演講人：日期:固體物理基礎(chǔ)講解CATALOGUE目錄01晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)02能帶理論核心概念03晶格振動與聲子04半導(dǎo)體物理特性05固體磁性基礎(chǔ)06現(xiàn)代固體物理應(yīng)用01晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶格與基元定義晶胞描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，是晶格在三維空間中的最小重復(fù)單元。晶胞的選取應(yīng)具有代表性，能夠反映晶體的全部結(jié)構(gòu)特征?；Ц裰械淖钚〗Y(jié)構(gòu)單元，可以是原子、離子或分子等?；诰Ц裰械闹芷谛灾貜?fù)構(gòu)成了晶體結(jié)構(gòu)。晶格指晶體中原子、離子或分子的空間排列形式，是晶體結(jié)構(gòu)的基本骨架。常見晶體結(jié)構(gòu)類型簡立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)六方最密堆積結(jié)構(gòu)每個晶胞包含8個位于頂點(diǎn)的原子，每個原子被相鄰的8個晶胞共享。每個晶胞包含8個位于面心的原子和6個位于頂點(diǎn)的原子，面心原子被相鄰的兩個晶胞共享。每個晶胞包含一個位于體心的原子和8個位于頂點(diǎn)的原子，體心原子僅屬于該晶胞。由兩種大小相同但形狀不同的原子按最密方式堆積而成，每個原子都有12個近鄰原子。布拉維點(diǎn)陣對稱性分析平移對稱性晶體結(jié)構(gòu)中，任意兩個基元之間都可以通過平移操作相互重合，這種平移操作具有周期性。復(fù)合對稱性晶體結(jié)構(gòu)可能同時具有多種對稱性，如平移對稱性、旋轉(zhuǎn)對稱性和鏡像對稱性等。這些對稱性的組合使得晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和有序。旋轉(zhuǎn)對稱性晶體結(jié)構(gòu)在某些方向上具有旋轉(zhuǎn)對稱性，即繞某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度后，晶體結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)重合。鏡像對稱性晶體結(jié)構(gòu)在某些方向上具有鏡像對稱性，即通過一個平面反射后，晶體結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)重合。02能帶理論核心概念布洛赫定理簡介布洛赫波的概念晶體中的電子在周期性勢場中運(yùn)動時，其波函數(shù)具有調(diào)幅平面波的形式，即布洛赫波。布洛赫定理的表述在周期性勢場中，電子的波函數(shù)可以寫成一個平面波與周期性函數(shù)的乘積形式，這個周期性函數(shù)具有與晶格相同的周期。布洛赫定理的物理意義揭示了晶體中電子運(yùn)動的基本規(guī)律，即電子在周期性勢場中的運(yùn)動可以看作是在一個等效的、簡化的周期性勢場中的運(yùn)動。價帶與導(dǎo)帶形成機(jī)制價帶與導(dǎo)帶的定義在能帶理論中，價帶是指電子填滿的能量帶，而導(dǎo)帶是指電子未填滿的能量帶。價帶與導(dǎo)帶的形成價帶的形成源于原子中的價電子，這些電子在晶體中共享并形成共價鍵；導(dǎo)帶的形成則源于原子中的外層電子或自由電子，它們可以在晶體中自由移動。帶隙的概念價帶與導(dǎo)帶之間的能量間隔稱為帶隙，它是決定材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵因素。在絕緣體中，帶隙較大，電子難以從價帶躍遷到導(dǎo)帶；而在導(dǎo)體中，帶隙很小或?yàn)榱?，電子容易在價帶和導(dǎo)帶之間自由移動。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相似，但具有較小的帶隙，這使得在一定條件下電子可以容易地從價帶躍遷到導(dǎo)帶。半導(dǎo)體與絕緣體能帶差異半導(dǎo)體與絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)通過向半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)元素，可以改變其能帶結(jié)構(gòu)，從而控制其導(dǎo)電性能。例如，摻入施主雜質(zhì)可以增加導(dǎo)帶中的電子濃度，而摻入受主雜質(zhì)則可以增加價帶中的空穴濃度。摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度都會增加，從而使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)。這是因?yàn)闇囟壬呖梢约ぐl(fā)更多的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時增加價帶中的空穴濃度。溫度對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響03晶格振動與聲子一維單原子鏈振動模型簡諧振動振動傳播振動模式色散關(guān)系原子在其平衡位置附近做簡諧振動，振動頻率與原子質(zhì)量及彈簧常數(shù)有關(guān)。一維單原子鏈的振動模式包括一個聲學(xué)模式和多個光學(xué)模式，其中聲學(xué)模式對應(yīng)整體平移。振動以波的形式在鏈中傳播，形成格波。描述波矢與頻率之間的關(guān)系，即晶格振動的色散關(guān)系。聲子能量量子化描述聲子概念晶格振動能量量子化后的最小單位叫聲子，它是一種準(zhǔn)粒子。聲子能量聲子的能量與振動頻率成正比，且是量子化的。聲子統(tǒng)計(jì)分布遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布，描述聲子在不同能級上的分布情況。聲子動量與晶格振動聲子攜帶的動量與晶格振動有關(guān)，可視為晶格振動的動量。熱容德拜模型應(yīng)用德拜模型熱容與溫度關(guān)系德拜溫度德拜模型的應(yīng)用將晶格振動看作彈性波在固體中的傳播，從而得出熱容與溫度的關(guān)系。在低溫下，熱容與溫度成三次方關(guān)系；在高溫下，熱容趨于常數(shù)。描述晶格振動特征的溫度，與晶體的熔點(diǎn)、硬度等物理性質(zhì)有關(guān)?？捎糜谟?jì)算晶體的熱容、熱導(dǎo)率等熱學(xué)性質(zhì)，以及預(yù)測固體在低溫下的行為。04半導(dǎo)體物理特性本征與摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：純凈的、無雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能主要由熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子決定。例子：高純度的硅（Si）和鍺（Ge）。特點(diǎn)：導(dǎo)電性能較弱，隨溫度升高而增強(qiáng)。摻雜半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中加入少量雜質(zhì)元素，顯著改變其導(dǎo)電性能。N型半導(dǎo)體：摻入施主雜質(zhì)（如磷、砷），增加電子濃度。P型半導(dǎo)體：摻入受主雜質(zhì)（如硼、鎵），增加空穴濃度。特性：摻雜濃度越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)；摻雜元素種類和濃度決定半導(dǎo)體類型及導(dǎo)電特性。載流子遷移率影響因素雜質(zhì)濃度聲子散射溫度磁場摻雜濃度越高，載流子遷移率越低，因?yàn)殡s質(zhì)離子對載流子的散射作用增強(qiáng)。隨溫度升高，載流子遷移率增大，因?yàn)闇囟壬呤咕Ц裾駝蛹觿。⑸渥饔脺p弱。在高溫下，晶格振動（聲子）對載流子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致遷移率下降。在磁場作用下，載流子受到洛倫茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致遷移率變化。PN結(jié)形成P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時，由于電子和空穴的擴(kuò)散作用，形成空間電荷區(qū)（耗盡層），阻礙載流子的進(jìn)一步擴(kuò)散。內(nèi)建電場空間電荷區(qū)形成的內(nèi)建電場對載流子產(chǎn)生漂移作用，使其恢復(fù)平衡狀態(tài)。耗盡層寬度與摻雜濃度和溫度有關(guān)，摻雜濃度越高，耗盡層寬度越窄；溫度越高，耗盡層寬度越寬。整流效應(yīng)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向?qū)ā⒎聪蚪刂埂Ｕ蚱卯?dāng)外加電壓使PN結(jié)內(nèi)建電場減小時，耗盡層變窄，載流子容易通過，呈現(xiàn)低阻態(tài)（導(dǎo)通）。反向偏置當(dāng)外加電壓使PN結(jié)內(nèi)建電場增大時，耗盡層變寬，載流子難以通過，呈現(xiàn)高阻態(tài)（截止）。PN結(jié)形成與整流效應(yīng)01040205030605固體磁性基礎(chǔ)順磁性與抗磁性起源順磁性物質(zhì)對磁場響應(yīng)很弱的磁性，源于原子磁矩的無規(guī)則排列，外加磁場能使其有序排列。01抗磁性物質(zhì)在磁場中磁化方向與磁場方向相反的磁性，由原子中電子自旋和軌道運(yùn)動產(chǎn)生磁矩相互抵消所致。02起源解釋順磁性源于未成對電子的磁矩，抗磁性則源于所有電子磁矩的完全抵消。03鐵磁體居里溫度特性鐵磁體具有自發(fā)磁化能力的物質(zhì)，磁矩在一定區(qū)域內(nèi)有序排列，形成磁疇。居里溫度鐵磁體失去自發(fā)磁化能力的溫度，超過此溫度，鐵磁體變?yōu)轫槾判?。影響因素居里溫度受物質(zhì)成分、晶體結(jié)構(gòu)以及磁相互作用等多種因素影響。磁疇結(jié)構(gòu)與技術(shù)應(yīng)用磁疇控制通過磁場、應(yīng)力、溫度等手段控制磁疇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信息的存儲和讀取。03磁疇結(jié)構(gòu)是磁記錄和磁存儲的基礎(chǔ)，如磁帶、硬盤等存儲設(shè)備。02技術(shù)應(yīng)用磁疇結(jié)構(gòu)鐵磁體中磁矩有序排列的區(qū)域，磁疇之間通過磁疇壁進(jìn)行過渡。0106現(xiàn)代固體物理應(yīng)用零電阻現(xiàn)象超導(dǎo)材料在低于臨界溫度時，電阻突然降為零，電流可以無損耗地流動。邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下，磁力線被完全排斥出體外，表現(xiàn)出抗磁性。約瑟夫森效應(yīng)超導(dǎo)材料之間的弱連接處，電子可以隧穿通過，形成超導(dǎo)電流，具有量子效應(yīng)。超導(dǎo)體的分類根據(jù)超導(dǎo)體的特性和應(yīng)用，可以分為低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體兩類。超導(dǎo)材料基本現(xiàn)象納米材料量子限域效應(yīng)納米材料的顆粒尺寸減小到與其激子玻爾半徑相近時，其光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)會發(fā)生顯著變化。量子尺寸效應(yīng)納米材料的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑的減小而急劇增大，導(dǎo)致表面能增加，表面性質(zhì)變得極為活潑。表面效應(yīng)納米材料的電子和空穴被限制在納米尺度空間內(nèi)，導(dǎo)致能級量子化，形成分立能級。量子限域效應(yīng)納米材料的尺寸與光波波長、德布羅意波長等相當(dāng)或更小時，其周期性邊界條件將被破壞，導(dǎo)致材料的光、電、磁等性質(zhì)發(fā)生顯著變化。小尺寸效應(yīng)拓?fù)浣^緣體前沿進(jìn)展拓?fù)浣^緣體定義拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)，其內(nèi)部是絕緣體，表面卻存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)。拓?fù)浣^緣體的特性拓?fù)浣^緣體具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)，表面態(tài)的電子自旋和動量方向鎖