固体物理论文
张丹亮1307021050 论文
固体物理基础专题研究学习心得和建议13级物理学术班张丹亮学号：1307021050 固体物理基础专题研究这门课程主要是对固体物理理论的专题化研究，是固体物理理论的深化，通过学会使用相关软件模拟计算晶体的一些性质从而加深对理论的理解，更好的掌握了固体物理。
通过这一学期的学习我收获颇多，接下来我就谈谈自己的一些想法。
固体物理是很抽象的，在于他研究的对象已经不是一般的某个体系，而是涉及组成物体的原子分子之间的结构能量问题，有些类似于原子物理，但又不一样。
想要学好固体物理完全没有必要纠结于难记的公式和复杂的推导，关键是理解固体物理中引进的其它物理分支中没有的概念和研究方法，举个例子，一开始介绍倒格矢，概念很抽象，但是它的目的是研究晶格，晶体性质的，那么就需要站在晶体结构的角度理解它；研究满带，空带，就需要联系分子之间能量来理解它。
要区分微观和宏观研究方法的不同，不要带着以往学物理的方法来学习固体物理。
固体物理作为物理专业一门比较难学的课，大部分学生觉得难，我觉得有以下几个原因：1.基础不扎实。
固体物理是在量子力学的基础上发展起来的，同时又有很多统计力学的应用。
分析力学用的不多，但涉及的东西都是理解的关键，比如正则方程，简正模，变分法，有的时候分析力学成了从第一性原理到第二性原理的桥梁。
这就造成了一些初学者看固体物理教材时到处看不懂，因为他们连构建这座大厦所用的混凝土和脚手架都不熟悉。
2.所花时间太少。
固体物理作为我们专业的限选课，大部分学生除了上课听讲外课后就很少花时间了，这就导致有些人觉得上课讲的知识点听得懂，但是时间久了大部分知识就遗忘了。
3.学习方法不当。
固体物理作为微观世界与宏观世界的桥梁，涉及的东西相对琐碎，我觉得建立模型是固体物理最重要的思想。
现实中的物质太过纷繁，我们必须通过一些模型来简化，而这些模型的建立又基于物质的最基本特征。
因此学习固体物理时一定要把建模放在第一位。
正是因为这些原因我觉得开设固体物理专题这门课程是很有必要的，我也觉得在一周四个课时中前两个课时学习固体理论知识，后两节课学习模拟计算是合理的，因为在学习固体物理理论后，大部分人会觉得有些知识比较抽象难以理解，而后两节课的模拟计算直接形象的展现了一些物理模型，这样就加深了我们的理解。
固体物理小论文[查找资料]
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实际上，任何材料都不是连续的，在微观尺度，每个原子都是分立的，其质量都集中在原子实内，连续介质的振动实际上是所有原子振动的总和，因而，先分析一下独立双原子分子的振动，以获取一个清晰的物理图像，对分析晶格振动是有益的。
晶体原子间的相互作用能从简单入手，我们仍以双原子分子为例。
两原子之间的相互作用能为U(r)，其中r为两原子间的距离；把U(r)在平衡位置r0附近作泰勒展开：(3-3)在平衡位置合力为零，即，当δ很小时，作二级近似，有：(3-4)故恢复力，这就是胡克定律，为屈强系数；以上近似叫简谐近似。
取质心坐标系，，则有，故其固有频率*为.图3-2考虑第n个粒子的受力情况，它只受最近邻粒子的相互作用，即分别受到来自第n-1个粒子及第n+1个粒子的弹性力：;和；从，及合力，得：(3-5)在列出(3-5)式时已假设晶格中足够长，忽略边界，故以行波作试探解，即以代入(3-5)式，，利用，和，有：，即：(3-6)由此看出，格波的波速一般是波长的函数。
(3-6)式代表一维布喇菲格子的色散关系，它正是我们所寻求的结果。
如图3-3所示。
这条色散关系曲线所具有的特征，不仅适用于一维情况，还可以推广到二维和三维。
图3-3*对于一个质量为M的独立的一维简谐振子，如果弹簧的刚度系数为k，则振动动力学方程是Md2x/dt2=kx；这个方程的解为 x=Acos[(k/M)1/2t]；振子的能量包括动能E k和势能E p，E=E k+E p=kA2/2。
设想一条弹簧被截成二段，其屈强系数则变成原来的二倍，如果物体两端各有一条弹簧相连，则其屈强系数还要加倍，此时，设想把两弹簧的另一端分别固定在两面镜子上，则上述物体及其象的振动将构成一维晶格的某一振动模式。
(2)q空间的对称性：第一布里渊区色散关系的周期对称性，其周期为,即.让我们用一个例子来说明其物理起因：考虑和的点，其对应的波长为和，如果后者存在的话，其振动必如图3-5所示。
中国科学院固体物理研究所博士论文
中国科学院固体物理研究所博士论文一键搜索>>>1:Al-Mg合金中的低温内耗峰及其与室温内耗峰的联系(方前峰)2:Bi2212单晶生长及其磁通钉扎研究(赵兵)3:Cu-Zr系机械驱动非晶化及其结构研究(肖克勤)4:Ge-SiO2纳米颗粒镶嵌薄膜的制备、微结构和光学性质研究(岳兰平)5:GH30镍基合金的蠕变和蠕变－疲劳交互作用的研究(王翔)6:InAs-SiO2纳米复合薄膜的制备、结构及物性研究(石建中)7:InSb-SiO2(PTFE)纳米颗粒复合薄膜的制备、结构及其光学特性的研究(朱开贵) 8:MCM-41介孔分子筛及MCM-41/C60组装体系的制备、结构及其发光性质的研究(张晔)9:SiO2、TiO2介孔固体及ZnO/SiO2、Au/TiO2组装体系的制备和物性研究(姚宝殿)10:TiO2纳米粉末的溶胶－凝胶法制备、结构转变及物性研究(丁星兆)11:YBa2Cu3O7-x体材和薄膜的磁通钉扎内耗(文亦汀)12:YBCO大面积双面膜中导体型缓冲层的化学溶液法制备及其结构和性能研究(刘生满)13:ZnFe2O4/TiO2纳米复合薄膜的制备和光学性能研究(晋云霞)14:ZnCrS的CMR效应及相关物性的研究">Zn掺杂尖晶石结构硫化物FeZnCrS的CMR效应及相关物性的研究(王守国)15:半导体和金属纳米材料的制备及自组织生长和物性研究(汪国忠)16:半导体纳米结构及其体系中电子输运性质的研究(游建强)17:半导体纳米线阵列的模板法合成及物性研究(张雪茹)18:铋及硫化铋一维纳米结构的合成与物性研究(田永涛)19:表面修饰的铁酸锌和二氧化钛纳米材料及铁酸锌－二氧化钛纳米复合材料的制备、表征及性能(袁志好)20:超大磁电阻(CMR)薄膜的输运性质以及Jahn-Teller效应与CMR效应间的关系(李可斌)21:超塑性形变过程中内耗的研究(张平)22:磁调节半导体纳米结构中电子自旋输运性质的研究(卢卯旺)23:磁性合金纳米线阵列无电沉积制备及性能研究(袁孝友)24:单晶和竹节晶铝中的扭转高温内耗峰(苏全民)25:氮化镓有序纳米结构体系的合成、结构和物性研究(程国胜)26:低维纳米材料的化学合成和可控生长(张云霞)27:第一原理电子结构计算研究RNi2B2C新型超导体(曾雉)28:电子型掺杂钙钛矿结构锰氧化物的制备及物性研究(杨杰)29:多孔金属－有机纳米结构的合成、表征和选择催化(裘灵光)30:非C纳米管及其它特异形貌一维纳米材料的可控生长(姜治)31:非晶聚合物主转变内耗峰与玻璃化转变的相关性研究(李健)32:分子尺度导体输运性质的第一性原理研究(郑小宏)33:复杂体系的第一性原理计算方法研究(王山鹰)34:复杂体系的电子结构研究(吴骅)35:钙钛矿结构锰基氧化物相分离行为研究(马永青)36:钙钛矿结构铁电薄膜及陶瓷的制备和特性研究(王灿)37:钙钛矿结构稀土锰氧化物薄膜输运性能及其块材内耗的研究(李合琴)38:钙钛矿结构稀土锰氧化物薄膜输运性质及其光诱导效应研究(戴建明)39:高Jc(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy银包套带材制备工艺及混合态输运性质研究(孙玉平)40:高纯铝竹节晶界内耗峰的研究(程波林)41:高温形变过程中动态内耗的实验和理论研究(周浩)42:关联电子体系的基态性质(许英)43:的环境气氛敏感性研究">贵金属/氧化硅介孔组装体系的超声制备及Au、Ag/SiO的环境气氛敏感性研究(陈韦)44:贵金属纳米结构的介孔组装及其液相超声合成(阚彩侠)45:贵金属纳米结构的软化学合成及其光学性质研究(李村成)46:化学气相沉积制备准一维半导体纳米材料及可控生长研究(耿保友)47:基于二维胶体晶体的纳米结构阵列(孙丰强)48:基于二维胶体晶体的纳米结构阵列及物性研究(李越)49:简单熔体输运系数的标度性与普适性研究(黎光旭)50:金/氧化硅和金银合金/氧化硅介孔复合体的制备及物性研究(史华忠)51:金属玻璃Pd77.5Cu6Si16.5在Tg附近的新型内耗峰的研究(李晓光)52:金属玻璃Pd77.5Ni6Si16.5的动态流变行为的研究(马学鸣)53:金属团簇与小分子相互作用的第一性原理研究(袁定旺)54:具有复杂磁性结构体系的第一性原理电子结构研究(胡文英)55:聚对苯二甲酸乙二醇酯/Silica纳米复合材料的制备和性能研究(刘文涛)56:量子点和量子花样体系电子填充性质的研究(戴振宏)57:铝多晶、铝单晶在低周拉压循环过程中的早期阶段的行为研究(王静)58:铝合金中反常位错内耗的实验和理论研究(朱爱武)59:铝镁合金中的高温反常内耗峰(谭启)60:铝铜合金中的内耗谱(崔平)61:锰氧化合物巨磁电阻机理及相关物性的理论研究(邹良剑)62:钼酸镧系新型氧离子导体的氧离子扩散和导电机理研究(王先平)63:纳米GaAs镶嵌在SiO2介质中的薄膜制备、结构和光学性质的研究(石旺舟) 64:纳米Mg2Si及其块体复合材料的制备、性能与应用的研究(王莉)65:纳米材料的化学制备方法研究及部分纳米级钛酸盐的光学特性(彭子飞) 66:纳米硅的制备和光学性质研究(朱勇)67:纳米和纳米复合氧化铝陶瓷的烧结、增强和增韧研究(李广海)68:纳米结构体系的结构特征及其物理性质的重正化群研究(颜晓红)69:纳米结构氧化钛微阵列体系和金属复型阵列模板的制备、结构和物性研究(雷勇)70:纳米结构中的量子输运研究(曾朝阳)71:纳米金属和合金固体的制备、结构与物性研究(秦晓英)72:纳米颗粒介孔组装体系的环境敏感性(毕会娟)73:纳米钛酸铋及其固溶体铁电材料的制备和电性能研究(江安全)74:纳米硒物化和生物特征(张劲松)75:镍团簇在金表面上结构、磁性和扩散的理论研究(范巍)76:泡沫Al的制备及性能研究(韩福生)77:泡沫铝的动态力学性能及物理性能研究(凤仪)78:强关联体系的电子结构研究(钱湄杶)79:热弹性马氏体相变的低频内耗行为及其理论(宫晨利)80:热历史及共混对高聚物Tg附近动态力学行为影响的研究(王亚明)81:蠕变机制和蠕变过程内耗机制的研究(蔡彬)82:双层钙钛矿结构锰基氧化物电磁性质及光诱导效应研究(张瑞丽)83:陶瓷－金属复合材料氢渗透研究(宋文海)84:锑纳米线和锑/铋、银/铋纳米线异质结微阵列的制备和电输运性能研究(张勇) 85:铁电BaTiO3薄膜和纳米Ag-BaTiO3复合薄膜的制备、结构及物性研究(王冰) 86:铁基合金阻尼特征的研究(周正存)87:同轴纳米线与半导体纳米线的制备及物性研究(吴兴才)88:团簇和表面氧化过程的第一性原理计算研究(李顺方)89:团簇结构和物性的分子动力学研究(孙得彦)90:推广模拟退火方法及应用(向阳)91:微管模板法制备低维镍纳米材料及相关物性研究(付玉彬)92:无序体系的理论研究(龚新高)93:无序体系微观结构的分子动力学模拟研究(刘长松)94:稀土掺杂长余辉及氧化锌纳米材料的制备与性能研究(程抱昌)95:稀土氧化物纳米材料的可控合成及相关物性研究(王贵)96:新型超导材料的电子结构研究(王江龙)97:氧化物团簇、碳管与小分子相互作用的计算研究(陈刚)98:氧化物一维纳米材料的合成及光学性能研究(杨雷)99:氧化物准一维纳米材料及其复合结构的合成与物性研究(孙书会) 100:液基纳米金属颗粒的制备及表面效应对其物理性质的影响(费广涛)。
大学固体物理论文
大学固体物理论文哎呀，一提到大学固体物理，那可真是一门让人又爱又恨的学科啊！先来说说固体物理到底是个啥。
这玩意儿研究的是固体的结构、性质以及它们之间的关系。
你看那晶体，排列得整整齐齐，就像阅兵式上的方阵；再看那非晶体，乱得毫无章法，却也有自己独特的“魅力”。
记得我上大学那会，有一次老师在课堂上讲晶体的晶格结构，我听得云里雾里的。
课后，我跑到图书馆，找了一堆相关的书籍，打算自己好好研究一番。
那时候的我，就像一个在知识海洋里拼命游泳的人，却怎么也找不到岸。
我坐在图书馆的角落里，一本一本翻着那些厚重的书，眼睛都快看花了。
好不容易弄明白了晶格常数的概念，却又被倒格子空间给难住了。
咱们再来说说固体物理中的那些重要概念。
比如说能带理论，这可是理解固体导电性的关键。
就好比在一个大商场里，不同的楼层卖着不同价格的商品，而能带就像是这些楼层，电子在里面跳来跳去，决定了固体是导体、半导体还是绝缘体。
还有声子，它可不是什么音乐里的音符哦，而是晶格振动的能量量子。
想象一下，晶体里的原子们就像一群调皮的孩子，在不停地跳动，而声子就是它们跳动的“节奏”。
固体物理的应用那也是相当广泛。
从我们日常用的手机芯片，到超级计算机的核心部件，都离不开固体物理的知识。
就拿半导体来说吧，通过控制掺杂的浓度和类型，可以制造出各种各样的半导体器件。
这就像是厨师做菜，根据不同的食材和调料，做出一道道美味佳肴。
在学习固体物理的过程中，做实验也是必不可少的一部分。
有一次，我们做一个关于测量晶体电阻的实验。
我小心翼翼地连接着电路，眼睛紧紧盯着仪器上的数字，生怕出一点差错。
当看到数据逐渐稳定，并且和理论值相差不大的时候，我心里那叫一个激动，感觉自己就像一个成功破解谜题的侦探。
总之啊，大学固体物理这门课虽然难度不小，但只要你用心去学，就会发现其中的乐趣和奥秘。
它就像一座神秘的城堡，等待着我们去探索和发现。
希望正在学习这门课的同学们，不要被困难吓倒，勇敢地向前冲，相信你们一定会有所收获的！。
大学固体物理论文
固体物理论文题目固体物理的发展与前景姓名李...学号20102942..专业年级物理指导教师陈..固体物理的发展与前景摘要：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一些应用，以及它在国家项目中的情况和今后的发展前景。
关键字：晶体结构，固体物理，固体激光器，固体表面物理化学。
一、固体物理学研究的对象固体物理学是研究固体的结构及其主城的粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用于运动规律，以阐明其性能与用途的学科。
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。
以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。
这类研究统称为凝聚态物理学。
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，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，固体物理学的成就包括各种优异的半导体材料、超导体材料、磁性材料、合金材料、人造晶体、超大规模集成电路等。
而且，其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。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。
其经济影响和社会影响是革命性的。
这种影响甚至在日常生活中也处处可见。
二、固体物理中的测量固体物理奠基于上世纪三十年代，开始在简单固体的领域中取得成果，采用的主要是“还原论”的思维方法，即将复杂事物尽可能还原为简单，寻找一定的规律后再用于复杂体系。
在历经约半个世纪的发展，所研究的对象越来越复杂，高温超导电性、量子霍尔效应、巨磁阻、纳米材料、软物质、分子磁性、聚合物、人工导电材料等等一一进入研究领域。
研究工作的发展带来了新的思维，逐步形成新的观点和新的理论体系。
固体物理论文 超导的应用
固体物理论文-超导的应用学院：物理与电气工程学院专业：物理学班级：10级学号：101101086姓名：仲小亚超导的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。
②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。
③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。
利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。
超导在强电方面的应用由于传统的电力输送过程中，送电、变电、配电的每一步都有电阻存在，大量的电力在输送过程中被白白浪费了，而且为了实现远距离送电，为了克服电阻还要用非常高的电压。
而使用超导体输送电力既安全又省钱，一旦成功，将彻底改变目前电力工业的状况。
在高温超导热的年头，室温超导似乎呼之欲出，如果使用室温超导体送电，不需要液氮，其优点是十分明显的。
超导在强磁方面的应用由于用超导体可以实现磁体所达不到的大面积的或高磁强的磁强，所以它已被广泛地运用在各个领域中。
目前人们已经能制造出最高达19万高斯的中小型超导磁体，如果将超导体和常规磁体以适当的方式结合使用，则已获得高达30多万高斯的磁强。
目前，在一些已经建成的或正在建设的大型加速器中，也已经使用了或正准备使用超导磁体。
在能源方面，聚变反应能释放出更多的能量。
而为了使核聚变反应持续进行，必须将处于1亿度到2亿度高温的等离子体高密度的约束起来，在如此高温的情况下，任何约束它的容器都会被熔化或气化。
后来，人们想到用磁强作为一个“磁笼”的话，就可以把高温等离子约束起来。
要造成这种高达几万甚至几十万高斯以上的强磁强，当然只能依靠超导体了。
利用超导约瑟夫森效应随着60年代约瑟夫森效应的发现，超导体在弱磁强、弱电流的电子器件中也获得了广泛的应用。
固体物理小论文
固体物理小论文1.引言 (2)2.晶体结构分析 (3)3.结合能计算 (4)4.振动谱 (7)5.能带结构 (8)6.输运性质 (8)7.参考文献 (10)引言在本学期学习了固体物理之后，我学会了分析晶体结构性质的一些通用的基本的方法。
但当我想用这些方法分析一些晶体时，都发现很多的晶体结构都较为复杂，我们所学到的知识可能尚不足以处理这些晶体，因此我最终决定选择NaCl这种我们生活中最为常见的晶体，一是因为NaCl晶体是简立方式的结构(此处简立方不对钠离子和氯离子作分辨)，结构简单，适于练习，二是因为NaCl是我们生活中最为常见的一种物质，分析其性质颇有一种用物理学的眼光审视生活的感觉，三是因为NaCl作为一种简单结构的晶体，历史上已有很多人研究过并研究的较为透彻，很容易找到相关的资料，容易将计算的结果与他们的结果进行比较，并分析原因。
晶体结构X射线衍射是研究晶体结构性质的有力手段，利用x射线衍射图谱可以很好的分析晶体的结构类型，而利用布拉维定律可以分析对应晶面的间距，我们就利用NaCl的衍射图样来分析NaCl晶体的结构：(原计划想找到关于NaCl晶体X射线衍射的实验数据，计算得到NaCl晶格常数等数据，并与通用数据相比较，但是由于各种原因，在网上找到的大部分资料都只有NaCl衍射图样，而没有给出具体的波长，没法进行计算。
)仅能做简单分析:1）确定晶体类型：NaCl的衍射图样为：由于fcc晶体有：F hkl=(1+cosπ(h+k) +cosπ(h+l) +cosπ(l+k)),hkl 全奇全偶出现衍射峰，因此NaCl为面心立方结构晶体，另外还可以通过假设原胞结构，由此计算出衍射因子，并与实验结果相比较，直至拟合出相符合的结果，从而推断出NaCl原胞内部的结构，由于实验数据及能力的限制，这里不做推导，而按照相关资料所说的。
NaCl原胞由一个Na离子和一个Cl离子构成，且Na离子，Cl离子交错形成简单立方式的结构。
【完整版毕业论文】固体力学毕业论文
【完整版毕业论文】固体力学毕业论文摘要：本文旨在深入探讨固体力学的基本理论、研究方法及其在工程实践中的广泛应用。
通过对固体材料的力学性能、变形和破坏机制的研究，为相关领域的设计和分析提供了坚实的理论基础。
关键词：固体力学；力学性能；变形；破坏机制一、引言固体力学作为力学的一个重要分支，主要研究固体材料在受到外力作用时的变形、应力和应变分布，以及固体材料的破坏和失效规律。
它在工程领域中具有广泛的应用，如机械工程、土木工程、航空航天工程等，对于保障结构的安全性和可靠性具有重要意义。
二、固体力学的基本理论（一）应力和应变分析应力是指单位面积上所承受的内力，应变则是描述物体变形程度的物理量。
通过应力和应变的分析，可以了解固体材料在受力情况下的内部状态。
（二）弹性力学理论弹性力学主要研究固体材料在弹性范围内的变形和应力分布。
胡克定律是弹性力学的基本定律，它描述了应力与应变之间的线性关系。
（三）塑性力学理论当固体材料所受应力超过弹性极限时，会发生塑性变形。
塑性力学研究材料的塑性行为，包括屈服准则、塑性流动法则等。
三、固体材料的力学性能（一）强度特性强度是固体材料抵抗破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
材料的强度特性与其化学成分、组织结构和加工工艺等因素密切相关。
（二）刚度特性刚度是指固体材料抵抗变形的能力，通常用弹性模量来衡量。
不同材料的弹性模量差异较大，这决定了它们在受力时的变形程度。
（三）韧性和脆性韧性材料在断裂前能够吸收较多的能量，具有较好的抗冲击性能；脆性材料则在断裂前几乎不发生塑性变形，断裂突然发生。
四、固体力学的研究方法（一）理论分析方法通过建立数学模型，运用力学基本定律和方程求解应力、应变和位移等物理量。
（二）实验研究方法通过实验测量材料的力学性能和结构的响应，为理论分析提供验证和补充。
（三）数值模拟方法利用计算机软件对固体力学问题进行数值求解，如有限元法、有限差分法等。
五、固体力学在工程中的应用（一）机械结构设计在机械零件和设备的设计中，需要考虑材料的力学性能和受力情况，以确保结构的强度、刚度和稳定性。
固体物理专题版论文
张三物理学院物理学班00000000000000一维单原子链中点缺陷局域模的研究摘要：晶体原子在格点附近的振动称为晶格振动（Crystal lattice vibration），格点在晶体中表示原子的平衡位置。
从经典力学的观点来看，晶格振动是个力学中的微小振动问题, 只要是力学体系自平衡位置发生微小位移时，这个力学体系的运动都是小振动。
固体的许多性质都可以基于静态模型来理解（即晶体点阵模型），即认为构成固体的原子在空间做严格的周期性排列，在该框架内，我们讨论了X 光衍射发生的条件，求出了晶体的结合能，以后还将在此框架内，建立能带论，计算金属大量的平衡性质。
然而它只是实际原（离）子构形的一种近似，因为原子或离子是不可能严格的固定在其平衡位置上的，而是在固体温度所控制的能量范围内在平衡位置附近做微振动。
只有深入地了解了晶格振动的规律，更多的晶体性质才能得到理解。
如：固体热容，热膨胀，热传导，融化，声的传播，电导率，压电现象，某些光学和介电性质，位移性相变，超导现象，晶体和辐射波的相互作用等等。
简正振动和振动模可以用来描述它。
所以晶格的振动模之所以具有波的形式，是因为晶格具有周期性，而晶格的振动模称为格波。
在晶体中所有原子都参与的一种振动模式表示为一个格波。
格波具有光学波和声学波两种模式或两类。
声子即为格波能量的量子，声子有光学波声子和声学波声子之分。
晶格振动（或者声子）与晶体的电导、热导、比热等都有关系。
关键词：晶格振动；点缺陷；杂质；一维单原子链；局域模；引言晶体中原子的一种最基本的运动方式即为晶体中原子围绕其平衡位置所作的微小振动。
晶格具有周期性，所以，晶格的振动模具有波的形式，我们称其为格波。
格波和一般连续介质波有共同的波的特质，但也有不同的特点。
在晶体中产生格波是由于原子间的相互作用力的存在，当原子间的相互作用力符合虎克定律时，格波即为简谐波。
格波独立存在，不发生相互作用。
倒格子空间中的第一布里渊区内的波矢可以用来描述晶体中的所有格波。
物理教学研究论文：应用型大学固体物理课程的实践与探索
物理教学研究论文：应用型大学固体物理课程的实践与探索在刚刚审议的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要中[1]，强调了在十四五时期坚持创新驱动发展，提升企业技术创新能力，同时要求了激发人才创新活力，加强应用型人才培养。
这说明在未来的发展中，需要进一步深化产业升级转型，尤其是处于行业瓶颈的半导体产业、新材料、新能源产业等[2]。
这就要求大学的本科教育，尤其是应用型本科教育能够培养出有一定学科知识基础的，又能将所学知识应用到产业发展和产业实践中去的应用型人才。
不同于研究型大学物理类专业，对应用型大学材料类专业来说，固体物理是一门重要的专业课，同时也是半导体材料、光电二极管材料等重要专业方向课的先行课。
固体物理课程本身难度较大，许多物理概念新颖而抽象，知识如果理解不到位，实践便成了空谈。
这就要求我们对现有的固体物理教学模式进行一定的改革与探索，要求我们能够在形象地讲授固体物理的知识体系和思维方式的基础上，将课堂内容与产业实践有机地结合起来，以满足培养相关产业的应用型人才需求。
1 应用型大学教学的目标与特征对于应用型大学来说，人才培养的主要目标是培养具有扎实专业基础与一定实践能力的应用型人才[3]，这就要求教师在教学的过程当中，一定要把传授的知识落到实处。
根据作者多年在应用型大学的亲身教学经历，应用型大学的学生有如下特点：第一，应用型大学的学生，尤其是理工科的学生，偏科现象较严重，普遍理工类的科目表现较好，而比较偏重文科和语言表达类的科目表现较差。
第二，应用型大学的学生数学敏感度和想象力较弱，导致对纯数学类课程的积极性不高。
这里可以通过计算机辅助、建模辅助等教学手段，给出学生直观的函数图像，加深学生对数学函数及其衍生意义的理解[4]。
第三，应用型大学的学生，就业倾向和需求较明确，更愿意解决实际实践问题，在课堂学习方面更希望了解与生产实际以及工程实际相关联的部分。
所以，在固体物理的教学中，适当地加入和半导体材料与器件相关联的应用案例讲解，可以更好地实现与生产实际相结合[5]。
固体物理在永磁中的应用的文章
固体物理在永磁中的应用的文章随着科学技术的发展，固体物理学正在发挥着越来越重要的作用，推动着科学技术的发展。
在这个由信息技术驱动的时代，磁性材料发挥着越来越重要的作用。
在永磁体中，固体物理学尤为重要。
永磁体是一种由磁性材料构成的耐高温磁性体，它不仅用于电力系统，而且具有广泛的工程应用。
永磁体由两种不同的材料组成：磁畴和磁矩，并靠以下四个物理量控制磁性：磁阻率，磁电阻，磁导率和磁滞现象。
因此，对永磁体的物理属性进行准确的测试和研究是非常重要的。
固体物理学可以帮助我们精确地了解永磁体的物理性质和行为，从而更好地控制磁性。
例如，材料的磁畴属性可以通过研究固体物理学中的热膨胀理论，以及材料的结构和组成，来准确地测量。
除此之外，磁电阻可以通过固体物理学中的电子结构理论来准确测量。
此外，通过研究固体物理学中的电子结构理论还可以测量永磁体的磁导率。
另一方面，永磁体的磁滞现象也可以通过固体物理学研究来理解。
如果对磁滞现象进行准确的测量，就可以更加深入地了解永磁体的特性，从而更好地控制磁性。
另外，永磁体的热态特性也可以通过固体物理学来研究。
固体物理学中有许多方法可以用于研究热态特性，例如凝状态统计物理学，热力学和热属性。
通过研究这些理论，可以更深入地了解永磁体的热态特性，从而更好地利用这些特性。
总之，固体物理学在永磁中发挥着重要作用。
它可以帮助我们精确地了解永磁体的物理性质和行为，从而更好地控制磁性。
此外，它还可以更深入地了解永磁体的热态特性，从而更好地利用这些特性。
正是由于固体物理的重要性，永磁体的应用领域正在不断扩大，推动着科学技术的发展。
固体物理课题论文
国外自1987年光子晶体概念的提出至90年代初期，这期间的研究主要是集中在光子晶体禁带的理论计算和微波波段光子晶体的实验研究方面。之后，有关红外波段、可见光波段、微纳米尺寸光子晶体的研究逐步开展起来，并在制作和加工方面取得了一定的突破，为光子晶体应用于各种光学器件及计算机领域奠定了基础。然而，由于我国对光子晶体的研究起步比较晚，目前研究还主要集中在光子晶体带隙特性的理论分析和计算上。国内对光子晶体的研究，起初主要局限于从事凝聚态物理研究的几所高校，如南京大学、复旦大学、浙江大学等。由于这些单位长期从事固态结构的研究，所以得到的信息也早，不过，他们主要的研究工作也仅仅局限于光子晶体带隙特性的理论分析和计算上。复旦大学应用表面物理国家重点实验室剑教授，提出了光子带隙材料异质结构和量子陷阱结构以及可以用二维光子带隙材料来制作的偏振器等。他们开展了光子带隙材料在国防科技上的应用，从理论上证明了光子带隙材料制作红外隐身材料的可行性等。
《固体物理》课程论文
题目:一维光子晶体的能带结构研究
系别:化学与材料工程系
专业:粉体材料科学与工程
班级:粉体（2）班
学号:1103012034
姓名:王慧慧
一维光子晶体的能带结构研究
摘要：
“光子晶体"的概念是1987年S．John和E．Yabloncvitch分别提出来的。而在当今世界，科学家们在不断研究电子控制的同时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子。与此同时随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光的控制。因此近年来光子晶体得到深入广泛的研究与应用。
固体物理学以其应用
固体物理学以其应用 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN南京理工大学《Materials Physics》结课论文固体物理学及其应用学院: 材料学院姓名：BUI DUC THU学号：914116010002目录引言 (1)1 固体物理学 (1)1.1 固体物理学概述 (1)1.2 固体理论和应用 (1)2半导体物理 (1)2.1半导体物理的概述 (1)2.2定义和分类 (2)2.3半导体的物理特性 (2)3固体物理的应用 (7)3.1固体物理在人工结构上的应用 (7)3.2固体物理在新功能材料的应用 (10)4 总结 (13)固体物理学及其应用引言材料的晶体结构是固体物理学的重要内容，而晶体的周期性是固体物理的核心基础。
晶体的周期性体现为晶格的周期性。
晶格的周期性产生了声子。
晶格周期性对电子的影响用Block定律来描述。
晶格周期性对电子的影响体现为电子能带。
固体物理学的这些概念可运用于金属，半导体，超导等一系列不同物质和物质状态。
本论文详细介绍了半导体物理学并描述了固体物理学在不同物质状态下的应用。
1固体物理学1.1固体物理学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。
固体物理是微电子技术，光电子技术，能源技术，材料科学等技术的基础。
固体物理学涉及到固体的许多重要领域如固体的晶体结构，晶体原子动力学，晶体的电，磁，光性质，固体的结合和固体中的电子，能带理论，紧束缚电子模型等内容，而重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去简明和解锁这些性质，并找到调控这些性质的方法。
1.2固体理论和应用固体物理的重点内容是研究晶体中的周期性以其周期性结构中波的传播问题。
晶体的周期性体现为晶格的周期性，晶格的周期性又对电子的影响能用Block定理来描述。
而波在周期性结构中传播有特征是: 无论是弹性波，电磁波，德布罗意波相关理论的共同点是充分利用了晶体结构中的周期性，使问题变得简化，因此作为实空间变换而得到的波矢空间的重要性就被突出出来，波矢空间的基本单位是布里渊区，因此了解布里渊区内部和边界上的能量波矢关系就成为解决具体问题的关键。
固体物理概论论文
固体物理概论学院：物理与电气工程学院专业：物理学班级：10级学号：101101060姓名：吴晓锋1．固体物理简介固体物理学是凝聚态物理的主干，近二三十年研究工作有很大发展。
它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。
它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。
简单地说，固体物理学的基本问题有：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？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。
2．中国固体物理发展及成就中国科学院建立以后，组建了以固体物理为主要研究方向的应用物理研究所，他们和一些高等院校一起，推动了晶体学、低温技术、磁学、固体强度与范性学的研究工作的发展。
1958年，在新建的中国科学技术大学内设置了以凝聚态物理为专业的技术物理系。
1977年中国科学院召开的新学科规划会议上，把表面物理、非晶态物理、固体缺陷、相变和高临界温度超导体确定为凝聚态物理的发展重点。
这一时期，在北京、上海、昆明、长春、合肥等地建立了相应的研究机构。
各地的高等院校也取得了一些重要研究成果。
到1990年，中国的凝聚态物理研究的分支学科，已发展成为包括晶体学、晶体生长、磁学、半导体物理、电介质、非晶态物理、表面物理、低温物理、高压物理、固体缺陷、内耗以及固体离子学等十多个分支的大领域；研究机构已发展到十多个研究所和高校研究室，研究人员已达两千多人。
晶体中发生电子跃迁时，常常会伴随着发生晶格能量的改变，表现为晶体中电子跃迁的光吸收和光发射具有复杂的与温度有关的谱线形状。
这个问题对认识晶体的光学和光电性质、认识晶体中激发出来的载流子的运动和寿命等都有重要意义。
1950年，黄昆和里斯（A．Rhys）在“F心的光吸收和非辐射跃迁的理论”中首次对这个问题给出了完整的理论处理。
固体物理论文
固体物理论文题目：固体铁磁性的物理本质学生姓名：邹之全学号： 20114380104 撰写日期：2014年4月30日摘要本文用半经典方法、唯象的方法以及微观角度分别讨论抗磁性、顺磁性和铁磁性固体的物理本质关键词磁化率, 原子磁矩, 磁场，温度，自发磁化，铁磁性目录1、引言： (1)2、固体磁性的分类及其特征 (1)3、正常抗磁性的半经典理论解释 (2)4、顺磁性的半经典理论解释 (3)5、铁磁性固体唯象理论 (5)5.1居里定律 (5)5.2外斯(Weiss)“分子场”理论 (5)5.3居里外斯定律 (6)5.4铁磁性的随温度变化的本质 (6)6、结束语 (8)7、参考文献 (9)1、引言：物质的磁性按他的不同特点可以分为强磁性以及弱磁性。
弱磁性只有在具有外磁场存在时才会有所表现，并且随着外磁场强度的增加而增大。
依据磁化强度的不同，弱磁性将分为顺磁性与抗磁性。
而强磁性表现在，不存在外场的时候物质本身会自已发生磁化现象，我们将这种现象称之为自发磁化现象。
为了减少体系中含有的能量，铁磁体内部自发的被分为许多小的区域，自发磁化在每个区域的方向都不相同，在这种没有外场的情况下，由自发磁化所产生的各个方向的磁矩就相互抵消了。
也就是总磁矩为零。
因此，在没有外加磁场作用在铁磁体上时，铁磁体并不显像出磁性。
【1】2、固体磁性的分类及其特征[2]固体的磁性按其不同性质，可分为抗磁性、顺磁性以及铁磁性三钟。
固体的原子的磁矩的相互作用和对外磁场的响应强度将导致固体的磁性发生变化。
固体的磁性一般是以磁化率χ来描述。
在外磁场中B，磁化率定义为：BM0μχ=其中M 为磁化强度，B为外磁场感应强度，0μ为真空磁导率。
根据大量实验结果，我们可以估计磁化率的大小，抗磁性固体磁化率的χ大小约-10-5~-10 -6数量级, 并且在温度变化时几乎不会发生改变;顺磁性固体磁化率的χ大小约10-2~10-5数量级。
χ与温度的变化呈现下式关系TC=χ（C 为居里常数），铁磁性固体χ拥有一个临界的温度C T ,当温度高于C T 时，铁磁性固体将变为顺磁性并满足关系cT T C-=χ（C T 为居里温度）。
浅谈固体物理学中的基本理论--固体物理基础课程小论文
浅谈固体物理学中的基本理论——固体物理基础课程小论文姓名：学号：班级：新能源1301时间：2015年12月浅谈固体物理学中的基本理论摘要：固体物理是物理学领域中最为活跃的一个学科之一，它从电子、原子和分子的角度研究了固体的结构和性质。
它与普通物理、热力学与统计物理、材料科学，特别是量子力学等学科有着密切关系。
固体物理着重研究的是晶格振动和晶体的热学性质、自由电子论和能带理论、半导体、固体的磁性、超导体等。
本文将一固体物理基础课程所学内容为基础，结合所看所思所感对固体物理中的基本理论知识作出简单的分析。
关键词：固体物理；能带理论；晶体缺陷；晶格振动；红外物理1.晶体参数及固体物理中的态函数1.1晶体参数不同的晶面和晶向具有不同的原子排列和不同的取向。
材料的各种物理性质、力学行为、相变、X光和电子衍射特性等都和晶面、晶向有密切的关系。
为了研究和描述材料的性质和行为，首先就要设法表征晶面和晶向。
为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通用密勒（Miller）指数来统一标定晶向指数与晶面指数。
1.1.1晶向指数[uvw](1)建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上(2)选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)(3)将xa，yb，zc化成最小的简单整数比u，v，w，且u∶v∶w = xa∶yb∶zc(4)将u，v，w三数置于方括号内就得到晶向指数[uvw]1.1.2晶面指数(hkl)(1)建立一组以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，令坐标原点不在待标晶面上，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c(2)求出待标晶面在a，b，c轴上的截距xa，yb，zc（该晶面与某轴平行，则截距为∞）(3)取截距的倒数1/xa，1/yb，1/zc(4)将这些倒数化成最小的简单整数比h，k，l，使h∶k∶l= 1/xa∶1/yb∶1/zc(5)如有某一数为负值，则将负号标注在该数字的上方，将h，k，l置于圆括号内，写成(hkl)，则(hkl)就是待标晶面的晶面指数1.1.3倒格子由于一个晶面系包含所有个点，而任意两格点间所通过的平行晶面数总是个整数。
固体物理专题版论文
张三物理学院物理学班00000000000000一维单原子链中点缺陷局域模的研究摘要：晶体原子在格点附近的振动称为晶格振动（Crystal lattice vibration），格点在晶体中表示原子的平衡位置。
从经典力学的观点来看，晶格振动是个力学中的微小振动问题, 只要是力学体系自平衡位置发生微小位移时，这个力学体系的运动都是小振动。
固体的许多性质都可以基于静态模型来理解（即晶体点阵模型），即认为构成固体的原子在空间做严格的周期性排列，在该框架内，我们讨论了X 光衍射发生的条件，求出了晶体的结合能，以后还将在此框架内，建立能带论，计算金属大量的平衡性质。
然而它只是实际原（离）子构形的一种近似，因为原子或离子是不可能严格的固定在其平衡位置上的，而是在固体温度所控制的能量范围内在平衡位置附近做微振动。
只有深入地了解了晶格振动的规律，更多的晶体性质才能得到理解。
如：固体热容，热膨胀，热传导，融化，声的传播，电导率，压电现象，某些光学和介电性质，位移性相变，超导现象，晶体和辐射波的相互作用等等。
简正振动和振动模可以用来描述它。
所以晶格的振动模之所以具有波的形式，是因为晶格具有周期性，而晶格的振动模称为格波。
在晶体中所有原子都参与的一种振动模式表示为一个格波。
格波具有光学波和声学波两种模式或两类。
声子即为格波能量的量子，声子有光学波声子和声学波声子之分。
晶格振动（或者声子）与晶体的电导、热导、比热等都有关系。
关键词：晶格振动；点缺陷；杂质；一维单原子链；局域模；引言晶体中原子的一种最基本的运动方式即为晶体中原子围绕其平衡位置所作的微小振动。
晶格具有周期性，所以，晶格的振动模具有波的形式，我们称其为格波。
格波和一般连续介质波有共同的波的特质，但也有不同的特点。
在晶体中产生格波是由于原子间的相互作用力的存在，当原子间的相互作用力符合虎克定律时，格波即为简谐波。
格波独立存在，不发生相互作用。
倒格子空间中的第一布里渊区内的波矢可以用来描述晶体中的所有格波。
固体物理考试小论文-图文
固体物理考试小论文-图文***大学固体物理小论文课题名称：固体物理学院（系）：年级专业：学生姓名：学号：固体物理答卷一、倒格子倒格子空间摘要：倒格子（Reciprocal lattice）是固体物理学专业术语。
和布拉发矢量（晶格矢量）共轭的另一组矢量基，俗称动量空间，适合于用来描述声子电子的晶格动量。
关键词：固体物理、倒格子、倒格子空间1、试论倒格子、倒格子空间的基本概念、与正格子的关系以及在固体物理研究中的意义和作用。
实例：对于由碳原子排列成正六边形网状结构二维晶体的石墨烯（如图，设六边形的边长为a）（1）选定原点，画出它的一个原胞和原胞基矢，并计算原胞的大小。
（2）石墨烯晶格是简单格子还是复式格子？为什么？（3）画出石墨烯晶格的倒格子图形，给出说明，并在图上标示出第一布里渊区。
解：（1）倒格子定义：假定晶格点阵基矢a1、a2、a3（1、2、3表示a的下标，粗体字表示a1是矢量，以下类同）定义一个空间点阵，我们称之为正点阵或正格子，若定义b1=2π(a2×a3)/νb2=2π(a3×a1)/νb3=2π(a1×a2)/ν其中v=a1·(a2×a3)为正点阵原胞的体积，新的点阵的基矢b1、b2、b3是不共面的，因而由b1、b2、b3也可以构成一个新的点阵，我们称之为倒格子（2）倒格子空间定义：由倒格子所构成的空间就是倒格子空间。
（3）与正格子的关系：由倒格子的定义知：a1、a2、a3是一个正格子空间晶固体物理答卷格基矢；b1、b2、b3是倒格子晶格基矢。
他们间的关系b1=2∏（a2xa3）/Vb2=2∏（a3xa1）/Vb1=2∏（a1xa2）/V（4）在固体物理中的意义：①倒格子中的一个基矢对应于正格子中的一族晶面，也就是说，晶格中的一族晶面可以转化为倒格子中的一个点，这在处理晶格的问题上有很大的意义。
例如，晶体的衍射是由于其中一种波和晶格互相作用，与一族晶面发生干涉的结果，并在照片上得出一点，所以，利用倒格子来描述晶格衍射的问题是极为直观和简便的。
本科固体物理课程论文-pn结场致发光
本科《固体物理课程》论文pn结的场致发光姓名：班级：学号：专业：学院：PN结的场致发光一、前言：随着社会的发展和科学技术的提高，LED照明技术逐渐发展起来。
LED技术的发展，将会使我们人类的生活发生很大的变化，对人类社会也将产生巨大的影响。
LED是发光二级管LightEmitting Diode英文的简称，是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。
世界上于1960 年前后制成GaP发光二极管，于1970 年后开始进入市场，当时的LED 以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。
随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步LED 光色种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED 已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。
尤其是近年来高光效、高亮度的白色LED 的开发成功，使得LED 在照明领域的应用成为可能。
人们普遍认为，LED 在不久的将来将部分代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的照明光源，那将是一场照明领域的革命。
二：原理1、pn结Pn结是发光二级管的主要部件，下面先介绍一下pn结的结构及特性。
（1）载流子的转移用掺杂的方法使同一块半导体中一部分区域为P型区另一部分区为N型区，在界面处就形成了pn结。
P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。
为了达到热平衡状态，就会出现载流子的转移：电子从功函数小的半导体发射到功函数大的半导体去，或者载流子从浓度大的一边扩散到浓度小的一边去。
对于同质结而言，载流子的转移机理主要是浓度梯度所引起的扩散；对于异质结（例如Si-Ge异质结，金属-半导体接触）而言，载流子的转移机理则主要是功函数不同所引起的热发射。
（图a）（2）空间电荷和内建电场的产生同质p-n结的形成：在p型半导体与n型半导体的接触边缘附近处，当空穴从p型半导体扩散到n型半导体一边去了之后，结果在p型半导体中留下了不能移动的电离受主中心——负离子中心，同理由于n型半导体中的电子向p型半导体一边扩散，结果在n型半导体中留下了不能移动的电离施主中心——正离子中心。
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论文成绩Xxxx固体物理论文题目光子晶体的研究及其应用姓名xxx学号xxxxxxx专业年级xxxxxxxxx指导教师xxxxxxxxx2011年9月6日目录摘要 (2)关键词 (2)The research and application of photonic crystals (2)Abstract (2)Keyword (2)前言 (2)1 关于光子晶体的理论研究 (4)1.1平面波法 (5)1.2 差分或有限差分法 (5)1.3 转移矩阵方法 (5)1.4 N阶法 (6)1.5 超元胞法和格林函数法 (6)2 光子晶体的制备 (7)3 光子晶体的应用 (8)3.1光子晶体光纤 (8)3.2 光子晶体的其他用途 (9)4.光子晶体应用展望 (10)参考文献 (11)光子晶体的研究及其应用摘要光子晶体是80年代末提出的新概念和新材料.本文简单叙述了光子晶体及其理论研究，并重点阐述了光子晶体的制备及其应用。
关键词光子晶体；周期性结构；介电材料；光子禁带；光子局域；光子晶体光纤The research and application of photonic crystalsAbstractPhotonic crystals are the new concept and material proposed in the end of 1980s .This article simply narrated the photonic crystal and it's theoretical research, and emphatically expounds the preparation and application of photonic crystals.KeywordPhotonic crystals;Periodic structure;Dielectric material;Photonic band gaps;The photon local area;Photonic crystal fibers前言光子晶体( Photonic Crystal) [4]是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料,按照其折射率变化的周期性,可以分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。
在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带) ,电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传播。
在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场。
当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射也会产生带隙,即光子带隙。
频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的。
光子晶体也叫电磁晶体(elect romagnetic crystals) 或光子带隙( PBG—photonic band gap ) 材料,绝大多数光子晶体是由人工设计制造出来的,自然界中光子晶体很少,只有蛋白石和蝴蝶翅膀等。
由于光子晶体和半导体晶体某些特性相似,固体物理中的许多概念都可用于光子晶体,如能带、带隙、能态密度、激发态、缺陷态、束缚态(局域态) 、施主态、受主态、倒格子、布里渊区、色散关系、布洛赫(Bloch) 波等,很多用于研究半导体晶体的方法也用于研究光子晶体。
光子晶体与半导体晶体有相同的地方,但也有本质的不同。
光子晶体与半导体晶体结构不同,光子晶体的结构是不同介电常数介质的周期分布而半导体的是周期性势场;光子晶体研究的对象是电磁波(光) 在晶体中的传播,光子是自旋为1 的玻色子,半导体研究的是电子的输运行为,电子是自旋为1/ 2 的费米子;光服从的是Maxwell 方程,电子服从的是薛定谔方程;光子波是矢量波,而电子波是标量波;光子晶体中介质的周期尺度是电磁波(光) 波长,而半导体周期性势场是原子尺寸;电子之间有很强的相互作用,而光子之间没有。
光子晶体的基本特征是具有光子带隙,频率落在带隙中的电磁波是被禁止传播的。
如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构,光子禁带只可能出现在这个方向上。
如果存在三维的周期结构就有可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播。
据此光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。
通常将在一维一个方向上具有光子带隙的材料称之为一维光子晶体,这种光子晶体在结构上最为简单,易于制备,目前在光纤和半导体激光器中已得到应用。
从应用的角度考虑,三维光子晶体的完全能隙具有重要的应用价值,同时,相对而言,三维光子晶体的制备比较困难. 一般来说,光子晶体介质的介电常数反差越大(一般要求大于2) ,得到光子带隙的可能性就越大,光子带隙的出现和调节主要取决于其晶格类型、组成材料的介电常数配比及高介电常数材料的填充比等,条件比较苛刻. 制作具有完全光子带隙的光子晶体无疑是人们面临的一项巨大挑战。
1关于光子晶体的理论研究由于光子晶体结构与普通晶体结构的类似,普通晶体的许多概念被移植到光子晶体的研究里, 如能带、带隙、能态密度等。
电子能带的许多处理方法也被延伸用于处理光子能带。
继Yablonovith 和John 的开创性工作不久, 有些人就尝试按照电子能带计算的各种方法, 如利用薛定谔方程来计算光子能带, 但结论与试验结果不符。
这是因为电子自旋为1/ 2 的费米子, 是标波量, 而光波是自旋为1 的玻色子, 是矢波量。
因此, 必须从麦克斯韦方程组出发, 在矢量波理论的框架里计算光子晶体的能带结构。
平面波展开的方法是在光子晶体能带研究中使用的较早也用得最多的一种方法, 虽然该方法有效地揭示光子晶体中的能带结构, 但是不能与实验测量直接对应,后来人们又采用了转移矩阵法等计算光子晶体的能带结构和透射系数,下面分别进行阐述。
1.1平面波法1990 年, 美国的何启明、陈子亭和soukoulish 小组便是利用平面波法第一个成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带, 禁带出现在第二条和第三条能带之间。
电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开, 可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程, 求解的本征值便得到传播光子的本征频率。
但是这种方法有明显的缺点: 计算量几乎正比于所用平面波数的立方, 因而受到严格的约束, 对某些情况显得无能为力。
如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时, 需要大量平面波, 会因计算能力的限制而不能计算或难以准确计算。
如果介电常数不是恒值而是随频率变化, 就没有一个确定的本征方程形式, 展开中可能出现发散, 导致根本无法求解。
1.2 分或有限差分法该方法是将一个单位原胞划分成许多网状小格, 列出网上每个结点的有限差分方程, 利用布里渊区边界的周期条件,同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程。
该矩阵是准对角化的, 其中只有少数的一些非零矩阵元, 明显减少了计算量, 节省了计算机内存。
该方法的缺点是没有考虑晶格点的形状, 遇到特殊形状格点的光子晶体时, 难以求得精确解。
1.3 转移矩阵方法将磁场在实空间格点位臵展开, 将麦克斯韦方程组化成转移矩阵形式, 同样变成本征值求解问题。
转移矩阵表示一层格点场强与相邻另一层格点场强的关系, 它假设在构成的空间中在同一格点层上有相同的态和相同的频率, 这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位臵外推到整个晶体空间。
该方法有效地解决了介电常数随频率变化的金属系统, 计算量正比于实空间格点数的平方, 因而计算量比前种方法也大大降低, 精确度非常好, 而且能计算反射系数及透射系数。
1.4 N阶法该方法引自电子能带理论的紧束缚近似, 是由Yee 于1966 年所提出的时域有限差分法发展而来。
该方法的基本思想是: 从定义的初始时间的一组场强出发, 根据布里渊区的边界条件, 利用麦克斯韦方程组可以求出场强随时间的变化, 最终求解出能带结构。
该方法计算量只与组成系统的独立分量数目N 成正比。
但是在处理Anderson 局域和光子禁带中的缺陷态等问题时, 计算量剧增。
1.5 超元胞法和格林函数法引入缺陷的光子晶体在激光或光学回路中有广泛应用。
计算有缺陷、多点缺陷、线缺陷以及表面态的光子晶体能带时可以用超元胞法进行平面时展开。
当混有多种缺陷时, 可以采用格林函数法。
以上所述的理论计算方法是在给定晶体结构组成后才能定性、定量地计算出准确的结论。
但是到目前为止, 因为在光子禁带形成中起决定作用的物理机制是什么? 或者说怎样从物理上定性、定量地分析和设计光子禁带尚无定论, 有待于进一步研究。
2 光子晶体的制备在实际应用中,人们希望得到具有较宽完全光子带隙的光子晶体材料。
光子带隙的出现与光子晶体结构、介质的连通性、介电常数反差和填充比有关,一般说来,介电常数反差越大,得到光子带隙的可能性越大。
但要获得带隙位于可见光或红外波段的三维光子晶体比较困难,对加工工艺有比较苛刻的要求。
世界上第一个具有完全光子带隙的三维光子晶体是由美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch 用机械加工的方法制造的。
这种光子晶体的制备过程如下:在一片介电材料上镀上具有三角空洞阵列的掩膜,在每一空洞处向下钻三个孔,钻孔相互之间呈120°,与介电片的垂线呈35.26°。
这样的结构具有金刚石结构的对称性,光子带隙从10～13GHz ,位于微波区域。
为了寻找易于构造且具有宽带隙的光子晶体材料, 人们提出了许多种方法。
D. S.Sievenpiper 等人于1995 年提出了三维线网状光子晶体结构,并在微波区制造了光子晶体,发现此结构不仅具有光子带隙,而且出现了截止频率。
E.Zzbey 等人利用微加工方法在硅基片上制造了带隙在100～500GHz 的光子晶体,用激光微加工的方法还在铝基片上制造了光子带隙中心在94.7GHz 的光子晶体。
另外,在研究二维光子晶体的基础上,E. Zzbay 等人提出了“逐层叠加法”(layer2by2layer) ,用许多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体,也获得了较宽的光子带隙。
由于三维的胶体晶体在近红外及可见光波长尺度有较好的长程周期性,人们已开始利用胶体颗粒悬浮液的自组织特性来制备光子晶体。
Wijnhoven 等人用亚微米级的硅土颗粒在胶状悬浮液中自排列,再用TiO2 来填充硅土颗粒中的空气间隙,最后将硅土颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2 包围的球状空气空穴。
利用类似方法,人们得到了各种蛋白石和反蛋白石( inverseopal) 结构光子晶体,这种结构可以用来构造近红外和可见光波段的光子晶体。