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固體物理學,是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內部運動,以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關係的學科。  

1 固體物理學 -概述

固體物理學固體物理學
固體物理學,是研究固體物質的物理性質、微觀結構、構成物質的各種粒子的運動形態,及其相互關係的科學,它是物理學中內容極豐富、應用極廣泛的分支學科,固體物理對於技術的發展有很多重要的應用,晶體管發明以後,集成電路技術迅速發展,電子學技術、計算技術以至整個信息產業也隨之迅速發展。其經濟影響和社會影響是革命性的。

2 固體物理學 -研究歷史 

早在18世紀R.J.阿維對晶體外部的幾何規則性就有一定的認識,後來A.布喇菲在1850年導出14種點陣。E.C.費奧多羅夫在1890年和A.M.熊夫利在1891年以及W.巴洛在1895年各自建立了晶體對稱性的群理論。這為固體的理論發展找到基本的數學影響深遠。

1912年M.von勞厄等發現X射線通過晶體的衍射現象,證實了晶體內部原子周期性排列的結構。加上後來布喇格父子1913年的工作,建立了晶體結構分析的基礎。對於磁有序結構的晶體,增加了自旋磁矩有序排列的對稱性,直到50年代Α.Β.舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對稱群理論。

第二次世界大戰後發展的中子衍射技術,是磁性晶體結構分析的重要手段。70年代出現了高分辨電子顯微鏡點陣成像技術,在致力於晶體結構的觀察方面有所進步。60年代起人們開始研究在超高真空條件下晶體解理后表面的原子結構。20年代末發現的低能電子衍射技術在60年代經過改善成為研究晶體表面的有力工具。近年來發展的掃描隧道顯微鏡,可以相當高的解析度探測表面的原子結構。 

3 固體物理學 -主要特點

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在固體中,粒子之間種種各具特點的耦合方式,導致粒子具有特定的集體運動形式和個體運動形式,造成不同的固體有千差萬別的物理性質。W.R.哈密頓在1839年討論了排成陣列的質點系的微振動,人們稱此模式為電磁耦合場振蕩,相應的能量量子稱為極化激元。

在很低的溫度,由於熱擾動強度降低,在某些固體中出現宏觀量子現象,某些半導體中的電子-空穴液滴,以及若干二維體系中的分數量子霍耳效應等都是宏觀的量子現象。

通過巡遊電子耦合趨於平行排列,產生鐵磁性。居里溫度很低的弱鐵磁體,其中沒有局域磁矩,它的鐵磁性同自旋密度的起伏有關。過渡金屬的鐵磁性是一個困難又複雜的多體問題,還沒有比較滿意的理論處理。  

相變在固體物理學中相變佔有重要地位,它涉及熔化、凝聚、凝固、晶體生長、蒸發、相平衡、相變動力學、臨界現象等,某些固體其特徵物性沿一定方向周期變化,此周期與點陣的周期可能通約或不可通約,分別形成有公度相和無公度相。  

4 固體物理學 -晶體缺陷

實際晶體或多或少存在各種雜質和缺陷。依照傳統的分類有:點缺陷、線缺陷(見位錯)和面缺陷。它們對固體的物性以及功能材料的技術性能都起重要的作用。半導體的電學、發光學等性質依賴於其中的雜質和缺陷。大規模集成電路的工藝中控制(和利用)雜質和缺陷是極為重要的。  

硬鐵磁體、硬超導體、高強度金屬等材料的功能雖然很不同,但其技術性能之所以強或硬,卻都依賴於材料中一種缺陷的運動。在硬鐵磁體中這缺陷是磁疇壁(面缺陷),在超導體中它是量子磁通線,在高強度金屬中它是位錯線,採取適當工藝使這些缺陷在材料的微結構上被釘住不動,有益於提高其技術性能。

高分辨電子顯微術正促使人們在更深的層次上來研究雜質、缺陷和它們的複合物。電子順磁共振、穆斯堡爾效應、正電子湮沒技術等已成為研究雜質和缺陷的有力手段。在理論上藉助於拓撲學和非線性方程的解,正為缺陷的研究開闢新的方向(見晶體缺陷)。

界面有固體-固體、固體-液體、固體-氣體界面之分。固體器件的基礎是在界面發生的物理過程,隨著微電子技術發展,器件的尺寸日益縮小,表面和界面的物理效應更加突出。特別是硅場效應管的硅-二氧化硅界面形成表面勢阱,在其中的電子構成二維運動的電子氣,具有獨特的性質,包括電子態局域化和 K.von克利青在1980年發現的量子霍耳效應以及D.C.崔琦在1981年發現的分數量子霍耳效應,涉及固體物理基本問題的現象。許多電化學過程發生在固體-電解液界面,腐蝕則常發生於固體-氣體和固體-液體界面,因此界面物理和表面物理一樣具有巨大的實際意義。

5 固體物理學 -非晶態固體

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 非晶態固體的物理性質同晶體有很大差別,這同它們的原子結構、電子態以及各種微觀過程有密切聯繫。從結構上來分,非晶態固體有兩類(見無序體系)。一類是成分無序,在具有周期性的點陣位置上隨機分佈著不同的原子(如二元無序合金)或者不同的磁矩(如無序磁性晶體)。在這類體系中物理量不再有平移對稱性。另一類是結構無序,表徵長程序的周期性完全破壞,點陣失去意義。  

非晶態合金具有特殊的物理性質。非晶態磁性固體可以在較低的外磁場下達到飽和,磁損耗減小。所以非晶態合金具有多方面用途,無序體系是一個複雜的新領域,非晶態固體實際上是一個亞穩態。

6 固體物理學 -亞穩狀態

無序體系是一個複雜的新領域,非晶態固體實際上是一個亞穩態。新的實驗條件和技術日新月異,為固體物理不斷開拓出新的研究領域。極低溫、超高壓、強磁場等極端條件、超高真空技術、表面能譜術、材料製備的新技術、同步輻射技術、核物理技術、激光技術、光散射效應、各種粒子束技術、電子顯微術、穆斯堡爾效應、正電子湮沒技術、磁共振技術等現代化實驗手段,使固體物理性質的研究不斷向深度和廣度發展。

由於固體物理本身是微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科的基礎,也由於固體物理學科內在的因素,固體物理的研究論文已佔物理學中研究論文三分之一以上。同時,固體物理學的成就和實驗手段對化學物理、催化學科、生命科學、地學等的影響日益增長,正在形成新的交叉領域。

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