固体物理前沿研究与应用.docx
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固体物理前沿研究与应用
电子科技大学光电信息学院
课程设计论文
课程名称固体物理与半导体物理
题目名称固体物理前沿研究与应用
学号
姓名
指导老师刘爽
起止时间2012.10.8至2012.10.15
2012年10月13日
摘要······························································1
1.固体物理学···················································1
1.1固体物理学的概述···········································1
1.1.1固体的一些性质········································1
1.2晶体·························································3
1.2.1晶体划分及其空间点阵类型·····························3
1.2.2晶体的描述·············································4
1.2.3晶体的性质·············································5
2.固体物理应用·················································6
2.1超导材料·····················································6
2.1.1大电流应用（强电应用）·································6
2.1.2电子学应用（弱电应用）·································7
2.1.3抗磁性的应用
···········································8
2.2半导体材料···················································8
2.3表面物理学···················································9
2.4固体激光器···················································9
2.5固体物理在其他方面的应用···································10
3.固体物理的前沿研究··········································11
3.1石墨烯纳米结构和纳米器件研究·······························11
3.2高温超导体的隧道谱研究·····································11
3.3地震前兆信息的传播、分布和探测····························12
3.4低维氧化物的结构设计与光电物理研究·······················12
3.5利用表面等离子体共振效应在纳米尺度上对光的调控··········13
4.固体物理学的展望·············································14
5.总结和感想······················································14
摘要：
本文对于固体物理中晶体结构以及其性质，做了简单介绍，并探讨了固体物理的前沿研究现状与一些应用，以及固体物理今后的发展前景。
关键字：
晶体结构，固体物理，固体激光器，超导材料，半导体材料，固体表面物理。
1.固体物理学
1.1固体物理学的概述
固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。
它研究的内容包括固体是由什么原子组成？
它们是怎样排列和结合的？
这种结构是如何形成的？
在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？
它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？
各种固体有哪些可能的应用？
1.1.1固体的一些性质
固体相变
晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。
处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。
不同的点阵形式具
有不同的能量。
在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。
这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象。
在固体物理学中相变占有重要地位。
它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相干衡、相变动力学、临界现象等。
固体磁性
原子中电子参与两种运动：
自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。
整个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核自旋磁矩常可忽略）。
物质的磁性来源于原子的轨道磁矩和自旋磁矩晶体中：
轨道磁矩自旋磁矩外磁场物质的磁性。
晶体中原子磁矩或者自旋磁矩的直接或间接相互作用，以及磁矩与外磁场的响应特性，形式上形成了各种物质的磁性。
杂质，缺陷和固体表面
点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。
实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：
化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质。
这些缺陷和杂质对固体的物理性质（包括力学、电学、磁学、发光学等）以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。
同体内相比，晶体表面具有独特的结构和物理、化学性质。
这是由于表面原子所处的环境同体内原子不一样，在表面几个原子层的范围，表面的组分和原子排列形成的二维结构都同体内与之平行的晶面不一样的缘故。
表面
微观粒子所处的势场同体内不一样，因而形成独具特征的表面粒子的运动状态，限制粒子只能在表面层内运动并具有相应的本征能量，它们的行为对表面的物理、化学性质起重要作用。
1.2晶体
固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。
由结晶物质构成的、其内部的构造质点呈平移周期性规律排列的固体。
即以晶体中的原子或其集合为基点,在空间中三个不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。
1.2.1晶体划分及其空间点阵类型
晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。
晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：
离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。
固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。
根据晶体的宏观对称性，晶体有14种空间点阵,它们的晶轴关系即晶轴的单位长度及夹角间的关系，分别属于立方、四方、三方、六方、正交、单斜、三斜共7个晶系。
立方晶系
四方晶系
三方晶系
六方晶系
正交晶系
单斜晶系
三斜晶系
在这7个晶系中，除了由素单位构成的简单点阵（P）外,还可能有体心（I）、底心（C）、面心（F）点阵。
在这些有心的点阵中，晶胞分别有2个或4个阵点。
1.2.2晶体的描述
格点：
晶格中原子与原子团被抽象的点称为格点，周围环境完全一样。
基元：
格点所代表的原子与原子团。
晶格：
晶体中原子排列的具体形式称为晶体格子，简称晶格。
布拉菲格子：
格点在空间周期性排列的总体连成的网格。
简单格子：
基元只含有一个原子。
复式格子：
基元含有两个或两个以上原子的晶格（可是同类、异类）。
原胞：
体积最小的周期性平行六面体单元。
晶胞：
既考虑了周期性又考虑了对称性所选取的重复单元。
魏格纳-赛兹原胞：
体积最小的对称周期单元。
晶格常数：
晶轴上布拉菲格子的相邻格点的距离。
1.2.3晶体的性质
·长程有序：
晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。
·均匀性：
晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
·各向异性：
晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。
·对称性：
晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
·自限性：
晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。
·解理性：
晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。
·最小内能：
成型晶体内能最小。
·晶面角守恒：
属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。
2.固体物理应用
2.1超导材料
超导体的发现是20世纪物理学的一个伟大的成就。
而超导材料在未来中展现了广泛的应用前景。
一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超
导体。
高温超导材料的大致可分为三类：
大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。
2.1.1大电流应用（强电应用）
超导发电机
在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。
超导
发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。
磁流体发电机
磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。
磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。
磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。
2.1.2电子学应用（弱电应用）
超导磁体计算机
超导磁体计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。
超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。
此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。
超导输电线路
超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。
据统计，目前的铜或铝导线输电，约有
15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。
若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
2.1.3抗磁性的应用
磁悬浮列车
磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。
利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。
核聚变反应堆“磁封闭体”
核聚变反应堆“磁封闭体” 核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。
而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。
2.2半导体材料
研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科。
是固体物理学的一个分支。
研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。
研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、电子在外电场和外磁场作用下的输
运过程、半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等。
半导体物理学的发展不仅使人们对半导体有了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。
2.3表面物理学
表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域。
表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质。
表面物理学研究在超高真空下（10～10Torr），这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。
实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。
2.4固体激光器
用固体激光材料作为工作物质的激光器（见激光）。
1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。
固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。
固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。
2.5固体物理在其他方面的应用
（1）人工微结构物理。
（2）量子调控电子学。
（3）微结构材料。
（4）软物质的结构与功能。
（5）微结构材料设计和理论计算。
（6）基于微结构的高新技术。
（7）材料制备的物理基础研究。
3.固体物理的前沿研究
3.1石墨烯纳米结构和纳米器件研究
石墨烯由于其独特的狄拉克费米子、极高的载流子迁移率以及超强的力学性能，已成为凝聚态物理及材料科学等领域最近几年来的一个有趣结构。
在石墨烯的二维结构基础上，进一步降低维度，形成例如量子点，纳米带等纳米结构，从而可以导致一系列新的物理现象。
在石墨烯纳米结构中，边缘态是石墨烯的一个重要结构参数，大量的物理现象与边缘态相关。
本报告报道我组最近两年在石墨烯纳米结构边缘态控制、物性研究、以及原型器件探索方面的工作。
报告主要内容包括：
石墨烯的低温外延生长、石墨烯纳米结构的加工与物性、石墨烯电子学器件等。
3.2高温超导体的隧道谱研究
铜氧化物高温超导体从被发现至今，已经过去了二十多年，但是对于它的机理却没有取得共识，一个核心的问题就是它具有非常奇异的正常态（多数情况下在欠掺杂区比较明显）。
由于赝能隙的存在，这个正常态很难被朗道费米液体理论所理解，被认为跟电子的强关联特性相关。
2008年，另一类高温超导体——铁基超导体被发现了，这个新的体系与铜氧化物高温超导体在物理性质上有一定程度的相似性，人们期望通过对它的研究来促进对高温超导电性的统一理解。
然而，随着实验数据的大量积累和人们认识的不断深入，铁基超导体的机理又面临着巡游电子图像和强关联图像的矛盾。
这个报告将介绍高温超导体的隧道谱方面的结果，对高温超导机理的研究提出一些设想。
3.3地震前兆信息的传播、分布和探测
用颗粒物理原理，提出了地震前兆信息传播和分布新模型：
地壳岩石层由板块、断层及其间断层泥构成，应作为大尺度二维颗粒体系处理，孕震作用力使岩石层块逐次发生滞滑（stick-slip）移动，以力链形式分布和传递。
给出了模型的依据和观测例证，分析了与传统连续介质观念的本质区别及其物理实质。
此模型可解释若干以前无法理解的地学现象和岩石中难以探测到地震前兆应力的原因。
介绍了有前景的地震前兆探测方法和原理。
3.4低维氧化物的结构设计与光电物理研究
由于掺杂钙钛矿氧化物半导体的结构复杂性和电子关联体系中的多耦合性，以及人工设计的氧化物低维结构由于界面效应、尺寸效应、量子效应等重要作用，使得该体系显现出了许多优于块材的新型物理性质。
在氧化物异质p-n结中发现超快光电响应的基础上，我们最近发现了比单体
系材料提高了一个数量级的氧化物异质结中的Dember光生伏特效，并在理论上揭示了传统半导体p-n结界面电场主导的横向光电效应和Dember光电效应随着光照能量变化而出现竞争的微观动态过程。
而这些新型人工设计的氧化物异质结由于界面的存在所显示出新效应，新性能不仅具有成为新一代功能器件的前景，它们背后所隐含的微观物理机制，对现有的半导体中的载流子输运、自旋极化、光电效应等理论也提出了新的问题和挑战。
3.5利用表面等离子体共振效应在纳米尺度上对光的调控
表面等离子体共振是金属纳米结构非常独特的光学特性，对基于表面等离子体共振的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子体光子学（Plasmonics）。
金属纳米结构的表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质，例如，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变；一些特殊的纳米结构也可导致局域光电场的显著增强，这使得所吸附分子的拉曼散射强度增强几个至十几个数量级，从而使表面拉曼光谱的探测灵敏度达到单分子水平。
表面等离子体光子学包含非常广泛的研究内容。
随着纳米科学的发展，以表面等离子体共振为基础的研究日益活跃，并派生出众多的研究分支，例如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。
这些研究内容发展和丰富了在纳米尺度上突破了光的衍射极限对光进行调控的多种有效手段，不仅具有重要的基础研究意义，在光学器件的小型化方面也有着重要的实用价值。
本报告结合表面增强光谱的研究阐述如何利用金属纳米结构的表面等离子体共振特性实现在纳米尺度上对光强，光传导和光偏振等光的基本特性的操控。
4.固体物理学的展望
超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。
由于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。
其发展趋势是：
由体内性质转向研究表面有关的性质；由三维体系转到低维体系；由晶态物质转到非晶态物质；由平衡态特性转到研究瞬态和亚稳态、临界现象和相变；由完整晶体转到研究晶体中的杂质、缺陷和各种微结构；由普通晶体转到研究超点阵的材料。
这些基础研究又将促进新技术的发展，给人们带来实际利益。
同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。
5.总结和感想
本文分为四个部分概括性的对固体物理中晶体结构以及其性质，做了简单介绍，并探讨了固体物理的前沿研究现状与一些应用，以及固体物理今后的发展前景。
简明扼要又不失重点，对各个部分详略得当，短短数语便勾勒出固体物理学的整个轮廓，精辟的论述让人兴趣颇厚，影响颇深。
首先，第一部分，本文简单介绍了固体物理学的一些基础知识。
包括概述中就明确了固体物理学的研究对象即固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。
同时提出一系列相关的问题，激发起读者往下读的兴趣，同时这些问题在后文一一作了回答。
紧接着介绍了固体的一些重要性质，包括固体相变、固体磁性、杂志、缺陷以及固体表面的相关内容，正是由于固体具有上述重要性质，使得其存在广泛的研究和应用价值。
然后，简单介绍了晶体的相关概念和知识，包括晶体中格点、基元、原胞、晶胞、魏格拉—赛兹原胞等概念和晶体中一些重要性质包括长程有序、各向异性、均匀性、自限性等概念的介绍，以及晶体按照不同分类方法的划分和7种布拉菲晶系以及14种空间点阵类型。
其次，第二部分，本文开始介绍对固体物理的一些应用。
其中包括用固体材料制成的超导体、半导体物理、表面物理、固体激光器等。
我们知道，高温超导材料的应用大致可分为三类：
大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。
具体而言，大电流应用（强电应用）主要包括超导发电机和磁流体发电机，利用它们可以大大提高发电效率。
电子学应用（弱电应用）主要包括超导磁体计算机和超导输电线路，超导磁体计算机由于不存在散热问题，运算速度将大大提高；而超导输电线路由于没有电能损耗，可以为我们节约大量的电能。
抗磁性应用主要包括磁悬浮列车和核聚变反应堆“磁封闭体”，其中，磁悬浮列车由于不存在摩擦阻力，运行速度将大大提高，每小时可达
500km；核聚变反应堆“磁封闭体”使受控核聚变成为现实，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。
相信在将来，若超导体材料的温度能够被再次大幅提高，其应用还将更加广泛。
而固体物理在半导体材料方面的应用也非常广泛和重要，半导体物理学作为固体物理的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。
表面物理学已经发展成为20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域。
固体激光器的发明大大提高了激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。
除此之外，固体物理在其他如人工微结构物理、量子调控电子学、软物质的结构和功能等本文未展开介绍，感兴趣的读者可以查阅相关资料。
然后，第三部分，本文介绍了固体物理的前沿研究领域，包括石墨烯纳米结构和纳米器件研究，高温超导体的隧道谱研究，地震前兆信息的传播、分布和探测研究，低维氧化物的结构设计与光电物理研究，利用表面等离子体共振效应在纳米尺度上对光的调控研究等。
相信这些研究成果的逐渐应用必将给全人类带来利益。
最后，第四部分，本文对固体物理学作了展望。
其发展趋势是：
由体内性质转向研究表面有关的性质；由三维体系转到低晶维体系；由态物质转到非晶态物质；由平衡态特性转到研究瞬态和亚稳态、临界现象和相变；由完整晶体转到研究晶体中的杂质、缺陷和各种微结构；由普通晶体转到研究超点阵的材料。
而这些基础研究又将促进新技术的发展，给人们带来实际利益，必将大大提高人类生活水平。
以上，对本文做了简单归纳，本文可以作为给即将上《固体物理学》这门课程的同学的入门引导文章，以便让他们对整个固体物理有一个大概的认识和把握，激发他们学习《固体物理学》的浓厚兴趣和学好《固体物理学》的坚定决心。
那么，对于非物理专业的同学，应该怎样去学好固体物理学这门课程呢？
首先，“课堂”和“课后”是学习任何一门基础课的两个重要环节，对固体物理来说也不例外。
课堂上，我们认为高效听讲十分必要，如何达到高效呢？
我们听讲要围绕着老师的思路转，跟着老师的问题提示思考，同时又能提出一些自己不太明白的问题。
对于老师的一些分析，课本上没有的，及时提笔标注在书上相应空白的地方，便于自己看书时理解。
课后，我们在完成作业之前应该先仔细看书回顾一下课堂内容，再结合例题加深理解，然后动笔做作业。
除此之外，我们认为可以借助一些其他教材或辅导资料来扩展我们的视野，不同教材分析问题的角度可能不同，而且有些教材可能更符合我们自己的思维方式，便于我们加深对原理的理解。
总之，课堂把握住重点与细节，课后下功夫通过各种途径来巩固加深理解。
第二，对固体物理的学习，自己的脑海中一定要有几种重要思想：
一是微积分等数学的思想。
固体物理不同与高中物理的一个重要特点就是公式推导定量表示时广泛运用微分、积分的知识，因此，我们要转变观念，学会用微积分的思想去思考问题。
二是矢量的思想。
固体物理中大量的物理量的表示都采用矢量，因此，我们要学会把物理量的矢量放到适当的坐标系中分析，如直角坐标系，平面极坐标系，切法向坐标系，球坐标系，柱坐标系等。
三是基本模型的思想。
物理中分析问题为了简化，常采用一些理想的模型，善于把握这些模型，有利于加深理解。
如力学中
刚体模型，热学中系统模型，电磁学中点电荷、电流元、电偶极子、磁偶极子模型等等。
当然，我们还可总结出一些其他重要思想。
最后，我们还要充分发挥自己的想象力、空间思维能力。
对于有些模型，我们可以制出实物来反映，通过视觉直观感受，而固体物理中还存在大量我们无法直观反映的模型，因此就必须通过发挥自己的想象力来构造出来。
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