第02章固体物理学入门
38页1、第 2 章 固体物理学入门 第 2 章 固体物理学入门 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。 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。 固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质, 包括晶体和非晶态固 体。简单地说,固体物理学的基本问题有:固体是由什么原子组成的?它们是怎 样排列和结合的?这种结构是如何形成的?在特定的固体中,电子和原子取什么 样的具体的运动形态?它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系?各种固 体有哪些可能的应用?探索设计和制备新的固体,研究其特性、开发其应用。 固体物理学的基本问题有:固体是由什么原子组成的?它们是怎 样排列和结合的?这种结构是如何形成的?在特定的固体中,电子和原子取什么 样的具体的运动形态?它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系?各种固 体有哪些可能的应用?探索设计和制备新的固体,研究其特性、开发其应用。 晶体的结构以及它的物
2、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 华键合)和氢键合。根据 X 射线衍射强度分析和晶体的物理、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, 可以准确地判定该晶体具有何种 键合形式。 固体中每立方厘米内有 10 22个粒子, 它们靠电磁相互作用而联系起来。 因此, 固体物理学所面对的实际上是多体问题。在固体中,粒子之间种种各具特点的耦 合方式导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式, 造成不同的固体有千 差万别的物理性质。 晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷,它们对固体的物性,以及功能材料 的技术性能都有重要的影响。半导体的电学、光学等性质依赖于其中的杂质和 缺陷;大规模集成电路的工艺中控制和利用杂质及缺陷是极为重要妁。数十年 来在此领域积累了大量的研究成果,为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体 激光器的出现奠定了基础。 晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷,它们对固体的物性,以及功能材料 的技术性能都有重要的影响。半导体的电学、光学等性质依赖于其中的杂质和 缺陷;大规模集成电路的工艺中控制
3、和利用杂质及缺陷是极为重要妁。数十年 来在此领域积累了大量的研究成果,为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体 激光器的出现奠定了基础。 同体内相比,晶体表面具有独特的结构和物理、化学性质。这是由于表面原 子所处的环境同体内原子不一样, 在表面几个原子层的范围内表面的组分和原子 排列形成的二维结构都同体内与之平行的晶面不一样的缘故。 表面微观粒子所处 的势场同体内不一样, 因而形成独具特征的表面粒子的运动状态,限制粒子只 能在表面层内运动并具有相应的本征能量,它们的行为对表面的物理、化学性质 起着重要作用。 实验条件和技术日新月异,为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温和 超高压以及强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技同 步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微 术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段,使固体物 理性质的研究不断向深度和广度发展。 由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等 学科的基础,也由于固体物理学科内在的因素,固体物理的研究论文已占物理 学中研究论文三分之一以上。同时,固
4、体物理学的成就和实验手段对化学物理、 催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长,正在形成新的交叉领域。 由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等 学科的基础,也由于固体物理学科内在的因素,固体物理的研究论文已占物理 学中研究论文三分之一以上。同时,固体物理学的成就和实验手段对化学物理、 催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长,正在形成新的交叉领域。 本章主要介绍固体物理学的一些基础知识和半导体能带理论,为理解太阳 能电池的工作原理打下基础。固体物理学是凝聚态物理的主干,也是半导体和 光伏专业的理论基础。 本章主要介绍固体物理学的一些基础知识和半导体能带理论,为理解太阳 能电池的工作原理打下基础。固体物理学是凝聚态物理的主干,也是半导体和 光伏专业的理论基础。 固体物理学是研究固体的性质、 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的学科。固体的内部 结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简 单,而且具有明显的规律性,较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物 体的内部结构、内部运动以及它们与宏观
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