固体物理绪论.ppt

固体物理学SolidStatePhysics固体物理开山之作：TheModeronTheoryofSolids一、固体物理的发展过程固体物理学发展简史固体物理学发展简史固体物理学发展简史固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。
同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、信息科学、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。例：1988年发现巨磁电阻效应(GMR)--小硬盘大发现
硬盘技术之父2007年摘得诺贝尔物理学奖巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。
这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。”或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。但是，即便是巨磁阻这项叱诧风云的技术，发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是“垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。2005年的128Mb，2014年的128Gb：与有60
年悠久历史的硬盘驱动技术不同，NAND闪
存技术还很年轻，还有很大的发展及提升
空间。如今，NAND闪存的存储能力以每年
175%的速度增长。上世纪六七十年代后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材料的研究更加完美，而且逐渐走出大块晶体的范畴，开始了对微细材料和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的
石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。1959年，著名的诺贝尔奖得主费曼（RichardFeynman）就设想：
“如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什
么样的奇迹！”，“毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的
话，将大大扩充我们可以获得物性的范围”。原子操纵1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的扫描隧道显微镜（STM）操纵着一个个氙原子，STM的针尖成了搬运原子的“抓斗”。
依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，实现了人类另一个幻想——直接操纵单个原子。原子间间距只有1.3nm左右。这是人类有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。右图是48个铁原子在铜表面组成的“量子围栏”，图中的“波浪”体现了在此量子栅中电子密度分布的起伏。从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识：二、固体物理的研究对象固体物理研究的不是单个原子的性质例如：
性质完全不同的无定形碳、石墨和金刚石都是由相同的碳原子组成的，是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。非晶硅电子衍射图中具有五重对称的斑点分布单晶硅主要的研究对象：晶态固体——晶体。前面所学课程的综合
固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法
最时髦的科学进展与固体物理紧密相连固体物理和四大力学不同
后者分别研究物质特定的运动形态，研究对象是理想条件下的特定运动的规律，如理论力学研究物体的机械运动等。
固体物理则不同，它研究的对象是一类物质——固体，它既是力学系统、又是热学系统和电磁系统，而组成固体的微观粒子又必须服从量子力学规律，所以固体物理是一门综合科学，需要我们综合运用各种理论工具，从不同角度、不同侧面去研究实际固体的各种运动形态，从而全面地解释固体的各种性质，所以四大力学都是固体物理的理论基础课。赛兹1940年出版的《现代固体理论》一书,标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）SeitzF,ModernTheoryofSolidsMcGraw-Hill1940
这本书是固体物理学作为独立学科出现的奠基性著作，目前我们固体物理课程所讲述的固体理论依然处在该书建立的体系中，它处理问题的基本方法取得了辉煌的成就，并一