高等固体物理无序市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 无序,2.1 无序系统,2.2 无序系统电子态,2.3 无序系统直流电导,2.4 无序系统光学性质,2.5 无序系统应用,第1页,2.1 无序系统,1.无序,体系性质不再能以长程有序理想晶体作为零级近似，无序作为微扰来解释情形。,2.无序类型,（1)成份无序（2)位置无序 （3)拓扑无序,(a)晶态,(b)成份无序,位置无序,(d)拓扑无序,第2页,3.无序形成,T,Tg,Tf,Tb,晶体,玻璃,玻璃化转变,气体,液体,V,10,12,a,10,3,s,10,-12,s,原子（或分子）驰豫时间,：,体系中原子（分子）进行结构结构重新排列时间.,系统从Tf,Tg所需时间t峰展宽,任何非晶结构模型，首先要符合RDF,RDF能够从衍射试验结果经过富氏变换,而得到,单色X射线、电子束、中子束,第6页,以X射线衍射为例，说明RDF试验测量公式,非晶整体,一个单胞 结构因子：,第7页,第8页,As,2,S,3,玻璃：短程序N(As)=3,N(S)=2-X衍射RDF-N=2.4 加权平均,第9页,扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS),X射线吸收：各种元素吸收系数随X射线波长(能量)改变,E增加，吸收系数降低。每种元素在一些特定能量处出现,吸收系数突变吸收边,EXAFS是指在吸收边高能侧一定能量间隔内出现吸收系数随,X射线能量增大而振荡改变现象。振荡可延伸到高于吸收边,103 eV处,包含结构信息,(1929发觉，70年代建立和完善）,E,吸收边,精细结构,第10页,凝聚态物质：因为吸收原子周围存在其它原子，它所射出,光电子被近邻原子散射，形成背散射波。出射波与背散射波,在吸收原子处发生干涉。,只有同种原子散射波才能与出射波发生干涉。,出射和背散射波相位差随光电子德布洛意波长(依赖于X射,线能量)改变而发生改变-原子末态波函数振荡改变,：凝聚态物质中某组元X射线吸收系数,：组元出于自由原子态吸收系数,：凝聚态物质中不考虑周围原子散射作用时吸收系数,第11页,谱函数是一系列正玄函数叠加,第12页,N=1,2,或3,第13页,6.非晶态固体结构模型和缺点,(1),刚球无规密堆模型（非晶态金属或金属合金DRPHS）,Finney:793个硬球模型,无规密堆有一个明确堆积密度上限0.6366;密堆晶体 0.7405,非晶含有一些不一样类型局域短程序。以原子为中心作其最近邻连心线。以这些连心线为棱边所组成多面体,Bernal多面体。,(a)四面体,(e)四角十二面体,(d)带三个半八,面体阿基米德,反棱柱,(c)有三个半八面,体三角棱柱,(b)八面体,第14页,(2),连续无规网格模型（,CRN,）,以共价结合非晶态固体，最近邻配位与晶态类似,用球代表原子位置，线段代表大小，线段间夹角代表键角，全部球和线段组成网络非晶网络模型,(3)非晶中缺点,非晶半导体 i）悬挂键 ii）微孔 iii）杂质,第15页,2.2 无序系统电子态,1.扩展态和局域态,含有严格周期性有序晶格是平移不变：,全部电子在有序晶格中作公有化运动扩展态,在晶体中引入缺点,周期性局域破坏,杂质态,局域,在杂质附近,：定域化长度,杂质浓度高时,局域态电子能级可密集成带,与导带相连接,形成导带尾部.,第16页,2.Anderson无序模型,无平移对称性，波矢k不再是描述电子态好量子数,TBA(紧束缚近似),无序系统,第17页,第18页,W,第19页,3.,推迟格林函数,双时推迟格林函数,第20页,第21页,第22页,第23页,(b).T0K,有限温度下:,引入函数,莱曼表示积分公式:,第24页,(3).谱定理,其次:,谱定理，涨落耗散定理,第25页,第26页,格林函数计算平均量有用工具,利用玻戈留玻夫格林函数作实际运算步骤:,(1).选择A与B,(2).确定格林函数,(3).建立 运动方程,(4).求运动方程近似解,(5).利用谱定理决定所需物理量,第27页,4.Anderson,局域化（,1958,，,PRB,）,局域化严格定义：,热力学极限下体系（,N,V,无限大,N/V,有限），设,t,0,时,l,格点,(,或附近,),有一个电子,经过较长时间后在该格点找到电子几率振幅为,A(t):,A(t)0,扩展态 A(t)0,局域态,(1).定性说明(Thouless公式),强无序情况 W/V1,考虑有一个电子定域在格点l,因为相互作用能够使邻近格点l,上电子波函数混入,由量子力学微扰理论(一级):,第28页,电子波动性本质反应,推广：光波，声波等,第29页,(2).严格推导,第30页,第31页,第32页,第33页,第34页,5.莫特(Mott)模型,SIR NEVILL F.MOTT(1905-1996),1977 Nobel Laureate in Physics,for their fundamental theoretical investigations of the electronic structure of magnetic and disordered systems.,第35页,(1).:,无序系统既存在扩展态，也有局域态，扩展态在,TBA,能量中心，局域态在带尾,并有一个划分扩展态与局域态能量分界Ec:迁移率边,-Ec,Ec,E,DOS(E),扩展态,局域态,任意E态局域化条件:,第36页,(2).态密度和Anderson转变,在无序固体中,波矢K不再是好量子数.但不论是晶态还是非晶态,体系总自由度不变,因而模式密度,能态密度概念依旧有效.,扩展态,扩展态,迁移率边,扩展态,局域态,Anderson转变:E,F,处于扩展态,金属,E,F,处于局域态绝缘体无序引发相变叫Anderson相变,第37页,6.渗流理论,渗流：流体在随机介质中运动,现象：,人体、动物体内存在多孔结构组织和器官，如肺、心、肝等，体液在其中流动着,植物茎、枝、根和叶等，也是多空结构,地层里多孔岩石中石油和水,渗流体系：用渗流模型所描述体系,K.Broadbent,M.Hammersley 1957年首次提出,第38页,每格点被占据几率为,P,不占据几率为,1-P,。,相邻格点都被占据，,这些格点形成一个集团。,当P增大,集团大小增大,P到达一个临界点，点阵上就出现一个无限大集团,渗流相变,Pc:渗流閾值或渗流临界值,Pc=0.59,Pc=0.27,A,渗流体系最基本点：閾值,PPc：无限集团,P-Pc-0:出现一个初始无限大集团,第39页,渗流相变是一个二级相变,序参量：渗流几率,定义：当占据几率为时，点阵上任意格点属于无限大集团几率。,两点间关联函数G(x),定义：当原点被占据时，距原点为x格点也属于同一集团点占据几率，亦即原点与x点之间最少存在一条键联路径几率。,第40页,第41页,渗流体系两个主要量：参量P(格点拥有率)，关联长度,类比 P：热力学中温度 渗流集团唯一长度标度,按照P参量划分渗流集团:,(1).PPc,体系出现大量无限大集团，集团本身密度向均匀化发展，不再含有自相识性,自相识性:,缩放对称性,，即不论对结构作怎样放大与缩小，结构看上去仍是相同。,分形(Fractal)：存在自相同性几何对象。,1967年，Mandelbrot “英国海岸线有多长”,第42页,Many man-made objects are made up of Euclidean shapes,第43页,But what about these familiar things from the natural world?,Can they be easily described with Euclidean shapes?,I dont think so.,第44页,“Why is geometry often described as cold or dry?One reason lies in its inability to describe the shape of a cloud,a mountain,a coastline,or a tree.Clouds are not spheres,mountains are not cones,coastlines are not circles,and bark is not smooth,nor does lightning travel in a straight line.”,Benoit Mandelbrot,the father of fractal geometry,from his book The Fractal Geometry of Nature,1982.,第45页,The Koch Snowflake,First iteration,After,2 iterations,第46页,After 3 iterations,第47页,After,n,iterations,第48页,After iterations,第49页,The,Koch snowflake,is six of these put together to form.,.well,a snowflake.,第50页,Notice that the perimeter of the Koch snowflake is infinite.,.but that the area it bounds is finite(indeed,it is,contained in the white square).,第51页,The Koch snowflake has even been used in technology:,Boston-Mar 13,Fractal Antenna Systems,Inc.today disclosed that it has,filed for patent protection on a new class of antenna arrays,that use close-packed arrangements of fractal elements to,get superior performance characteristics.,Fractal Tiling Arrays-Firm Reports Breakthrough in Array Antennas,第52页,But self-similarity is,not,what makes the Koch snowflake,a fractal!(Contrary to a common misconception.),After all,many common geometric objects exhibit,self-similarity.Consider,for example,the humble,square.,第53页,If you take a small square.,.and dilate by a factor of 2.,.then you get 4 copies of the original.,A square is self-similar,but it most certainly is not a fractal.,第54页,If you take a small square.,.and dilate by a factor of 3.,.then you get 9 copies of the original.,第55页,Let,k,be the scale factor.,Let,N,be the number of copies of the original that you get.,Note that for the square,we have that:,Or in other words,we have:,第56页,Thats right:,tells us the dimension of the shape.,(Note that for this to make sense,the shape has to be,self-similar.),So for a self-similar shape,we can take,to be the,definition,of its dimension.,(It turns out that this definition coincides with a much more,general definition of dimension called the,fractal dimension,.),第57页,Now lets recall what,k,and,N,were for one side of the,Koch snowflake:,k,=scale factor=3,N,=number of copies of original=,4,第58页,The Sierpinski Carpet,第59页,The fractal dimension of the Menger sponge is:,第60页,利用初始无限大集团标度特征来确定集团分形维数D和渗流临界指数之间关系,设体系中出现一个初始无限大集团，集团线度,在此集团上选取原点O，,则距该点,r,处格点属于这个无限集团几率（）,：,普通地：,第61页,系统：导电畴非导电畴，无序度：发觉导电畴几率P,湖,山,沧海变桑田,无序,Anderson转变,海洋,海岛,第62页,2.3 无序体系直流电导,1.跳跃电导,体系处于强定域区，许多电子态为定域态，相邻定域态间能量十分不一样。,能量,距离R,(1)两个态波函数交叠,(2)两个格点能量差,第63页,(1)两个态波函数交叠,(2)两个格点能量差,低温下(2)比(1)主要,变程跳跃,高温下(1)比(2)主要定程跳跃,第64页,第65页,2.非晶半导体直流电导,与晶态半导体不一样之处,(1).非晶态半导体存在扩展态、带尾定域态、带隙中缺隙定域态,。这些状态中载流子都可能对电导有贡献。,(2).非晶态半导体中费米能级通常是“钉扎”在带隙中，基本不随温度改变。,钉扎:Fermi能级位置不因少许浅施主和浅受主杂质引入而发生改变。,Fermi能级之上有带正电状态,二者赔偿作用使E,F,“钉扎”,Fermi能级之下有带负电状态,价带,导带,施主,受主,E,F,Ev,Ec,深施主带,深受主带,E,B,E,A,第66页,第67页,第68页,3.非晶态金属电阻率及其温度关系,非晶态金属电阻率高于晶态金属材料电阻率,100300,cm,“剩下电阻”,无序结构，数值较大,非晶态金属电阻率温度系数,尤其小，,结构无序和杂质贡献大于原子热运动贡献,3)很多非晶态金属在很宽范围内有负电阻温度系数,4)Mooij经验规律：,5)非晶态金属电阻率随非晶结构稳定性而发生不可逆改变。当温度升高开始晶化时电阻率将发生突变,预计非晶态金属,晶化温度。,第69页,理论模型：,1.推广Ziman理论模型：非金属玻璃 vs 液态金属,适用：简单金属玻璃电导输运特征,2.类Kondo型s-d散射模型,Kondo效应：含有极少许磁性杂质晶态金属在低温下出现电阻极小现象。,s-d散射机制:产生电阻极小必要条件是局域自旋含有翻转自由度。,3.双能级隧道态模型理论：非晶态中存在2个等价原子组态,非晶金属低温电阻电阻极小现象,第70页,4.定域标度理论,定域退定域转变处电导率改变,1973年，Mott:扩展态在迁移率边处有一最小金属电导率。,(a).一、二维体系不存在Anderson转变改变,(b).电导率连续减小为零,第71页,第72页,对于d=3,低于一特定值Gc，,为负(绝缘态）,D=1,2,总为负，系统总是,处于绝缘态,第73页,第74页,第75页,2.4 无序系统光学性质,0.2,0.6,0,5,15,25,非晶态Ge,晶态Ge,液态Ge,固态Ge和液态Ge有巨大差异,晶态和非晶态差异不大：短程序起首要作用,液态Ge：金属 固态Ge：半导体,光吸收，光发射，光电子学:电子能带结构，杂志缺点，原子振动,第76页,1.晶体光吸收和光辐射过程,吸收系数/cm-1,10,1,0.1,0.01,10,100,10000,本征吸收区,吸收边,激子吸收,自由载流子吸收,晶格吸收,自由载流子吸收,杂质和缺点吸收,磁吸收,盘旋共振吸收,1.本征吸收:价电子,导带 2.激子吸收：电子空穴束缚激发态,3.自由载流子吸收：导带中电子(价带中空穴）同带跃迁，强度是载流子浓度函数,4.晶格吸收：长光学横波声子和红外光子耦合极化激元激发态，光频率与晶格频率共振，吸收最大，红外区段,5.杂质和缺点吸收：杂质能级自由载流子,6.磁吸收和盘旋共振吸收：光吸收电子自旋反转、自旋波量子激发、交变磁场下磁次能级间跃迁,第77页,固体发光：光吸收逆过程,基态激发态基态,光,光,热,发光有一连续过程：,10,-8,s磷光,发光过程：能量守恒，动量守恒,2.非晶态半导体光吸收和光致发光,1)非晶态本征吸收:不需选择定则。吸收系数髙,非晶太阳能电池,2)非晶吸收边附近,A：高吸收区 价带扩展态,导带扩展态,B：指数区 价带扩展态,导带尾定域态,定域态,扩展态,C：弱吸收区 和杂质缺点相关,C,B,A,第78页,3)原子振动与光相互作用准动量守恒关系限制，整个频率范围,内所以振动模都有贡献，红外、拉曼光谱比晶态弥散、光滑,4)在高吸收区A:,DOS,Ev,Ec,5)在非晶态半导体、尤其是硫系非晶态半导体中，存在发射光子,频率低于吸收光子频率现象,Stokers效应,黄昆：强电子声子相互作用，使定域态上电子在处于基态,和处于激发态时，原子平衡位置不一样。,第79页,E,E,1,2,1,2,位形,位形,6)非晶态半导体光电导,受到光照后吸收光子而产生非平衡载流子：电子和空穴,第80页,2.5 无序系统应用,非晶态固体类型,代表性材料,应用,所用特征,氧化物玻璃,(SiO,2,),0.8,(NaO),0.2,窗玻璃等,透明性，固体性，形成大张能力,氧化物玻璃,(SiO,2,),0.9,(GeO,2,),0.1,通信网络纤维光波导,超透明性，纯度，形成均匀纤维能力,有机聚合物,聚苯乙烯,结构材料，塑料,强度，重量轻，轻易加工,硫系玻璃,Se,As,2,Se,3,静电复印技术,光导电性，形成大面积薄膜能力,非晶半导体,Te0.8Ge0.2,计算机记忆元件,电场引发非晶晶化转变,非晶半导体,Si0.9H0.1,太阳能电池,光生伏打光学性质，大面积薄膜,金属玻璃,Fe0.8B0.2,变压器铁心,铁磁性，低损耗，形成长带能力,第81页,激光打印机和复印机,第82页,1,吸鼓带电,对应图中1位置，在感光鼓也称吸鼓上用电极对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层，光电导层在光照时电阻率下降。,第83页,2,扫描曝光,对应图中2位置，用受被打印内容调制激光束对感光层扫描曝光，受光照区域电阻率下降，表面电荷被中和而消失，在感光层上形成由静电荷分布组成潜像（电荷图象）。,第84页,激光扫描写入系统主要包含激光光源、光调制器、光偏转器、扫描透镜等光路元件及对应控制电路。,第85页,激光器和调制器,实用激光打印机般采取HeNe激光器或半导体激光器作激光光源。,激光打印机中使用光调制器早期多为声光调制器。伴随半导体激光器发展，直接电流调制方式已逐步代替声光调制方式。,第86页,光偏转器,光偏转器实现激光束扫描，大多采取旋转多面镜方式，它是由以正多角柱体侧面为镜面多面反射镜和使其高速旋转电动机组合而成。,第87页,3,静电成像,对应图中3位置，用含有炭精粉粒显像剂与感光层接触，在静电场作用下，炭精粉粒附在感光层曝光区域上，形成可见炭精粉图象，这过程也称,显像过程,。,第88页,4,着色转印,对应图中4位置，打印纸与已经显像感光体接触，同时采取电晕带电体从纸反面加电场，这时感光体表面显像剂转移到打印纸上完成转印。,第89页,5.,热压定影,对应图中5位置，用热压器加热加压使着色剂牢靠粘结在打印纸上，完成了静电打印。,第90页,6,清洗吸鼓,对应图中6位置，将感光体用清洗器去除残留色粉，准备下一张打印。,第91页,静电复印机,同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子摄影技术相结合一个印字方式。复印机与激光打印机主要区分是图象信息产生方式不一样。复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生图象数据经控制电路控制激光束偏转和光强度扫描曝光完成打印。,光导材料，惯用材料有：硒碲合金、氧化锌、硫化镉和有机光导体等。其中以有机光导体性能最好。,第92页,Project 6,非晶材料应用原理及举例,第93页,