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凝聚态物理课件 第六章 维度性

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。

《凝聚态光物理学》PPT课件

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Phonon absorption or lattic absorption
Due to absorption by bound electrons Fundamental absorption edge, is determined by the band gap.
The optical properties of semiconductors are similar to those of insulators, expect that the electronic and phonic transitions occur at longer wavelengths. Its transparency range lies outside the visible spectrum, so it has a dark Metallic appearance.
1.4 Optical materials
1.41 Crystalline insulators and semiconductors
Materials can take on new properties by controlled doping with optically active substance.
• Saturated compounds: compounds which do not contain any free valence (all the electrons are tightly held in their bonds), and are transparent in the visible, absorb in the infrared and ultraviolet (insulator crystals);

凝聚态物理专题 ppt课件

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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。
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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。
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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。
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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。

凝聚态光学3

凝聚态光学3

4s24p2
Selection rules: (1) The parity of the initial and final states must be different. (2) ∆ j = -1, 0 or +1.(Total angular momentum must change by one unit) (3) ∆ l = ± 1. (4) ∆ ms = 0. (Spin quantum numbers never change). Electric-dipole transition: high transition rate, short radiative lifetime(10-9– 10-8 s)–fluorescence. Magnetic dipole or electric quadrpole: smaller transition rates and longer radiative lifetime (10-6 s upwards) –the slow emission by electric dipole-forbidden is called – phosphorescence.

the joint density of states
r r r M = f H ' i = ∫ ψ *f (r ) H ' ψ i (r )d 3r
Perturbation: Dipole moment: Light wave:
g ( E ) dE = 2 g ( k )dk
This gives:
3.1 Interband transition 3.1 Interband transition
Absorption and emission of phonon In a direct band material, both the conduction band minimum and the valence band minimum occur at the zone centre where k = 0; Photon absorption In a indirect band gap material, the conduction band minimum does not occur at k = 0, but is usually at the zone edge or close to it.

物理学前沿第二章凝聚态物理 PPT

物理学前沿第二章凝聚态物理 PPT
2.1 凝聚态物理学现状

称 性
对称性的概念源于生活

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。

2.1 凝聚态物理学现状
人体、动植物结构对称









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

凝聚态光学2

凝聚态光学2

= E0 e −αz ei ( ωnz / c −ωt ) .
Two propagation parameters: n, α
2.1 Propagation of light in a dense optical medium
Three types of oscillators: 1. bound electron (atomic) oscillator 2. vibrational oscillator; 3. free electron oscillators
If ω = ω0, resonant absorption (Beer’s law)
If ω ≠ ω0, non-resonant, transparent The oscillators follow the driving wave, but with a phase lag. The phase lag accumulates through the medium and retards the propagation of the wave front, leading to smaller velocity than in free space (v =c / n). -- the origin of n
Chapter 2 Classical propagation
E ( z , t ) = E0 e i ( k ⋅ z −ωt ) , k = ( n + iκ )ω / c
Model:
Light: electromagnetic wave Atom and molecule: classical dipole oscillator n(ω), α (ω)
Solution;

《凝聚态物理学基础知识讲座250页PPT

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2, c
VI. c: 1nm,为 金 属 中 两 个 电 子 的 平 均 距 离
VII. 因为等离子波必须只有当其波长大 于电子之间的距离才能存在。
V. 作图
VI. Bohm-Pines在1951-1953年提出:
∆ 电子气体中电子-电子之间的二体库 仑相互作用会引起电子之间的长程关 联运动
∆ 电子气体以电子密度集体振荡的方式 来体现电子-电子之间二体库仑相互 作用的长程效应。 电子气体的等离子集体振荡能量量 子——元激发(准粒子)称为:等离 子激元(plasmon),是玻色子。
5. 金属中,由相互作用电子气体的一种 分别元激发——电子-空穴对。
I. 电子-空穴对算符,是分别激发算符, 定义为:
ˆvv qk
aˆkvqvaˆkv
II. ˆ v v 的本征值方程: qk Hˆ,ˆqvkvqvkvˆqvkv
III. 采用固体的凝胶模型:
Hˆ Hˆ0 Hˆ
① 如果讨论的是自由电子系,其哈密顿量 ,
e 记r ri rj 2
uv uv
40 ri rj
r
vv
v Vqveiqgr,
q
式中Vv q
4 e2
q2
可见:电子系中电子-电子间的二体库仑
势的傅立叶展开中的长波部分 0qqc
已用于产生等离子激元,故库仑势傅立叶 展开中只剩下短波成分了,即
vv
V短程
v r
4e2
vv
eiqgr
振荡频率:
2=
0
4 e
m
2
0
③ 式中不能出现 h ,是经典频率
等离子体频率:
2=
PL
4 e2
m
0
④ 元激发稳定。

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目前,除晶态物理外,凝聚态物理还包括:表面物理、 非晶态物理、高分子物理、凝聚态共性体系、界面物理、 低维物理、半导体物理、介质晶体物理、超导和低温物 理等重要分支。
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二、凝聚态物理的发展
1. 凝聚态物理的发展简史
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。
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。
1916年,德拜提出X射线粉末衍射法, 用以鉴定样品的成分,并可以确定晶胞的 大小。
由于在X射线衍射和分子偶极矩理论方 面的杰出贡献,德拜获得 1936 年诺贝尔 化学奖。
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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。
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1931年,威尔逊提出了固体导电的量子力学模型,并 预言介于金属和绝缘体之间存在半导体,为半导体的发 展提供了理论基础。
1932年,威尔逊提出了杂质(及缺陷)能级的概念, 这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。
上页 目录 1下6 页
1985年,柯尔、斯莫利和克罗特发现了具有足球状的 碳分子——富勒烯。
1996年,诺贝尔化学奖授予富勒烯的三 位发现者——柯尔、斯莫利和克罗托。
除富勒烯分子外,人们还 发现全部由碳原子构成的一 些其它的稳定结构。
例如,1991年发现由240个 碳原子构成巴基管。
富勒烯的发现,广泛地影响到物理学、化 学、材料学、电子学、生物学、医药科学各 个领域,显示出有巨大的潜在应用前景。

高分子物理-第二章-高分子凝聚态ppt课件.ppt

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子链伸展并沿流动 方向平行排列。
Row nucleation
(4) 串晶 Shish-kebab structure
较低温度下, 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(5) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时,可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
Extended chain crystal of PE Needle-like extended chain crystal of POM
球晶结构示意图
环带球晶
聚乙烯
偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
球晶的生长过程
控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响:球晶大透明性差、 力学性能差,反之,球晶小透明性和力学性能好。
(1) 控制形成速度:将熔体急速冷却,生成较小 的球晶;缓慢冷却,则生成较大的球晶。 (2)采用共聚的方法:破坏链的均一性和规整性, 生成较小球晶。 (3)外加成核剂:可获得小甚至微小的球晶。
《2》折叠链模型 (50年代 A。Keller提出)
实验现象:电子显微镜观察到几十微米范围的PE单晶 测得晶片厚度约为100A,且与分子量无关 X衍射还证明分子主链垂直晶片平面
提出模型:分子链规则地折叠形成厚100A的晶片 晶片再堆砌形成片晶
可以解释:片晶、球晶的结晶形态 不能解释:单晶表面密度比体密度低
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样
样品
铝箔的X-射线和电子射线衍射花样
X-射线衍射花样
电子射线衍射花样晶体样品的 Nhomakorabea射曲线2.1.2 聚合物在晶体中的构象
等同周期(或称纤维周期):高分子晶体中, 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元 的距离。

4nd.凝聚态物理学

4nd.凝聚态物理学

学科简介
凝聚态物理学涉及现代科学技术的众多领域,在高新科技中起着 关键性作用,为发展新材料、新器件、新工艺提供科学基础。
材 料 科 技 术
纳 米 科 技
凝聚态物理学
我校凝聚态学科的特色及优势
❖ 三束材料改性教育部重点实验室的主要支撑学科之一。 ❖ 以载能束和等离子体为主要技术手段,针对新型材料开展
– 考试科目:物理学一级学科考试科目; • 复试:物理学综合,侧重固体物理、热统和量子力学
– 2013年招生情况:直接攻博1人,校内推免2人,统考录取8人。 – 2014年计划招生人数:10-12人
❖ 就业
– 高新技术企业:通讯技术、半导体器件制造 • 华为、中芯国际、北京半导体所、大连Inter、LED公司等
❖ 铁电/铁磁薄膜材料(信息存储)
研究方向 新能源材料
❖ 储氢与燃料电池材料(清洁能源、电动汽车) ❖ 电池材料(锂离子电池) ❖ 天然气水合物(可燃冰)
研究方向 低维与纳米材料
❖ 石墨烯与二维单层材料(纳米电子学) ❖ 碳纳米管(纳米复合材料) ❖ 团簇(磁存储、催化)
研究方向 载能束-材料相互作用
凝聚态物理专业介绍
学科简介
凝聚态物理学是当今物理学中最庞大、发展 最为迅速的分支学科。它建立在固体物理学 基础上,研究对象扩展至非晶、准晶、液体、 稠密气体、软物质等,主要任务是研究由大 量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成 的凝聚态物质的结构、成分与其物理性能之 间的关联,揭示其内在的物理规律。
– 高校和科研单位 • 中科院化物所、清华大学、西安交通大学、苏州大学等
期待你的加入! 凝聚态物理专业
既有发挥你想像的空间, 又有拓展你实验能力的平台。
具有实际应用价值的实验和理论研究。 ❖ 近三年,在影响因子大于9的顶级刊物发表8篇论文。

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凝聚态物理学的范围
➢ 2】 凝聚现象
(1)实空间中的凝聚:
气体:没有明确的表面,密度最低 液体:流动性弹性模量为0(宏观) 原子可离域 (微观) 固体:凝聚紧密形态,密度高,不易形变
从统计物理理解: 空间存在分厢化,即出现自由表面并存在势垒, 从而保持热平衡下两侧的密度差
(2)相空间中的凝聚:
超低温下Bose子的BEC 金属超导体中的库珀对
粒子系统体现波动性:相干波长Lc ~粒子间距a 相干波长de Broglie波长
另外,利用热平衡体系
区分的模糊边界:量子简并温度
凝聚态物理学的范围
➢ 1】 理论方法—量子+经典 粒子系统体现波动性:相干波长Lc ~粒子间距a 区分的模糊边界:量子简并温度
分析:m, a, T 常温下固体材料中的电子 气体中的分子 原子气体 光束
K=0时Fermi子的液滴 3He原子液体的超流
凝聚态物理学的范围
➢ 3】 有序化 热力学平衡态:自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈,有序与无序的调和稳定 凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺,新次序的建立 有序化的体现:
位置序---粒子间位置存在关联
固体:长程序 液体:短程序 气体:无序 量子状态下: 电荷密度波,自旋密度波,Wigner晶体
凝聚态物理学的范围
空间尺度:1m– 0.1nm 时间跨度:1year– 1fs 能量范围:1000K– 1nK 粒子数量:1027– 1021 ,103– 101
凝聚态物理学的范围
➢ 1】 理论方法—量子+经典
如何区分两者应用范围? 通常研究对象:全同粒子构成的多体体系 分界:当粒子的相干性或波动性不能忽视 区分经典和量子
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n~ni
: extinction coefficient
E(z,t)E0ei(kzt)
Where
k2 /nn c kn ~ c(ni) c
E
(
z,
t)
E ei(n~z 0
/ ct )
E e e w / c i(nz / ct ) 0
I EE *
2 4 c
• Complex dielectric constant
Transmission or transmissivity (T): T = transmitted power / incident power R+T=1
Refractive index (n): Absorption coefficient ()
= - (d I / d z) / I (z);
In the transparent region of material : is very small, and 2 are negligible, one may consider only the real parts of n and ;
Optical Properties of
Condensed Matters
1
引言:光学过程的分类,光学系数,复折射率与复介电常数,光学材料(绝缘晶体,半导 体,玻璃,金属,高分子材料等),凝聚态物质光学性质的特征(对称性,电子能带, 晶格振动,态密度,局域态和集体激发等),微观模型。
光在凝聚态物质中传播的经典理论:光在稠密光学介质中的传播,偶极振子模型,色散理 论,光学各向异性:双折射。
非线性光学:非线性极化率张量,光学非线性的物理起源,二阶非线性效应,三阶非线性 效应。
2
光子晶体和光学微腔:光子能带,光子晶体的构成,光学微腔,腔量子电动力学简介。
Chapter 1 Introduction
1.1 Classification of optical processes
• Reflection
11
2 2
)
2
)
2
.
n~ and ~r are not independen t var iable s
For weakly absorbing medium, is very small,
n 1,
2 2n
The reflectivity (normal incidence) :
Rn n ~ ~ 1 12 ((n n 1 1))2 2 2 2.
Scattering
Variation of n of the medium on a length scale smaller than the of the light
I(z)I0exN p s(z)
N: the number of scattering centres / V; S: scattering cross-section;
Beer’s law:
I(z)I0ez
is strong function of frequency
Luminescence
The atom jumps to an excited state by absorption of a photon, then relaxes to an intermediate state, before reemitting a photon by spontaneous emission as it falls to the ground state. The photon emitted has a smaller energy than the absorbed photon. The reduction in the Photon energy is called the Stokes shift.
= N S
Rayleigh scattering :
T ( 1 R 1 ) e l( 1 R 2 ) ( 1 R ) 2 e l
s
()
~
1
4
4
1.3 The complex refractive index and dielectric constant
• Complex refractive index
自由电子:Plasma反射率,自由载流子电导,金属,掺杂半导体,Plasmon。
高分子材料:高分子材料简介,共轭分子的电子态,高分子光谱,芳烃共轭聚合物,有机 光电子学。
发光中心:电子—声子相互作用,色心,离子晶体中的顺磁杂质,固体激光器与放大器, 发光材料。
声子:红外活性声子,极性晶体红外反射与吸收,极化激元,极化子,非弹性光散射,声 子寿命。
• Propagation • Transmission
Optical medium
Optical medium
Propagation
refractive index n() = c / v ()
Snell’s law
absorption ~ resonance
luminescence ~ spontaneous
n r ~ r 1 i 2 n~ 2 ~ r
The relationship between the real and imaginary parts of two coefficients:
1 n2 2 , 2 2n and
n
1 2
(1
(
2 1
11
2 2
)
2
)
2
1 2
(1
(
2 1
emission
elastic and Inelastic scattering
nonlinear-optics
3
1.2 Optical coefficients
Coefficient of reflection or reflectivity (Rent power
带间吸收:带间跃迁,直接跃迁的跃迁几率,直接带隙半导体的带边吸收,间接带隙半导体 的带边吸收,带边以上的带间吸收,吸收谱的测量,光探测材料与器件。
激子:激子的概念,自由激子,外场中的自由激子,高密度的自由激子,弗仑克尔激子
发光:固体中光的发射,带间发光,光致发光,电致发光。
量子阱与量子点:量子限制结构,半导体量子阱的结构与制备,电子能级,光的吸收与激 发,量子限制斯塔克效应,光发射,量子阱子的带间跃迁,Bloch振子,量子点。
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