固体物理课件-绪论
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大学固体物理ppt
绪 论：固体物理学应用
聚变发电
能源危机：
化石能源：2050石油枯竭，煤炭，可燃冰； 太阳能；风能；海洋能；核能：裂变和聚变
东方超环（EAST）
1.65亿元人民币。 韩国3亿美元， 美国5.7亿美元。
ITER
100亿美元
量子计算机（摩尔定律18月 P4，2000）
速度（大数质因子分解）100亿年 vs 30秒 解密 量子隐形传输
布拉伐格子 + 基元 = 晶体结构
一、布拉伐格子 → 表征了晶格的周期性
理想晶体：可看成是由完全相同的基本结构单元 （基元）在空间作周期性无限排列构成 单个原子或离子或若干个原子的集团
① 格点：代表基元中空间位置的点称为格点 一切格点是等价的 — 每个格点的周围环 境相同 → 因为一 切基元的组成，位相和取 向都相同!
， 为 一组基矢 Rl l1a1 l2a2 l3a3 a1, a2 , a3
x
1
3
二维布拉伐格子几种可能的基矢和原胞取法
二维晶格的晶系和布拉伐格子 晶系 轴和角度 布拉伐格子
斜方
长方
正方
六角
a≠b γ ≠90℃ a≠b γ = 90℃ a=b γ = 90℃ a=b γ=120℃
绪 论：《固体物理》的研究对象
一个超级大原子
T （0K附近）玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC）
物 质 的 状 态
固态(晶体和非晶体) 液态(液晶体和非晶液体) 气态 （百万K） 等离子态：太阳（99%） 凝聚态物理
绪 论：《固体物理》的研究内容
晶体和非晶体的结构
固体理论： 电子，原子（离子）运动规律
固体宏观性质
固体材料的性质（半导体，金属，超导，绝缘体） 新型人工材料微观结构和宏观性质
《固体物理一绪论》PPT课件
绪论：三、固体物理学及其发展史
与此同时，* Heisenberg, *Wigner, *Mott, *朗道， 夫伦克尔，佩尔斯，*肖特基，*范弗莱克等当时一流 的理论物理学家都曾投入到固体理论的研究中并取得 了丰富的成果。
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）
5. 光学材料非线性研究 励强华教授
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
6. 热电材料研究 胡建民教授、曲秀荣老师 7. 非晶和液体性质的研究 孙民华教授 8. 半导体光电子材料；光催化研究 李林、徐玲玲老师 9. 半导体材料电子结构、输运性质的第一性原理计算
尹海涛教授、牛丽老师
绪论：五、本课程的主要内容
Seitz F, Modern Theory of Solids, McGraw-Hill 1940
绪论：三、固体物理学及其发展史
晶格结构
晶格理论
晶格动力学 晶格热力学
理想晶格
固 体 物
电子理论
实际晶格理论 能带理论 金属中的自由电子气
理
功函数、接触电势等
输运理论 ：电子与晶格的相互作用
固体物理分论 半导体、磁学、超导、非线性光学
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
1. 磁性超晶格及多层膜的物理性质研究；光子晶体的磁性研究
王选章教授、付淑芳、李华、周胜老师
2. 半导体纳米材料及其应用；
复合氧化锌超晶格纳米线制备及 TFT研制
张喜田教授、高红教授
3. 光电子技术应用 孙文军教授
4. 量子光学；固体发光
吕树臣教授、孟庆裕、孙江亭老师
第一章 晶体结构与X射线衍射 第二章 晶体的结合 第三章 晶格振动和固体的热学性质 第五章 金属的自由电子理论 第六章 能带理论
《固体物理基础概论》PPT课件
组成晶态固体的粒子在空间周期性排列,具 有长程序,它的对称性是破缺的。
非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间的 分布是完全无序或仅仅具有短程序,具有高度 的对称性。
准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间 分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的 取向序。
固体物理的研究对象以晶体为主。
准晶
2 . 固体物理学的基本任务：是企图从微观上 去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。
到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结合 、晶体缺陷等学生材内容和学时分配 第一章 金属自由电子费米气体模型(10学时) 第二章 晶体的结构 (19学时) 第三章 能带论 (23学时) 第四章 晶格振动 (10学时) 第五章 输运现象 (5学时) 第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图(5学时)
曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图
Ultra-Thin Material
超导磁悬浮
Magnetic Domains by Magneto-optical Effect
包钴氧化铁 钡铁氧体
铁合金
CrO2
m
计算机的硬盘
计算机的硬盘
2007年诺贝尔 物理学奖---巨 磁电阻效应 （GMR)
4.基泰尔（C.Kittel 5th edition）著，杨顺华等 译，固体物理导论，科学出版社，1979
5.方可,胡述楠,张文彬 主编;固体物理学,重庆大 学出版社,1993
6.陈金福 主编 固体物理学—学习参考书 高等 教育出版社,1986 7.
8.阎守胜. 2000. 固体物理基础. 北京：北京大学 出版社
7.教学要求
1) 掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对 金属的电、热、光等物性进行分析； 2) 掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性 和分类、倒格子以及X射线衍射；
黄昆版固体物理课件
第一章晶体结构§1-1 绪论固体物理与力学、电动力学、量子力学等学科不同，这些学科学习的是一种运动形式，而固体物理学习的则是一类物质，固体物理学习晶体的几何结构，学习形成晶体结构的原子的最普遍的运动形式，即晶格振动，学习晶体中的能量特征和运动，然后学习半导体物理超导电性等一些专题问题。
引入：固体是指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质。
在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体，晶体知识作为一门科学的出现，科学界公认是在17世纪中叶，距今已有300多年。
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？一、固体物理的研究对象固体物理是研究固体的微观结构，组成固体的粒子(原子、离子、电子)之间相互作用与运动规律，并在此基础之上阐明固体的宏观性质和应用的学科。
它分为：晶体、非晶体和准晶体三类。
1、晶体：原子按一定的周期排列成规则的固体(即，长程有序) 例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是晶体。
——图XCH001_055 和图XCH001_0001_03 是CaCO3和雪花结晶的结构——图XCH001_055 是高温超导体YBaCuO晶体的结构2、非晶体：原子的排列没有明确的周期性（短程有序），如：玻璃、橡胶、塑料。
——图XCH001_036_01 和图XCH001_036_02 分别是Be2O3单晶和非晶结构。
3、准晶体：介于晶体和非晶体之间的新的状态——称为准晶态。
理想晶体：内在结构完全规则的固体，又叫做完整晶体；实际晶体：固体中或多或少地存在有不规则性，在规则（排列）的背景中尚存在微量不规则性的晶体——近乎完整的晶体。
二固体物理的研究方法固体物理主要是一门实验性学科。
为了阐明所揭示出来的现象之间内在的本质联系，需要建立和发展关于固体的微观理论。
固体（晶体）是一个很复杂的客体，每一立方米中包含10个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强．固体的宏观性质就是如此大量有约23的粒子之间的相互作用和集体运动的总表现。
固体物理第一讲 绪论PPT课件
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，
在于晶体结构的观察方面有所进步。近年来发展
的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表
面的原子结构。
• 晶体的结构以及它的物理、化学性质 同晶体结合的基本形式有密切关系。通常 晶体结合的基本形式可分成：离子键合、 金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳 斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分 析晶体的物理、化学性质，或者依据晶体 价电子的局域密度分布的自洽理论计算， 人们可以准确地判定该晶体具有何种键合 形式。
(二)、固体物理的发展史
几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开
始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术， 人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质， 并用之于绘画、装饰等。
1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角 形；
1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着 温度的升高而下降；
阿拉克西曼德：万物是由无数的原始物质构成的。 阿拉克西美尼：万物的本质是空气。 赫拉克里特：万物的本质是火，火与其他物类的混合物，一
般都以我们可以感知气味的其他物类来命名，但是火本身 是不变的因素。 埃姆毕多克拉斯：万物是由水、气、火、土组成。
• 巴门尼德： 宇宙中只有一个永恒的存在，像一个充实的
固体物理学
第一讲 绪论
• 一：固体物理学 • 二：发展史 • 三：当前研究的热点和前沿 • 四：本课程的主要讲解内容 • 五、参考书籍
一：固体物理学
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。 它是物理学中内容极丰富、应用极广 泛的分支学科。
融汇了力学、热力学与统计物理学、 电动力学、量子力学和晶体学等多学 科的知识。
《固体物理基础教学课件》第一章
半导体的电子状态
半导体中的电子能级结构
半导体中的电子能级结构与金属不同，存在一个带隙，使得半导 体在一定温度下只能部分电子成为自由电子。
半导体的导电性
半导转变为导体。
半导体的光电效应
当光照射在半导体上时，半导体吸收光子后，价带上的电子跃迁到 导带，产生光电流。
晶体结构
80%
晶体结构的特点
晶体结构是指固体物质内部的原 子或分子的排列方式，具有周期 性、对称性和空间群特征。
100%
常见的晶体结构
常见的晶体结构有金刚石型、氯 化钠型、闪锌矿型等，它们在外 观和性质上都有所不同。
80%
晶体结构的分类
晶体结构可以根据原子或分子的 排列方式和空间群进行分类，有 助于理解其物理和化学性质。
核聚变能源
在核聚变能源领域，固体物理中的 高温高压等极端条件下的物理性质 研究为实验设计和设备制造提供了 重要依据。
在信息技术领域的应用
集成电路
集成电路的制造依赖于固体物理 中的半导体理论和热力学原理， 从芯片设计到制造工艺的每一个 环节都离不开固体物理的理论支
持。
存储技术
随着信息技术的快速发展，存储 技术也在不断进步。固体物理中 的磁学和光学理论在磁存储和光
推动高新技术产业的进步
固体物理学在信息技术、新能源等领域中有着广泛 的应用，如半导体技术、太阳能电池等，为高新技 术产业的进步提供了重要支撑。
对其他学科的交叉促进作用
固体物理学与化学、生物学、地球科学等学科有着 密切的联系，通过与其他学科的交叉融合，可以促 进相关领域的发展和创新。
02
固体物质的结构
复合材料
通过研究复合材料的微观结构和物理性质，可以设计和制备具有优异 性能的复合材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
固体物理基础绪论和第一章
体心立方晶格的典型单元 体心立方晶格的堆积方式
排列规则：层与层堆积方式是上面一层原子球心对 准下面一层球隙，下层球心的排列位置用A标记， 上面一层球心的排列位置用B标记，体心立方晶格 中正方排列原子层之间的堆积方式可以表示为 ： AB AB AB AB…
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
体心立方晶格的特点：
固体碳的维度
0-D: C60 , Cn 1-D: 纳米碳管
3-D: 金刚石 2-D: 石墨
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
形态各异的ZnO纳米材料
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
新型的缓冲层材料 — Lu2O3
Lu2O3与Si、ZnO的晶格失配 — Si:4.4% — ZnO:11.5%
3 . 钙钛矿型 结构
• •
结晶学原胞
•
•
°
• •
•
°
•
表示Ba 表示O
°
•
氧八面体
°
•
表示Ti
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
• ° •• ° • • ° • • • • • • ° • • ° •• ° • • • •• •• •• • • •• •• • • •
水滴· 海水
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
3、气态
有流动性，没有固定的形状和 体积，能自动地充满任何容器； 容易压缩；物理性质各向同性 气态物质分子或原子运动更剧 烈，“类晶区”不存在了。由 于分子或原子间的距离增大， 它们之间的引力可以忽略，因 此气态时主要表现为分子或原 子各自的无规则运动
排列规则：层与层堆积方式是上面一层原子球心对 准下面一层球隙，下层球心的排列位置用A标记， 上面一层球心的排列位置用B标记，体心立方晶格 中正方排列原子层之间的堆积方式可以表示为 ： AB AB AB AB…
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
体心立方晶格的特点：
固体碳的维度
0-D: C60 , Cn 1-D: 纳米碳管
3-D: 金刚石 2-D: 石墨
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
形态各异的ZnO纳米材料
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
新型的缓冲层材料 — Lu2O3
Lu2O3与Si、ZnO的晶格失配 — Si:4.4% — ZnO:11.5%
3 . 钙钛矿型 结构
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结晶学原胞
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氧八面体
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浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
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水滴· 海水
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
3、气态
有流动性，没有固定的形状和 体积，能自动地充满任何容器； 容易压缩；物理性质各向同性 气态物质分子或原子运动更剧 烈，“类晶区”不存在了。由 于分子或原子间的距离增大， 它们之间的引力可以忽略，因 此气态时主要表现为分子或原 子各自的无规则运动
固体物理绪论ppt课件
2. 金属的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用单电 子近似的方法建立能带理论
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，阐 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应：三维→二维→一维→零维（量子点） 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序：等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相（低温下流动无阻力） 8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）
23. 生物物理（蛋白质、DNA等） 24. 软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等） 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管______ 产生了半导体物理
程序）（急冷方式获得）
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性） 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制） 20. 超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，阐 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 研究电子和声子的相互作用，形成库 柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应：三维→二维→一维→零维（量子点） 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序：等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相（低温下流动无阻力） 8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）
23. 生物物理（蛋白质、DNA等） 24. 软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等） 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管______ 产生了半导体物理
程序）（急冷方式获得）
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性） 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制） 20. 超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、
固体地球物理学概论ppt课件
固体地球物理学概论
第二章
自转及密度特征
⑶太阳系天体的自转
行星的自转可分两种情况，类地星自转速率差异较大，金星需244天， 火星只需1.03天；巨行星和远日星自转较快，均不到1天。
太阳自转有“赤道加速”现象，即赤道处自转约25.4天，两极附近约 35天，其内部旋转速度更快，可能比表面快十几甚至几十倍。
Obliquity Density
(AU)
(Earth＇s) (Earth＇s) (Earth＇s)
Inclination Eccentricity
(g/cm3)
Sun
0
109
332,800 25.36*
9
---
---
---
1.410
Mercury 0.39
0.38
0.05
58.8
0
7
0.2056
0.1°
固体地球物理学概论
第一章
地球物理学的研究方法
最初，地球物理学研究就是从对地球的观测开始的，所以地 球物理学研究是建立在对地球充分观测的基础上进行的。
地球物理学的研究方法可分为以下几个方面：
• 观测 • 数据分析与处理 • 模拟真实对象的理论模型计算与实验 • 推测真实对象反演计算
固体地球物理学概论
固体地球物理学概论
第一章
第一章 序言
什么是地球物理?
地球物理学研究哪些内容?
地球物理与其他学科的关系
地球物理的发展
地球物理对社会发展的贡献
固体地球物理学概论
第一章
地球物理学的定义
地球物理学是以地球为研究对象,研究地球的各种物理现象， 以及这些现象与地球运动、地球各层圈结构构造、地球物质的 分布及迁移的关系的学科。(Geophysics)
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清华大学电子工程系 28
我国固体物理/半导体物理的先驱
在学习知识上，我的实际体会是，不 是越多越好，越深越好，而是要服从于应 用，要与自己驾驭知识的能力相匹配。 ——黄昆
黄昆
谢希德
固体物理基础 清华大学电子工程系
高鼎三
29
固体物理学习的特点
• 研究的对象
– 大量原子按照特定规律构成固体后表现出的集体性质 – 主要研究具有空间周期性的晶体
固体物理基础 清华大学电子工程系 21
蓝光发光二极管
固体物理基础
清华大学电子工程系
22
2014.10.7 三位日本(裔)科学家获得诺贝尔物理学奖
赤崎勇(Isamu Akasaki) 1929-
天野浩(Hiroshi Amano) 1960-
中村修二(Shuji Nakamura) 1954-
for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources
清华大学电子工程系
三位科学家的贡献
• 蓝宝石衬底上异质生长高质量GaN——AlN缓冲层 • 低能电子束辐照激活p-GaN • 世界上第一支蓝光LED
名古屋师生：赤崎勇、天野浩
小公司的工程师：中村修二
固体物理基础
• 改用GaN缓冲层，获得更高的质量 • 改用热退火激活p-GaN • 开发出InGaN/GaN双异质结蓝光LED并实现商业 化，比当时市售的SiC蓝光LED亮100倍 • 世界上第一支高亮度蓝光LED、绿光LED、蓝紫 光激光二极管
Fundamentals of Solid State Physics
原稿：汪 莱 修订：孙长征
办公室：罗姆楼4-309，电话：62798576-12 邮箱：czsun@
固体物理基础
清华大学电子系
答疑、作业、考试
• 答疑：网络学堂、邮箱、课堂 • 作业占15分（包含实验2分）
• 研究的方法
– 基于微观物理模型，分析和解释固体的宏观物性，探 索其调控方法
• 涉及的基础知识
– 量子力学、统计物理、电磁学 – 傅里叶分析、群论
固体物理基础
清华大学电子工程系
30
固体物理课程的意义
通过对微观世界的学习，加强对物质世界的认识，初 步了解物质相互作用的规律 学会分析处理问题的时候抓住主要矛盾，巧妙的近似 让问题变得简单 明白物理模型不是“真理”，不必追求精确、完美、 绝对正确，只要满足实验结果或者实际使用的要求就 去使用 了解电子信息科学与技术领域的基础知识
• 超强硬度
– 比钻石还要硬，强度比世界上最好的钢铁还要 强100倍，是目前最薄最硬的材料
• 良好导热性 • 较好的透明特性（可见光透过率>97%）
固体物理基础 清华大学电子工程系 19
令人着迷的物理现象
• 导体还是半导体？
– 零带隙半导体
• 接近光速
– 载流子的费米速率vF≈106m/s，即光速的 1/300
• 讲义
– 请各班派代表领取讲义
固体物理基础 清华大学电子工程系 3
绪 论
固体物理基础
清华大学电子工程系
4
什么是固体物理？
• 采用量子力学、统计力学、晶体学、电磁学研究 固体的微观结构及其各种内部运动，以及这种微 观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系。 微观结构
原子 电子
宏观性质
力学性质：抗张强度 热学性质：热容、热导、热膨胀 电学性质：欧姆定律、超导 磁学性质：铁磁 光学性质：反射、吸收、发光
2014年， 蓝光LED 2009年，光纤；CCD 2000 年 ， 异 质 结 ； 集 成 电路
固体物理基础 清华大学电子工程系
14
石墨烯
固体物理基础
清华大学电子工程系
15
石墨烯（graphene）
• 曾经被认为是不可能存在的材料！
– 1930年代，派尔斯和朗道认为二维晶体材料不稳定
– “粘胶带法”
• 巧合还是必然？
– 通常情况下，用光学显微镜看不见单层原子层 – 使用电子显微镜寻找石墨烯不异于“大海捞针” – 把石墨烯放在300nm的SiO2上，光学可见！ – 最多5%的厚度起伏（例如315nm），不可见！
固体物理基础 清华大学电子工程系 18
出色的物理性质
• 超强导电性
– 石墨烯的电子迁移率是硅的10倍 – IBM已研制出100GHz的石墨烯场效应晶体管
固体物理学的由来
电磁学：麦克斯韦方程
电 子 显 微 技 术
固体物理基础
清华大学电子工程系
11
固体物理是 电子科学技术的重要基础之一
• 电子科学技术领域的应用
– 微电子技术
• 二极管、晶体管 • 集成电路、微电子学
– 光电子技术
• • • • 光存储(代替软盘、磁带) 光纤通信(激光代替微波) 固态照明(LED代替电灯) 太阳能电池
能 源 生 物
• 超级电容 •…
•…
• 生物传感器 • 基因测序 •…
K. S. NOVOSELOV, V. I. FAL PRIME KO, L. COLOMBO, P. R. GELLERT, M. G. SCHWAB and K. KIM, “A roadmap for graphene”, Nature, 2012,490(7419):192-200.
最新发展： • 光纤通信 (激光代替微波) • 固态照明 代替电灯) – (LED 纳米科技 • 太阳能电池 – 超导材料
– 液晶、有机半导体 – ……
固体物理基础 清华大学电子工程系 13
与固体物理相关的诺贝尔物理学奖
天文学
量子物理 凝聚态物理 原子和分 子物理 经典物理
2010年，石墨烯
核物理和 粒子物理 应用物理
– 课上交纸版，用数学作业纸或实验报告纸，课 上留的作业下节课交 – 不交或迟交作业会记录，并会酌情扣分，少一 次作业扣1分
• 考试（闭卷）占85分
– 期中考试30分 (~第8周) – 期末考试55分
固体物理基础 清华大学电子工程系 2
教材及参考书
• 教材
– 黄昆原著，韩汝琦改编《固体物理学》，高等教育出 版社，1988年版
• 独特的量子霍尔效应 • ……
A. K. GEIM and K. S. NOVOSELOV, “The rise of graphene”, Nature, 2007,6(3):183-191.
固体物理基础 清华大学电子工程系 20
应用前景
• 超级CPU • 光电探测器 •… • 锂电池
信 息 ？
• 2004年成功制备
– 安德烈·海姆，康斯坦丁·诺沃肖洛夫
• 2010年获诺贝尔奖
固体物理基础
清华大学电子工程系
16
什么是石墨烯？
• 平面单层碳原子层，一种“二维晶体”
– 卷曲->富勒烯（0维）、碳纳米管（1维） – 堆叠->石墨（3维）
固体物理基础
清华大学电子工程系
17
汗水+幸运=石墨烯
• 机械剥离法
固体物理基础 清华大学电子工程系 23
官方获奖理由
蓝光“LED”造就了人类照明历史的革命
固体物理基础
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24
“蓝光”的重要性及 LED相比传统照明光源的优势
获奖的是“蓝光LED”的发 明人而非“LED”的发明人 不同照明光源之间光效的比较 白炽灯 15 lm/W 荧光灯 70 lm/W LED 150 lm/W
三基色——红、绿、蓝 蓝光波长最短 ，光子能量最 高，利用荧光 转化，很容易 把蓝光转变为 长波长可见光 白光 黄色荧光粉 蓝光LED
固体物理基础
照明用电占社会总用电量的 15% ， 使用LED此比例可降至4% 以我国 2013 年数据测算，如照明用 电节省50%相当于再造4个三峡大坝， 同时减少二氧化碳排放4000万吨
• 参考书
– 韦丹《固体物理》，第2版，清华大学出版社 – 刘恩科《半导体物理学》，第7版，电子工业出版社 – C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th ed., Wiley, 2005. – N. W. Ashcroft & N. D. Mermin, Solid State Physics, Brooks/Cole , 2004
固体物理基础 清华大学电子工程系 8
电子信息科技知识体系的MAP
（2009年9月18日教委会）
固体物理基础
清华大学电子工程系
9
电子系课程体系
……
图像处理 真空技术 激光原理 数字集成电路 物理光学模拟集成电路 通信电路 微波与光波 技术基础
网络基础 媒体与认知 数据库原理 通信与网络
软件工程 操作系统原理
固体物理基础
物理基础
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数据与算法
现代通信原理
数字逻辑与CPU
计算机程序设计 数字信号处理 概率论与随机过程 微积分 几何与代数
10
电子线路与系统 电动力学 固体物理
工程图学基础 英语
固体物理基础
信号与系统 数理方程 复变函数引论 大学物理 量子与统计
清华大学电子工程系
固体物理相关的历史详见网络学堂补充材料
17~18 世纪 19世纪 20世纪 矿 物 学 统 计 物 理 学 原 子 物 理、 量 子 力 学 晶 体 结 构 学 X射线 衍射、 中子 衍射 力学、天文学、光学
固体物理基础
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12
固体物理是 电子科学技术的重要基础之一
我国固体物理/半导体物理的先驱
在学习知识上，我的实际体会是，不 是越多越好，越深越好，而是要服从于应 用，要与自己驾驭知识的能力相匹配。 ——黄昆
黄昆
谢希德
固体物理基础 清华大学电子工程系
高鼎三
29
固体物理学习的特点
• 研究的对象
– 大量原子按照特定规律构成固体后表现出的集体性质 – 主要研究具有空间周期性的晶体
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蓝光发光二极管
固体物理基础
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22
2014.10.7 三位日本(裔)科学家获得诺贝尔物理学奖
赤崎勇(Isamu Akasaki) 1929-
天野浩(Hiroshi Amano) 1960-
中村修二(Shuji Nakamura) 1954-
for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources
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三位科学家的贡献
• 蓝宝石衬底上异质生长高质量GaN——AlN缓冲层 • 低能电子束辐照激活p-GaN • 世界上第一支蓝光LED
名古屋师生：赤崎勇、天野浩
小公司的工程师：中村修二
固体物理基础
• 改用GaN缓冲层，获得更高的质量 • 改用热退火激活p-GaN • 开发出InGaN/GaN双异质结蓝光LED并实现商业 化，比当时市售的SiC蓝光LED亮100倍 • 世界上第一支高亮度蓝光LED、绿光LED、蓝紫 光激光二极管
Fundamentals of Solid State Physics
原稿：汪 莱 修订：孙长征
办公室：罗姆楼4-309，电话：62798576-12 邮箱：czsun@
固体物理基础
清华大学电子系
答疑、作业、考试
• 答疑：网络学堂、邮箱、课堂 • 作业占15分（包含实验2分）
• 研究的方法
– 基于微观物理模型，分析和解释固体的宏观物性，探 索其调控方法
• 涉及的基础知识
– 量子力学、统计物理、电磁学 – 傅里叶分析、群论
固体物理基础
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固体物理课程的意义
通过对微观世界的学习，加强对物质世界的认识，初 步了解物质相互作用的规律 学会分析处理问题的时候抓住主要矛盾，巧妙的近似 让问题变得简单 明白物理模型不是“真理”，不必追求精确、完美、 绝对正确，只要满足实验结果或者实际使用的要求就 去使用 了解电子信息科学与技术领域的基础知识
• 超强硬度
– 比钻石还要硬，强度比世界上最好的钢铁还要 强100倍，是目前最薄最硬的材料
• 良好导热性 • 较好的透明特性（可见光透过率>97%）
固体物理基础 清华大学电子工程系 19
令人着迷的物理现象
• 导体还是半导体？
– 零带隙半导体
• 接近光速
– 载流子的费米速率vF≈106m/s，即光速的 1/300
• 讲义
– 请各班派代表领取讲义
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绪 论
固体物理基础
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什么是固体物理？
• 采用量子力学、统计力学、晶体学、电磁学研究 固体的微观结构及其各种内部运动，以及这种微 观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系。 微观结构
原子 电子
宏观性质
力学性质：抗张强度 热学性质：热容、热导、热膨胀 电学性质：欧姆定律、超导 磁学性质：铁磁 光学性质：反射、吸收、发光
2014年， 蓝光LED 2009年，光纤；CCD 2000 年 ， 异 质 结 ； 集 成 电路
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石墨烯
固体物理基础
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石墨烯（graphene）
• 曾经被认为是不可能存在的材料！
– 1930年代，派尔斯和朗道认为二维晶体材料不稳定
– “粘胶带法”
• 巧合还是必然？
– 通常情况下，用光学显微镜看不见单层原子层 – 使用电子显微镜寻找石墨烯不异于“大海捞针” – 把石墨烯放在300nm的SiO2上，光学可见！ – 最多5%的厚度起伏（例如315nm），不可见！
固体物理基础 清华大学电子工程系 18
出色的物理性质
• 超强导电性
– 石墨烯的电子迁移率是硅的10倍 – IBM已研制出100GHz的石墨烯场效应晶体管
固体物理学的由来
电磁学：麦克斯韦方程
电 子 显 微 技 术
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固体物理是 电子科学技术的重要基础之一
• 电子科学技术领域的应用
– 微电子技术
• 二极管、晶体管 • 集成电路、微电子学
– 光电子技术
• • • • 光存储(代替软盘、磁带) 光纤通信(激光代替微波) 固态照明(LED代替电灯) 太阳能电池
能 源 生 物
• 超级电容 •…
•…
• 生物传感器 • 基因测序 •…
K. S. NOVOSELOV, V. I. FAL PRIME KO, L. COLOMBO, P. R. GELLERT, M. G. SCHWAB and K. KIM, “A roadmap for graphene”, Nature, 2012,490(7419):192-200.
最新发展： • 光纤通信 (激光代替微波) • 固态照明 代替电灯) – (LED 纳米科技 • 太阳能电池 – 超导材料
– 液晶、有机半导体 – ……
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与固体物理相关的诺贝尔物理学奖
天文学
量子物理 凝聚态物理 原子和分 子物理 经典物理
2010年，石墨烯
核物理和 粒子物理 应用物理
– 课上交纸版，用数学作业纸或实验报告纸，课 上留的作业下节课交 – 不交或迟交作业会记录，并会酌情扣分，少一 次作业扣1分
• 考试（闭卷）占85分
– 期中考试30分 (~第8周) – 期末考试55分
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教材及参考书
• 教材
– 黄昆原著，韩汝琦改编《固体物理学》，高等教育出 版社，1988年版
• 独特的量子霍尔效应 • ……
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应用前景
• 超级CPU • 光电探测器 •… • 锂电池
信 息 ？
• 2004年成功制备
– 安德烈·海姆，康斯坦丁·诺沃肖洛夫
• 2010年获诺贝尔奖
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什么是石墨烯？
• 平面单层碳原子层，一种“二维晶体”
– 卷曲->富勒烯（0维）、碳纳米管（1维） – 堆叠->石墨（3维）
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汗水+幸运=石墨烯
• 机械剥离法
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官方获奖理由
蓝光“LED”造就了人类照明历史的革命
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“蓝光”的重要性及 LED相比传统照明光源的优势
获奖的是“蓝光LED”的发 明人而非“LED”的发明人 不同照明光源之间光效的比较 白炽灯 15 lm/W 荧光灯 70 lm/W LED 150 lm/W
三基色——红、绿、蓝 蓝光波长最短 ，光子能量最 高，利用荧光 转化，很容易 把蓝光转变为 长波长可见光 白光 黄色荧光粉 蓝光LED
固体物理基础
照明用电占社会总用电量的 15% ， 使用LED此比例可降至4% 以我国 2013 年数据测算，如照明用 电节省50%相当于再造4个三峡大坝， 同时减少二氧化碳排放4000万吨
• 参考书
– 韦丹《固体物理》，第2版，清华大学出版社 – 刘恩科《半导体物理学》，第7版，电子工业出版社 – C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 8th ed., Wiley, 2005. – N. W. Ashcroft & N. D. Mermin, Solid State Physics, Brooks/Cole , 2004
固体物理基础 清华大学电子工程系 8
电子信息科技知识体系的MAP
（2009年9月18日教委会）
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图像处理 真空技术 激光原理 数字集成电路 物理光学模拟集成电路 通信电路 微波与光波 技术基础
网络基础 媒体与认知 数据库原理 通信与网络
软件工程 操作系统原理
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现代通信原理
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计算机程序设计 数字信号处理 概率论与随机过程 微积分 几何与代数
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信号与系统 数理方程 复变函数引论 大学物理 量子与统计
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17~18 世纪 19世纪 20世纪 矿 物 学 统 计 物 理 学 原 子 物 理、 量 子 力 学 晶 体 结 构 学 X射线 衍射、 中子 衍射 力学、天文学、光学
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