凝聚态物理前沿讲座_方忠_60页PPT
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凝聚态物理课件 第六章 维度性
当此类材料发生相变后,材料的物理性质 会发生巨大的改变,故人们可以利用材料 的物性的改变,设计出各种功能的元件应 用于不同的装臵中. 如:superconducting transition 可用于电 力载送,magenetic transition 可用于资料 存储.
三个方向同时退化━0D或准0D团簇系统
Graphite
Diamond
低维电子系统,德布罗意波长,
2 2m* E
2
为一特征长度,微观描述中,该尺度下,量 子尺寸效应将显露出来
E 100meV, m* 0.1eV , : 10 ~ 100nm
介观的界定
在空间尺寸上介于宏观和微观之间(这种 说法有点笼统). 介观系统:电子行为的主要特征是电子通 过样品之后仍能保持自身波函数的相位 相干性. 微观尺寸范围的系统里,如0.1nm左右尺 度的一个原子或一个小分子,所有的能级 都是分立的, 因而系统的物理性质主要 由量子行为控制.
M. Ratner, Nature 397, 480 (1999)
1D模型（SSH）：
H H el H lat
ˆ n
n,s N t u u c c c n,s n 0 n 1 n n , s n 1, s n 1, s cn , s
聚硫氮(SN)x的分子结构
当温度降低时，这些一维导体会发生相 变，出现超晶格和电荷密度波 (CDW) 或 自旋密度波 (SDW)，很多材料在相变后 成为导体(Peierls相变)。它们的分子式、 相变温度 Tc、超晶格的晶格常数即 CDW 波长、电导率等见表5.1.1（P116）。
聚合物通常由碳链组成，电子沿链方向的耦合比垂直于链 方向的耦合强得多，成为准一维体系，代表材料有聚乙炔、 聚噻吩、聚苯胺等。常温下，它们呈现二聚化结构，绝缘 基态，但在高温下，二聚化消失，发生Peierls相变。常温 下的聚合物通过掺杂电导率可增加几个甚至十几个数量级， 高达 105(cm)-1，成为有机导体。高分子聚合物还具有重 要的电致发光性能和潜在的铁磁性能。以聚对苯乙炔作为 发光材料研制的有机发光器件，其量子发光效率可达 4%， 亮度可与通常的液晶显示相比。目前已发现近百种有机高 分子材料具有电致发光特性，发光颜色已覆盖整个可见光 谱区。聚合物 m-PDPC(m-polydiphenylcarbene) 可具有潜 在铁磁特性，来源于每个基团内的局域自旋与 电子的自 旋耦合，这类材料还有 poly-BIPO,pyro-PAN 等。由于不 含任何无机金属离子，其磁性机理及材料合成中均出现很 多新概念和新方法。
凝聚态物理导论
凝聚态物理导论陆小力EMAIL：xllu@电话：158********办公室：东大楼，208A1预备知识:固体物理+量子力学学习目标：两个深化+两个面向•方法上: 固体(多体)理论•体系上：凝聚态物理•面向学科发展前沿•面向实际体系2, 北京大学出版社, 上海科学技术出版社第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章第十二章第十三章成绩平时成绩（20％）＋考试成绩（80％）平时成绩：考勤+projectProject 报告（命题阅读报告，基于阅读多篇文献后的读书报告）口头ppt+报告电子版word期末考试：闭卷7凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.凝聚态物理的重要性(1)它为力学,流体力学,电子学,光学,冶金学及固态化学等经典科学提供了量子力学基础.(2)它为高技术的发展作出了巨大贡献. 如它是晶体管,超导磁体,固态激光器, 高灵敏辐射能量探测器等重大技术革新的源头. 对通信,计算以及利用能量所需的技术起着直接的作用, 对非核军事技术也产生了深刻的影响.810(1922.7.18-1996.6.17)121.1 范式1.什么叫范式? (Paradigm)An example that serves as pattern or model.样式作为样本或模式的例子2.学科的范式联贯的理论体系一个学科的成熟以其范式的建立为标准范式对学科从整体上把握有重要意义133. 学科发展的范式科学的演化是经过不同阶段循环发展的过程。
1.前范式阶段(pre-paradigm)2.常规科学阶段(normal science)3.反常阶段(anomaly)4.危机阶段(crisis)5.科学革命阶段(scientific revolution)6.新范式阶段(new paradigm).科学发展过程中，范式的转换构成了科学革命。
聚合物的凝聚态结构PPT教案
第4页/共77页
饱合性 方向性：Y的孤对电子云的对称轴尽可能与 X—H键的方向在一条直线上。 键能：20~40kJ/mol，介于范德华力和主价 力之间。
氢键的强弱取决于X、Y的电负性和X，Y的 半径，X，Y的电负性越大，氢键越强，Y的半径 越小，氢键越强。
如淀粉、聚酯、尼龙和蛋白质均有氢键 一般常用内聚能和内聚能密度来表征相互 作用力的大小。
形成条件：溶液结 晶时边缓慢搅拌边结晶 ；拉伸挤出时有双向应 力场作用。
第33页/共77页
串晶的结构特点 ：中心脊纤维由伸直 链晶体构成，在应力 作用下，分子链又沿 中心脊纤维折叠生长 ，由折叠链附晶构成 ，双向强度高。
应用：双向强度更 高–材料的追求目标。
第34页/共77页
（6）柱晶
形成条件：应力作 用下冷却结晶。
对于双轴晶，球晶可以呈现正光性或负光性或混合光性。 对于单轴晶，其球晶呈现负光性。 总之，球晶的双折射正负性决定于晶粒的各向异性和它们 在球晶中的取向。
第27页/共77页
用偏光显微镜观察聚合物球晶时，发现一定条件下(例 如高过冷度)球晶呈现更复杂的环状图案，即在黑十字消光图 像上重叠着明暗相间的消光同心圆环。有些资料上称为皮带 球晶。见图：
球晶生长过程示意图
第25页/共77页
晶核少，球晶较小时，呈现球形；晶核多并继 续生长扩大后，成为不规则的多体．如下图所示：
PEO结晶过程正交偏光显微镜观察的 生长球 晶
第26页/共77页
球晶的双折射指径向折射率nr和切向折射率nt之差，它取 决于沿径向堆砌的片晶上晶粒(或微晶)的双折射。聚合物的球 晶可以呈现为正光性，即nr 大于nr ；或负光性，即nr 小于nr 。
第15页/共77页
聚 乙 烯 的 结 晶 结 构
饱合性 方向性：Y的孤对电子云的对称轴尽可能与 X—H键的方向在一条直线上。 键能：20~40kJ/mol，介于范德华力和主价 力之间。
氢键的强弱取决于X、Y的电负性和X，Y的 半径，X，Y的电负性越大，氢键越强，Y的半径 越小，氢键越强。
如淀粉、聚酯、尼龙和蛋白质均有氢键 一般常用内聚能和内聚能密度来表征相互 作用力的大小。
形成条件：溶液结 晶时边缓慢搅拌边结晶 ；拉伸挤出时有双向应 力场作用。
第33页/共77页
串晶的结构特点 ：中心脊纤维由伸直 链晶体构成，在应力 作用下，分子链又沿 中心脊纤维折叠生长 ，由折叠链附晶构成 ，双向强度高。
应用：双向强度更 高–材料的追求目标。
第34页/共77页
（6）柱晶
形成条件：应力作 用下冷却结晶。
对于双轴晶，球晶可以呈现正光性或负光性或混合光性。 对于单轴晶，其球晶呈现负光性。 总之，球晶的双折射正负性决定于晶粒的各向异性和它们 在球晶中的取向。
第27页/共77页
用偏光显微镜观察聚合物球晶时，发现一定条件下(例 如高过冷度)球晶呈现更复杂的环状图案，即在黑十字消光图 像上重叠着明暗相间的消光同心圆环。有些资料上称为皮带 球晶。见图：
球晶生长过程示意图
第25页/共77页
晶核少，球晶较小时，呈现球形；晶核多并继 续生长扩大后，成为不规则的多体．如下图所示：
PEO结晶过程正交偏光显微镜观察的 生长球 晶
第26页/共77页
球晶的双折射指径向折射率nr和切向折射率nt之差，它取 决于沿径向堆砌的片晶上晶粒(或微晶)的双折射。聚合物的球 晶可以呈现为正光性，即nr 大于nr ；或负光性，即nr 小于nr 。
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聚 乙 烯 的 结 晶 结 构
凝聚态物理专题 ppt课件
从此以后，X 射线学在理论和实验方法
上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、
应用极其广泛的综合学科。
ppt课件
上页 目录 下页8
1913年，布拉格父子给出利用X射线晶体分光仪测定 晶格常数的布拉格公式。
1915年，诺贝尔物理学奖授 予亨利. 布拉格和劳伦斯. 布拉 格，以表彰他们用 X 射线对晶 体结构的分析所作的贡献。
1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德发现超导体具有完全
抗磁性。
ppt课件
上页 目录 下1页1
1935年，F.伦敦和H.伦敦发表超导现象的宏观电动力 学理论——伦敦方程。
1938年，卡皮查实验证实氦的超流动性。
1938年，F.伦敦提出了超流动性的统计理论。
1940年，朗道提出氦II超流性的量子理论。
1962年诺贝尔物理学奖授予朗道，以 表彰他作出了凝聚态、特别是液氦的先 驱性理论。
下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中 的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。
1900年，特鲁特发表金属电子论。 1905年，郎之万发表顺磁性的经典理论。 1906年，爱因斯坦发表固体比热的量子理论。 1907年，外斯发表铁磁性的分子场理论，提出磁畴假 设。1919年，巴克豪森发现了磁畴。
固体能带理论和对称破缺的相变理 论是凝聚态物理学的两个基本理论。
其中，固体的能带理论导致了半导体物理的诞生，并 进而推动了现代信息科学与技术的产生和发展。
目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第
一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满
意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的
依据。
ppt课件
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在凝聚态物质中，原子、分子等粒子之间的距离与粒 子本身线度具有大致相同的数量级。
凝聚态物理前沿讲座 ppt课件
SCF
Kohn-Sham
2 V K [( S r )i ( ] r ) E ii ( r )ESilnecgtlreo-pnasrticle
Hellmann-Feynman
MD
Force and Stress
ppt课件
Self-consistent Solver for KS problem
ppt课件
Our Method
1. First-principles calculations based on DFT 2. Plane-wave basis 3. Ultra-soft Pseudo-potential 4. LDA, GGA, LDA+U, etc… 5. Virtual crystal approximation (VCA) 6. Real space RMM for larger systems 7. Full parallelization by MPI
1 2 2V ef[f(r) ]i(r)ii(r)
occu
SCF
(r) |i |2
i
V ef(r f)vex (rt)| r( rr ')'|d' rE x[c (r ()r)]
LDA GGA LDA+U
E [( r ) T ] [( r ) ] v e( r x )t( r ) d 1 2 r|( r r ) r ( 'r |') d' r E X [ d C ( r )r ]
Real Space (no FFT)
Reciprocal Space (with FFT)
Finite element Finite difference Multi-grid Adaptive Wavelet …
凝聚态物理实验第三章第三节
• There should be other configuration with lower energy
a -
-
one electron per ion site
energy
-π/a
π/a
• standing waves at k = π/a (Bragg diffraction)
• energy is lowered for valence band electrons.
Peierls’ Theorem (1955)
Peierls' Theorem states that:
“a one-dimensional equally spaced chain with one electron per ion is unstable”.
a
a one-dimensional equally spaced chain
• Now the gap opens there, so the electronic energy is lowered!
• There is a fundamental change of the electronic property, what?
MIT due to Peierls transition
Sir Rudolf Ernst Peierls (1907 – 1995)
• He was the first to use the concept of "holes".
• He established "zones" before Brillouin and applied it to phonons.
• He discovered the Boltzmann equations for phonons and the Umklapp process.
a -
-
one electron per ion site
energy
-π/a
π/a
• standing waves at k = π/a (Bragg diffraction)
• energy is lowered for valence band electrons.
Peierls’ Theorem (1955)
Peierls' Theorem states that:
“a one-dimensional equally spaced chain with one electron per ion is unstable”.
a
a one-dimensional equally spaced chain
• Now the gap opens there, so the electronic energy is lowered!
• There is a fundamental change of the electronic property, what?
MIT due to Peierls transition
Sir Rudolf Ernst Peierls (1907 – 1995)
• He was the first to use the concept of "holes".
• He established "zones" before Brillouin and applied it to phonons.
• He discovered the Boltzmann equations for phonons and the Umklapp process.
物理学前沿第二章凝聚态物理 PPT
2.1 凝聚态物理学现状
对
称 性
对称性的概念源于生活
概
日常生活中常说的对称性，是指物体或
念 一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协
源 调一致，从而产生一种简单性和美感。这种
于 美来源于几何确定性，来源于群体与个体的
生 有机结合。
活
2.1 凝聚态物理学现状
人体、动植物结构对称
对
称
性
概
念
源
于
生
活
天竺葵 长春草
2.1 凝聚态物理学现状
• 相变是指当外界约束（温度和压强）作连续变化 时，在特定条件下，物体状态的突变。 这具体可表现为：
• （1）结构的变化，如气-液、气-固相变，或固相 中不同晶体结构之间的转变；
• （2）化学成分的不连续变化，如固溶体的脱溶分 解或溶液的脱溶沉淀；
• （3）某种物理性质的突变，如顺磁-铁磁转变、 顺电-铁电转变、正常态-超导态转变等
可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带
，所以金属能导电。在绝缘体中和半导体中是满
带所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有
杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带
中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而
成为导带,因而也能导电。
2.1 凝聚态物理学现状
• 窄能带：按照固体的能带理论，半导体的 价带与导带之间有一个禁带。在禁带较窄 的半导体中，有一些物理现象表现得最为 明显，最便于研究，因此把窄禁带半导体 作为半导体的单独一类。但“窄”的界限 并不严格，一般把禁带小于小于0.26eV的 半导体通称为窄禁带半导体。
2.1 凝聚态物理学现状
建筑物(宫殿,寺庙,陵墓,教堂)左右对称
对 称 性 概 念 源 于 生 活
对
称 性
对称性的概念源于生活
概
日常生活中常说的对称性，是指物体或
念 一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协
源 调一致，从而产生一种简单性和美感。这种
于 美来源于几何确定性，来源于群体与个体的
生 有机结合。
活
2.1 凝聚态物理学现状
人体、动植物结构对称
对
称
性
概
念
源
于
生
活
天竺葵 长春草
2.1 凝聚态物理学现状
• 相变是指当外界约束（温度和压强）作连续变化 时，在特定条件下，物体状态的突变。 这具体可表现为：
• （1）结构的变化，如气-液、气-固相变，或固相 中不同晶体结构之间的转变；
• （2）化学成分的不连续变化，如固溶体的脱溶分 解或溶液的脱溶沉淀；
• （3）某种物理性质的突变，如顺磁-铁磁转变、 顺电-铁电转变、正常态-超导态转变等
可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带
，所以金属能导电。在绝缘体中和半导体中是满
带所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有
杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带
中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而
成为导带,因而也能导电。
2.1 凝聚态物理学现状
• 窄能带：按照固体的能带理论，半导体的 价带与导带之间有一个禁带。在禁带较窄 的半导体中，有一些物理现象表现得最为 明显，最便于研究，因此把窄禁带半导体 作为半导体的单独一类。但“窄”的界限 并不严格，一般把禁带小于小于0.26eV的 半导体通称为窄禁带半导体。
2.1 凝聚态物理学现状
建筑物(宫殿,寺庙,陵墓,教堂)左右对称
对 称 性 概 念 源 于 生 活
凝聚态物理前沿讲座共61页PPT资料
31.03.2020
Our Method
1. First-principles calculations based on DFT 2. Plane-wave basis 3. Ultra-soft Pseudo-potential 4. LDA, GGA, LDA+U, etc… 5. Virtual crystal approximation (VCA) 6. Real space RMM for larger systems 7. Full parallelization by MPI 8. SGI, IBM-SP, Alpha, Cray, VPP, PC-
V iP o ,x( S n r) (1 x )V iP o ,a ( S n r) xiP o V ,b ( S n r)
Solve Schrodinger equation
V
PS x
For virtual ato to solve the single particle problem
31.03.2020 Pseudopotential, ASA, …
Other Problems in Simulations
1. Exchange-correlation functional 2. Strongly-correlated systems 3. Force calculation & Molecular dynamics 4. Magnetic, optical & electronic properties 5. Excited States 6. Non-equilibrium & Time-dependent process 7. Order (N) method & Large scale 8. Catalysis, Chemical reaction, Bio-systems 9. …
Our Method
1. First-principles calculations based on DFT 2. Plane-wave basis 3. Ultra-soft Pseudo-potential 4. LDA, GGA, LDA+U, etc… 5. Virtual crystal approximation (VCA) 6. Real space RMM for larger systems 7. Full parallelization by MPI 8. SGI, IBM-SP, Alpha, Cray, VPP, PC-
V iP o ,x( S n r) (1 x )V iP o ,a ( S n r) xiP o V ,b ( S n r)
Solve Schrodinger equation
V
PS x
For virtual ato to solve the single particle problem
31.03.2020 Pseudopotential, ASA, …
Other Problems in Simulations
1. Exchange-correlation functional 2. Strongly-correlated systems 3. Force calculation & Molecular dynamics 4. Magnetic, optical & electronic properties 5. Excited States 6. Non-equilibrium & Time-dependent process 7. Order (N) method & Large scale 8. Catalysis, Chemical reaction, Bio-systems 9. …