武汉大学固体物理学课件绪论

徐至中 刘友之 王岭奉
<上海科技出版社> <高教出版社> <山东大学出版社>
第0 章 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
Wuhan University
一学期的内容:
绪论
全部
(习题与答疑)
1-4, 5-6(自学并答题) (习题与答疑) (测验)
概讲
全部
(习题与答疑) (测验)
略
Born: 1938, two children
1962: 巴黎高师: 物理与数学 双学士 (五年)
1963: 南巴黎大学 硕士
" NMR of hydrogen absorbed by palladium “
1970:南巴黎大学 博士
" Transport properties of nickel et iron "
→ 宇观 ↓
1026m
奇点：～10-44秒
1017秒
？
极限：小于此尺度，不存在时空概念。 可能：多联通拓扑结构？
宇观：宇宙的整体性，不能由部分之和给出的哪些宇宙整体特征， 以及与之相关的现象（如：微观背景辐射、磁单极）
作业：不同层次物质(夸克、电子、质子与中子、原子核、原子、分子、头发丝、 地球、太阳系、银河系、宇宙)特征尺度、特征时间、特征质量。
培养具有原创能力的设计师与Engineer!
It is crucial necessary to Study Solid Physics
第0章 序论
• 什么是固体物理学 • 固体物理学的特点、基本内容 • 固体物理学的发展
第0章 序论
§0－1 什么是固体物理学
什么是物理学 什么是固体
固体物理学
一．什么是物理学 :
[美] Charles Kittel (UC Berkeley) (西部)
5. Solid State Physics
[美] N.W.Ashcroft N.D.Mermin ( Cornel University) (东部)
6. 计算固体物理学 邹宪武 金准智
<武汉大学出版社>
习题集:
1. 固体物理学习题解答 2. 固体物理学习题指导 3. 固体物理学概念和习题指导
GMR关键的第一步-开拓性意义
◆中间非磁性层诱导 铁磁层间反铁磁偶合
不同电流方向
Fe/Cr/Fe 三层膜 Cr: 1nm
H
◆新型磁阻效应 H − 0 0 2%
PRB39(1988)4228-4231
发现了巨磁阻效应的三个重要意义
➢导致磁存储与磁传感技术的革命
⚫1994: 第一个磁传感器
⚫1997: 第一个商用磁盘(IBM)
2007 Nobel Prize in Physics
- Giant Magnetoresistance
Nobel Prize in Physics 2007
◆ A. Fert and P. Grunberg 发现了巨磁阻效应 ◆ 发现了巨磁阻效应的三个重要意义
➢导致磁存储与磁传感技术的革命 ➢诱导出一门新的学科-自旋(磁)电子学(spintronics) ➢纳米技术的第一个重要的实际应用
⚫1998: $M亿/Y
⚫ Now: MRAM, MP3/4, iPod… 103 G/cm2 $千亿/年
Solid
Wuhan University
Devices
The Properties of Solid the characteristics of device
Solid State Physics The Properties of Solid
问题- ◆ why 需要几层不同成分的 AlGaN, GaN, Sappire? ◆不同层的厚度如何确定?
Semiconductor Laser
Design: Quantum Cascade Laser
原 理:
热电发电（Seebeck 效应）
ZT=2S T/ How → S, ↑; ↓
Introduction to
Graphite
Fullerene
Graphene!
Nano Carbon Tube
Big news from nano-world of graphene Means new life for Moore’s law
2D: Dirac pionts: Eg=0, Me=0, me , 小热振动
near zero nuclear momnents
I: 同位旋 Y: 超荷(=A+S) A:重荷 S:奇异数
3. 发展方向
纵向： 越来越小， 越来越大
→两极相通
3. 发展方向
纵向：
越来越小， 越来越大
→两极相通
统一！
科学家的“伟大”
牛顿:
万有引力— 天地统一
麦克斯韦/法拉弟: 电动力学— 电磁统一
波尔兹曼:
统计力学 — 宏观与微观关联
Ideal materials for spintronics for instant of Si in FET in integrated circuits
Graphene!
3. 发展方向
纵向： 越来越小……
粒子物理标准模型
粒子物理标准模型
qp: Q=2/3e, s=1/2 qn: Q=-1/3e, s=1/2 q: Q=-1/3e, s=1/2
相互作用的形式决定运动规律的特征
why
质点、刚体、弹性力学？ chips: 元件间限度 ＞ 10-8~10-9m
→ 单电子元件→ 钠米电子学，量子计算，bio-chips
※各个学科三者的基本特征 如力学、电磁学（含光学）、量子力学、热学与统计物理学… （同学自己思考，课外作业加分）
Diamond
Polymorphisms: Carbon
物理学
◆是其他自然学科的基础； ◆是高新技术革命性源泉；（机械、电气、电子与信息） ◆从根本上改变了人类的宇宙观、时空观（日心说、量子论、相对论）
促进了人类文明和社会进步,改变了人们的物质方式、文化方式以及战 争方式，极大的丰富了人类的知识宝库，使人类从自在逐渐走向自为; ◆是教育与培养现代人才必不可少的基础学科,
什么是固体？
什么是物理学？
绪论-绪——
固体物理学 与电子科学技术的关联？
Wuhan University
绪论的序:
➢ High Tech─ 微电子、光电子、氧化物电子、超导电子产业:
器件: 核心竞争力与原始创新 （80-日本，90-美国) 系统: 例 PC: CPU-Intel, AMD
整机-Dell, HP, IBM, 联想－，台湾－
1-3, 4-6 (简介)
(习题与答疑)
全部
(习题与答疑) (考试)
Wuhan University
成绩组成:
一. 测验考试
70%
1. 第一、二章 测验 15%
2. 第三、四章 测验 15%
3. 全部内容考试
40%
二. 平时behaviors
30%
1. 作业
20%
2. 互动
10%
绪论——
什么是固体物理学？
从满足孩童的好奇心到现代高科技离不开其熏陶。 （普适教育；科学家＝物理学家）
Feymann的话：
如果在某一次大的 灾难中，所有的科 学知识都将被毁灭， 只有一句话可以传 给下一代，那么， 怎样的说法能够以 最少的词汇包含最 多的信息呢？
我相信那就是：
原子假说
即：万物都有原子构成， 原子是一些小粒子，它 们永不停地四下运动， 当它们分开一个小距离 时彼此吸引，而被挤到
Lecture: 2010. Sep. – 2011. Jan.
教材: 固体物理学─ 蒋平 徐至中<上海科技出版社>
参考书:
1. 固体物理学
黄昆 韩汝琦 <高教出版社> (西欧)
2. 固体物理基础
阎守胜
<北京大学出版社>
(北美)
3. 固体物理学
胡安、章维意 <高等教育大学出版社>
4. Introduction to Solid State Physics ─ Eighth Edition
1962-1964 : Assistant at Université de Grenoble ( 1964-1965 : military service) 1964-1976 : Maitre Assistant at Université Paris-Sud (Orsay) 1976 to now: Professor of Physics at Université Paris-Sud.
➢电子科学与技术专业:
“四电子”器件:
设计 ( design)
微电子:
transistor IC-chip, device, EDA…
光电子: SQWL (semiconductor quantum well laser )
LED (light emission diode)
太阳能电池、热电发电机…
物理学 及其拓展
包括固、液、气、 等离子体、生物体 ②运动形式:
量变→质变 简单→复杂 初→ 高→ 生命
③大多数现行自然科学分支以此方向为基础：
固体物理和四大高新技术： 材料、信息、能源、生命
固体物理和四大会聚学科: 纳米、信息、生物、论知
４．地位：
科学：对事物规律性的论知体系（－概念及其关联） 是人类文明发展到一定阶段的产物 是人类对物质世界论识从自然思维到创造性思维的进化结果
B. 相互作用（力）
基本：
引力 电磁 弱相互作用 强相互作用
派生：
摩擦力、弹性力 推力、拉力 范德瓦尔斯力
引力 电磁 弱作用 强作用
相对强度 10－40 10－2 10－5 1
作用范围 0－∞ 0－∞
﹤10－13m ﹤10－13m
C 运动规律
机械、电磁、微观粒子、宇观运动、热
※三者关系： 结构决定相互作用的形式；
Publication : 2455 citations before March 2003, is in the " Top Ten " of the ten most cited Physical Review. Letters articles since the creation of PRL 1953.
概念 内容 发展 地位
1. 概念
物理学是
研究物质的基本结构， 基本相互作用 基本运动规律 的科学。
2. 内容——三要素
A 结构： 物质是由哪些基本单元组成─空间形式 时间序列
三(四）个层次：
介观（10-7~-10－9m nanoscale)
↑
微观 ← h常数 → 宏观 ← H常数
↓
↓
10-35m
10-6m ～10？m
！
超导电子学 — 超导体 PbNb, YBa2Cu3O7-
自旋电子学 — AMR,GMR, TMR, CMR
LED发光管结构图
P n
n
SQW MQW
470 nm 蓝光二极管LED结构
问题-
◆ Why 能发蓝光? ◆ why 需要几层不同
成分的 GaN? ◆ 不同层的厚度如何
确定?
AlGaN/GaN -HEMT结构
Wuhan University
祝同学们 学习愉快！
新的学年 有新的进步！
武汉大学 Wuhan University
固体物理学
Solid State Physics
石兢
Phone: 6875-4613 (Lab); 6876-6776 (home) 1380-868-7668 (Cell)
Email: jshi@whu.edu.cn
PRL61(1988)2472-2474 (3 page) Based on: MBE
(Bell Lab: 朱以和 )
Peter Grünberg
Born 1937 Retire Professor: Research Center of Jülich, German
Many Patents 夫人-
Giant Magnetoresistance - A. Fert and P. Grunberg
Giant Magnetoresistance (GMR) j
Fe
室温: MR=17%
Cr
3nm 0.9nm
superlattic e
A.Fert: PRL61(1988)2472
4.2K H 0
Albert Fert
氧化物电子：气敏、电敏、光敏传感器…. 超导电子：SQUID （filter，心磁图…）
How? Or Why?
培养具有原创能力的设计师与Engineer!
➢器件设计与固体物理学:
微电子学 — 元素半导体 Si,Ge
光电子学 — 化合物半导体 InP. GaAs GaN
固Biblioteka Baidu
体
氧化物电子学 — 铁电绝缘体等 BaTiO3
爱因斯坦:
光量子论—波与粒子统一 侠义相对论— 时间与空间的统一 广义相对论—时间、空间与物质的统一 E=ｍｃ2 – 物质与能量的统一
四种相互作用的统一……．
3. 发展方向
纵向： 越来越小，越来越大→两极相通
统一!
物理学自身
横向： 由大量基元组成的具有多自由度的物质系统
①形式多样：一生二，二生三，三生万物，