性质、内部微观结构以及内部微观世界运动规律之间关系。微观世界运动规律之间关系。微观世界运动规律之间关系。微观世界运动规律之间关系。微观世界基本规律微观世界基本规律微观世界基本规律微观世界基本规律,包含力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学、量包含力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学、量包含力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学、量包含力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学、量子电动力学和量子统计子电动力学和量子统计子电动力学和量子统计子电动力学和量子统计;固体宏观性质有力学性质、热性质、声性质、电性质、磁性质、光性质等。固体宏观性质有力学性质、热性质、声性质、电性质、磁性质、光性质等。固体宏观性质有力学性质、热性质、声性质、电性质、磁性质、光性质等。固体宏观性质有力学性质、热性质、声性质、电性质、磁性质、光性质等。固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质桥梁 第31页n前面所学课程综合前面所学课程综合前面所学课程综合前面所学课程综合 *分析力学分析力学分析力学分析力学采取广义坐标体系从能量角度来研究经典力学采取广义坐标体系从能量角度来研究经典力学采取广义坐标体系从能量角度来研究经典力学采取广义坐标体系从能量角度来研究经典力学 *统计物理统计物理统计物理统计物理近独立电子统计分布玻耳兹曼统计玻色统计费米统计近独立电子统计分布玻耳兹曼统计玻色统计费米统计近独立电子统计分布玻耳兹曼统计玻色统计费米统计近独立电子统计分布玻耳兹曼统计玻色统计费米统计 *量子力学量子力学量子力学量子力学波函数薛定谔方程微扰理论波函数薛定谔方程微扰理论波函数薛定谔方程微扰理论波函数薛定谔方程微扰理论第32页pp 固体物理和四大力学不一样固体物理和四大力学不一样固体物理和四大力学不一样固体物理和四大力学不一样 后后后后者者者者分分分分别别别别研研研研究究究究物物物物质质质质特特特特定定定定运运运运动动动动形形形形态态态态，研研研研究究究究对对对对象象象象是是是是理理理理想想想想条条条条件件件件下下下下特特特特定定定定运运运运动动动动规规规规律，如理论力学研究物体机械运动等。律，如理论力学研究物体机械运动等。律，如理论力学研究物体机械运动等。律，如理论力学研究物体机械运动等。固固固固体体体体物物物物理理理理则则则则不不不不一一一一样样样样，它它它它研研研研究究究究对对对对象象象象是是是是一一一一类类类类物物物物质质质质固固固固体体体体，它它它它既既既既是是是是力力力力学学学学系系系系统统统统、又又又又是是是是热热热热学学学学系系系系统统统统和和和和电电电电磁磁磁磁系系系系统统统统，而而而而组组组组成成成成固固固固体体体体微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子又又又又必必必必须须须须服服服服从从从从量量量量子子子子力力力力学学学学规规规规律律律律，所所所所以以以以固固固固体体体体物物物物理理理理是是是是一一一一门门门门综综综综合合合合科科科科学学学学，需需需需要要要要我我我我们们们们综综综综合合合合利利利利用用用用各各各各种种种种理理理理论论论论工工工工具具具具，从从从从不不不不一一一一样样样样角角角角度度度度、不不不不一一一一样样样样侧侧侧侧面面面面去去去去研研研研究究究究实实实实际际际际固固固固体体体体各各各各种种种种运运运运动动动动形形形形态态态态，从从从从而而而而全全全全方方方方面面面面地地地地解释固体各种性质，所以四大力学都是固体物理理论基础课。解释固体各种性质，所以四大力学都是固体物理理论基础课。解释固体各种性质，所以四大力学都是固体物理理论基础课。解释固体各种性质，所以四大力学都是固体物理理论基础课。第33页pp 由固体研究特点，介绍贯通课程内容线索由固体研究特点，介绍贯通课程内容线索由固体研究特点，介绍贯通课程内容线索由固体研究特点，介绍贯通课程内容线索 *研究周期性结构下波运动研究周期性结构下波运动研究周期性结构下波运动研究周期性结构下波运动*内容重点：周期结构（晶体）中各种波内容重点：周期结构（晶体）中各种波内容重点：周期结构（晶体）中各种波内容重点：周期结构（晶体）中各种波pp 讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂*与与与与以以以以前前前前有有有有很很很很大大大大不不不不一一一一样样样样把把把把一一一一个个个个复复复复杂杂杂杂研研研研究究究究对对对对象象象象合合合合理理理理地地地地在在在在不不不不一一一一样样样样层层层层次次次次进进进进行行行行简简简简化化化化，建建建建立立立立模模模模型型型型，引引引引入入入入新新新新概概概概念念念念，利利利利用用用用已已已已经经经经有有有有知知知知识识识识，得得得得到到到到新新新新规规规规律律律律，再再再再对对对对照试验结果，修改模型，照试验结果，修改模型，照试验结果，修改模型，照试验结果，修改模型，这么螺旋地循环上升，一步步靠近实际，这么螺旋地循环上升，一步步靠近实际，这么螺旋地循环上升，一步步靠近实际，这么螺旋地循环上升，一步步靠近实际第34页n固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法固体物理是能够处理当代复杂系统好方法 简单性与复杂性简单性与复杂性简单性与复杂性简单性与复杂性物理学家习惯于所谓还原物理学家习惯于所谓还原论思维方法：论思维方法：将复杂还原为简单、然后将复杂还原为简单、然后再从简单重建复杂。再从简单重建复杂。第35页尺度上最微小但尺度上最微小但尺度上最微小但尺度上最微小但能量最高世界，能量最高世界，能量最高世界，能量最高世界，对应学科为粒子对应学科为粒子对应学科为粒子对应学科为粒子物理学物理学物理学物理学(高能物高能物高能物高能物理学理学理学理学)最宏大世界，即最宏大世界，即最宏大世界，即最宏大世界，即天体与宇宙，对天体与宇宙，对天体与宇宙，对天体与宇宙，对应学科为天体物应学科为天体物应学科为天体物应学科为天体物理学与宇宙论。理学与宇宙论。理学与宇宙论。理学与宇宙论。第36页n n 气体、液体、与固体分解为分子或原子聚集体；气体、液体、与固体分解为分子或原子聚集体；气体、液体、与固体分解为分子或原子聚集体；气体、液体、与固体分解为分子或原子聚集体；n n 原子又被分解为原子核与电子；原子又被分解为原子核与电子；原子又被分解为原子核与电子；原子又被分解为原子核与电子；n n 原子核被分解为质子和中子；原子核被分解为质子和中子；原子核被分解为质子和中子；原子核被分解为质子和中子；n n 这些再被分解为夸克、胶子。这些再被分解为夸克、胶子。这些再被分解为夸克、胶子。这些再被分解为夸克、胶子。还原论应用还原论应用还原论应用还原论应用第37页在物质结构相邻层次间耦合被证实是促进在物质结构相邻层次间耦合被证实是促进在物质结构相邻层次间耦合被证实是促进在物质结构相邻层次间耦合被证实是促进20202020世纪科世纪科世纪科世纪科学进步主要驱动力。学进步主要驱动力。学进步主要驱动力。学进步主要驱动力。n n原子结构说明造成了化学革命；原子结构说明造成了化学革命；原子结构说明造成了化学革命；原子结构说明造成了化学革命；n n核酸与蛋白质分子结构测定造成了生物学革命核酸与蛋白质分子结构测定造成了生物学革命核酸与蛋白质分子结构测定造成了生物学革命核酸与蛋白质分子结构测定造成了生物学革命n n物质结构微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、物质结构微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、物质结构微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、物质结构微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、铁电体、超导体）中蕴含异乎寻常物性。铁电体、超导体）中蕴含异乎寻常物性。铁电体、超导体）中蕴含异乎寻常物性。铁电体、超导体）中蕴含异乎寻常物性。第38页层展现象：层展现象：层展现象：层展现象：还原论不足：还原论不足：还原论不足：还原论不足：很多不一样层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从很多不一样层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从很多不一样层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从很多不一样层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从而使得从简单构筑复杂并不象过去还原论者构想那么轻易。而使得从简单构筑复杂并不象过去还原论者构想那么轻易。而使得从简单构筑复杂并不象过去还原论者构想那么轻易。而使得从简单构筑复杂并不象过