1、新技術(shù)的物理基礎(chǔ),第十八章,18-1 固體的能帶理論,固體指具有確定形狀和體積的物體。 分為：晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體,一、晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類,1、晶體結(jié)構(gòu),外觀上：具有規(guī)則的幾何形狀 微觀上：晶體點(diǎn)陣（晶格）,基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長程有序性,晶體中的重復(fù)單元稱為晶胞,立方,體心立方,面心立方,晶體 組成,結(jié)合力,結(jié)合力 特性,晶體特性,晶體 組成,結(jié)合力,結(jié)合力 特性,晶體特性,二、固體的能帶,1、電子共有化,由于晶體中原子的周期性排列而使價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，稱為電子的共有化。,2、能帶的形成,電子的共有化使原先每個(gè)原子中具有相同能級的電子能級，因各原子間的相互影響而分裂成一系

2、列和原來能級很接近的新能級，形成能帶。,能帶的一般規(guī)律：,2. 越是外層電子，能帶越寬，E越大。,1. 原子間距越小，能帶越寬，E越大。,3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。,禁帶：兩個(gè)相鄰能帶間可能有一個(gè)不被允許的能量間隔。,電子在能帶中的分布：,1、每個(gè)能帶可以容納的電子數(shù)等于與該能帶相應(yīng)的原子能級所能容納的電子數(shù)的N倍（N是組成晶體的原子個(gè)數(shù)）。,2、正常情況下，總是優(yōu)先填能量較低的能級。,滿帶：各能級都被電子填滿的能帶。 滿帶中電子不參與導(dǎo)電過程。,價(jià)帶：由價(jià)電子能級分裂而形成的能帶。 價(jià)帶能量最高，可能被填滿，也可不滿。,空帶：與各原子的激發(fā)態(tài)能級相應(yīng)的能帶。 正常情況下沒有電子填入。,三、導(dǎo)

3、體和絕緣體,當(dāng)溫度接近熱力學(xué)溫度零度時(shí)，半導(dǎo)體和絕緣體都具有滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。,一個(gè)好的金屬導(dǎo)體，它最上面的能帶或是未被電子填滿，或雖被填滿但填滿的能帶卻與空帶相重疊。,四、半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。,雜質(zhì)半導(dǎo)體是指摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體。,電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子,空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴（滿帶上 的一個(gè)電子躍遷到空帶后,滿帶 中出現(xiàn)的空位）,1、 n型半導(dǎo)體,在四價(jià)元素中摻入少量五價(jià)元素，形成n型半導(dǎo)體。,2、 p型半導(dǎo)體,在四價(jià)元素中摻入少量三價(jià)元素，形成p型半導(dǎo)體。,3、p-n結(jié)的形成,由于n區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)的空穴向p區(qū)擴(kuò)散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的交界面

4、附近產(chǎn)生了一個(gè)電場 , 稱為內(nèi)電場。,p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，n區(qū)接負(fù)極,阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動，電子向p區(qū)運(yùn)動，形成正向電流。,在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，n區(qū)接正極。,阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動，也不利于電子向p區(qū)運(yùn)動。,4、半導(dǎo)體的其他特征和應(yīng)用,熱敏電阻,半導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而指數(shù)下降，導(dǎo)電性能隨變化十分靈敏。,熱敏電阻體積小、熱慣性小、壽命長,光敏電阻,在可見光照射下，半導(dǎo)體硒的電阻隨光強(qiáng)增加而急劇減小，但要求照射光的頻率大于紅限頻率。,溫差電偶,將兩種不同的半導(dǎo)體組成回路，兩個(gè)接頭處于不同溫度，回路中將產(chǎn)生溫差

5、電動勢。,電勢差增加，半導(dǎo)體內(nèi)電場也增強(qiáng)，阻止載流子擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。,18-2 激光原理,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,Laser受激輻射光放大,一、激光的基本原理,1、自發(fā)輻射與受激輻射,光與原子體系相互作用，同時(shí)存在吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種過程。,自發(fā)輻射,在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時(shí)輻射出一光子。,滿足條件：h=E2-E1,隨機(jī)過程，用概率描述,N2t時(shí)刻處于能級E2上的原子數(shù),單位時(shí)間內(nèi)從高能級自發(fā)躍遷到 低能級的原子數(shù),A21自發(fā)輻射概率（自發(fā)躍遷率）：表示一

6、個(gè)原子 在單位時(shí)間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1的概率,自發(fā)輻射過程中各個(gè)原子輻射出的光子的相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等彼此獨(dú)立，因而自發(fā)輻射的光是非相干光。,受激輻射,處于高能級E2上的原子，受到能量為h= E2- E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時(shí)輻射出一個(gè)與激勵光子全同的光子。,頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同,隨機(jī)過程，用概率描述,單位時(shí)間內(nèi)從高能級E2受激躍遷到 低能級E1的原子數(shù),B21受激輻射系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）,W21表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2受激輻射 躍遷到E1的概率, (,t)輻射場的能量密度,受激吸收,能量為h= E2- E1的光子入射原子系統(tǒng)

7、時(shí)，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。,N1t時(shí)刻處于能級E1上的原子數(shù),單位時(shí)間內(nèi)由于吸收光子從E1躍遷 到E2的原子數(shù)密度,W12受激吸收躍遷概率,B12受激吸收系數(shù), (,t)輻射場的能量密度,2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn),激光是通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射,根據(jù)玻爾茲曼能量分布律,熱動平衡下， N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)粒子數(shù)的正常分布,受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉(zhuǎn),高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù),實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：,要有實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有 適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)； 必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的 粒子

8、處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）,激勵方法：光激勵、電激勵、化學(xué)激勵,工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長),只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),工作躍遷,3、光學(xué)諧振腔,光學(xué)諧振腔,輸出,全反射鏡 （100%反射鏡）,部分透光反射鏡 （98%反射）,光學(xué)諧振腔,光學(xué)諧振腔的作用：,1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；,2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；,3.使激光具有極好的單色性（選頻）。,4、縱模與橫模,諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波,或,腔長,諧振頻率,頻譜中每個(gè)諧振頻率成為一個(gè)振蕩縱模。,激光的縱模,相鄰兩縱模間隔,諧振腔選頻作用： 工作物質(zhì)輻射的譜線有一定寬度，只有滿

9、足閾值條件，并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。,輸出縱模個(gè)數(shù)：,激光的橫模,激光斑中的光的強(qiáng)度有不同形式的穩(wěn)定分布花樣， 在光束橫截面上的穩(wěn)定分布稱為激光橫模。,基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的位相相同，空間相干性最好。,工作物質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu),光學(xué)諧振腔：維持光振蕩,激勵（又叫泵浦）系統(tǒng)：供給能量，輸出激光,二、激光器,He-Ne 氣體激光器,電子碰撞,碰撞轉(zhuǎn)移,He、Ne原子部分能級圖,三、激光的特性,4、能量集中,3、相干性好,2、方向性好,1、單色性好,單色性較好的普通光,He-Ne激光器發(fā)出的紅光,四、激光的應(yīng)用,4、激光在受控核聚變中的應(yīng)用,3、光信息處理和激光通信,2、激光加工與激

10、光醫(yī)療,1、激光測距,干涉測長、激光調(diào)制測距、激光雷達(dá)測距,打孔、切割、焊接 、外科手術(shù)刀、武器,光盤的高速高密記錄、激光打印機(jī),5、激光的非線性效應(yīng),激光光纖通訊,由于光波的頻率 比電波的頻率高 好幾個(gè)數(shù)量級，,一根極細(xì)的光纖 能承載的信息量， 相當(dāng)于圖片中這 麼粗的電纜所能 承載的信息量。,激光手術(shù)刀,（不需開胸，不住院）,照明束：照亮視場, 纖維鏡激光光纖： 成象, 有源纖維強(qiáng)激光： 使堵塞物熔化, 附屬通道： （可注入氣或液） 排除殘物以明視線,套環(huán)： （可充、放氣） 阻止血流或使血流流通,激光 原子力顯微鏡(AFM),用一根鎢探針或硅 探針在距試樣表面 幾毫微米的高度上 反復(fù)移動,來

11、探測固 體表面的情況。,試樣通常是 微電子器件。,18-3 超導(dǎo)電性,1911年昂尼斯（K.Onnes）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。,一、超導(dǎo)的基本特性,1、零電阻效應(yīng),某些金屬、合金及化合物的溫度低于某一值時(shí)，電阻突然為零。,說明：只有穩(wěn)恒電流的情況下才有零電阻效應(yīng)。,超導(dǎo)體,臨界溫度Tc,2、邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）,處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零。,3、臨界磁場和臨界電流,超導(dǎo)態(tài)能被足夠強(qiáng)的磁場所破壞。,超導(dǎo)體所能承載的電流也受限制。,超導(dǎo)材料只有滿足下述條件才能處于超導(dǎo)態(tài),4、同位素效應(yīng),超導(dǎo)臨界溫度與元素的同位素質(zhì)量有關(guān),5、能隙,超導(dǎo)中電子的能量存在類似半導(dǎo)體禁帶的情況,二、超導(dǎo)體的微觀機(jī)

12、制,1、金屬導(dǎo)體電阻的電子理論,電子波在非嚴(yán)格周期性勢場中傳播將會發(fā)生散射，使自由電子的動量發(fā)生變化，即電子在電流方向上的加速受到阻礙。,散射的原因,2、弗羅里希的“電-聲”作用,電子密度在局部范圍內(nèi)有大有小，高密度的電子會對附近的離子晶格產(chǎn)生較大吸引力，是該處的離子實(shí)離開自己的平衡位置而產(chǎn)生振動，振動傳播形成晶格波。,晶格波的能量量子化，每一份能量為,電子之間有一種有效吸引， 是通過交換聲子而實(shí)現(xiàn)的。,3、BCS理論,只要兩個(gè)電子之間存在有凈的吸引作用，不論多么微弱，結(jié)果總能形成電子對束縛態(tài)。,庫珀對使整個(gè)導(dǎo)體處于更為有序化的狀態(tài)。,BCS理論的核心：,在超導(dǎo)態(tài)中，電子通過電聲作用而結(jié)成束縛

13、態(tài)的庫珀對，而泡利不相容原理使所有的庫珀對電子有序化為群體電子的動量和角動量相關(guān)為零。,超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，價(jià)電子以庫珀對為整體與晶格作用，庫珀對電子在散射前后總動量仍然保持不變，即電流的流動不發(fā)生變化，因此沒有電阻。,三、超導(dǎo)材料的分類,按超導(dǎo)體在臨界磁場Hc時(shí)將磁通排斥在超導(dǎo)體外的方式分類：,在臨界磁場以下，磁通是完全被排斥在超導(dǎo)體之外的，只要磁場高于臨界磁場，磁場就完全透入超導(dǎo)體中，材料也恢復(fù)正常。,第類超導(dǎo)材料,超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)的轉(zhuǎn)變無任何中間態(tài)。,存在兩個(gè)臨界磁場（下臨界磁場和上臨界磁場），材料處于下臨界磁場時(shí)是完全超導(dǎo)態(tài)，在下臨界磁場和上臨界磁場之間，處于混合態(tài)。當(dāng)磁場達(dá)到上臨界磁場

14、時(shí)，磁場完全透入材料并完全恢復(fù)到有電阻的正常態(tài)。,第類超導(dǎo)材料,高溫超導(dǎo)材料,四、超導(dǎo)理論新動向,“激子機(jī)制”而形成電子對。,1987年安德遜提出共振理論，認(rèn)為電子在晶格附近配成自旋相反的共價(jià)鍵，通過摻雜的驅(qū)動，這種共價(jià)電子就共振轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞯膸扃陮Χ纬沙瑢?dǎo)。,羅伏茲提出固體中電子氣的密度發(fā)生起伏，以波的形式傳遞而形成電荷密度波。,現(xiàn)在超導(dǎo)材料主要是多元金屬氧化物。,五、超導(dǎo)電性在工業(yè)上的應(yīng)用,電能在零電阻輸送，完全沒有損耗,大尺度、強(qiáng)磁場、低消耗,2、超導(dǎo)電纜,1、超導(dǎo)磁體,3、超導(dǎo)儲能,超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持

15、在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)。,六、約瑟夫遜效應(yīng)及其應(yīng)用,絕緣層對電子來說是一個(gè)勢壘，電子動能小于勢壘高度時(shí)，仍有一定的概率貫穿勢壘。,超導(dǎo)結(jié)：N-I-N結(jié)、N-I-S結(jié)、S-I-S結(jié),N正常態(tài)金屬膜，S超導(dǎo)體，I絕緣層,1、單電子隧道效應(yīng),只要隧道結(jié)的勢壘層足夠薄，庫珀對可貫穿勢壘。,庫珀對的S-I-S結(jié)隧道效應(yīng),2、約瑟夫遜效應(yīng),ab段結(jié)電壓（S-I-S結(jié)兩端電壓）為零，此時(shí)電流為超導(dǎo)隧道電流。,bc段顯示出正常態(tài)的電流電壓關(guān)系。,結(jié)電壓為零時(shí)，為常數(shù)，電流恒定。,(1)直流約瑟夫遜效應(yīng),隧道電流超過最大約瑟夫遜電流，結(jié)電壓不為零時(shí),結(jié)電壓不為零時(shí)，會出現(xiàn)一個(gè)交變電流。,(2)交流約瑟夫遜

16、效應(yīng),(1)超導(dǎo)量子干涉器,3、約瑟夫遜效應(yīng)的主要應(yīng)用,(2)電壓標(biāo)準(zhǔn),(3)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件,18-4 納米科學(xué)技術(shù)簡介,一、納米材料學(xué),納米材料是線度為納米量級的超微顆粒在一定條件下加壓制成固體材料或用沉積方法制成薄膜。,納米顆粒大小范圍：0.1nm100nm,納米顆粒包含原子數(shù)：102104個(gè)，50%為界面原子。,1、納米顆粒的奇異特性,(1)小尺寸效應(yīng),(2)表面效應(yīng),(3)量子效應(yīng),2、納米材料及應(yīng)用,原子團(tuán)簇,原子團(tuán)是由多個(gè)原子組成的小粒子。,原子團(tuán)簇尺寸小于20nm，約含幾個(gè)到105個(gè)原子。,原子團(tuán)簇的特性：,(1)具有碩大的表面體積比而呈現(xiàn)出表面或界面效應(yīng),(2)幻數(shù)效應(yīng),(3)原子團(tuán)尺寸小于臨界值時(shí)的“庫侖”爆炸,(4)原子團(tuán)逸出功的振蕩行為,納米顆粒,顆粒尺寸為納米量級的超微顆粒，尺度大于原子團(tuán)簇，小于通常的微粉，在1100nm之間。,不具有幻數(shù)效應(yīng)，但具有量子效應(yīng)。,納米碳管,圓柱狀分子。石墨的層狀六角結(jié)構(gòu)，每一層邊緣翹起從而形成一種更穩(wěn)定的卷桶結(jié)構(gòu)，即碳管。,特性：,(1)重量很輕，卻有很高的彈性模量； 受壓力時(shí)不