的研究更加完美，而且逐渐走出大块晶体的范畴，开始了对微细材料
和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：
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二、固体物理学发展历程
英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃
肖洛夫以石墨烯研究获得２０１０年度诺贝尔物理学奖
康斯坦丁·诺沃肖洛夫 1974年8月月出生
安德烈·海姆 1958年10月出生
因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导
例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。
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二、固体物理学发展历程
凝聚态物理学研究对象日益扩展，更为复杂。一方面传统的固体物理 各个分支如金属物理、半导体物理、 磁学、低温物理和电介质物理等的研 究更深入，各分支之间的联系更趋密切； 另一方面许多新的分支不断涌现，如强关联电子体系物理学、无序体
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二、固体物理学发展历程
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形
成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把 石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成 零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube,
《固体物理学》教学课件
高
峰
合肥工业大学 电子科学与应用物理学院 2015年09月
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绪论
一、固体物理学主要研究内容 二、固体物理学发展历程--为什么要学习固体物理学 三、固体物理学课程特点 四、固体物理学的研究方法 五、固体物理学参考教材
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一、固体物理学主要研究内容
基本任务
研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质
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二、固体物理学发展历程
凝聚态物理学是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、 离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之 间的联系的一门学科。 凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。
凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包
括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相。
二、固体物理学发展历程
摩尔定律：是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提 出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍， 性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每 隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
子、分子种类有关，
固体的性质更主要的：是和这些原子采用什么方式结合在一起，他们的空 电子的运动 状态有关。
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一、固体物理学主要研究内容 例如：
性质完全不同的无定形碳、石墨和金刚石都是由相同的碳原子组成的，
是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。 因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间的相互作用及 运动机制的研究才能理解固体的性质。 美国贝尔电话实验室两次Noble物理奖获得者 巴丁(J.Bardeen)说： 固体物理学依据物质的电子结构和原子结构 来了解固体的各种性质。
系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成
为当前物理学中最重要的分支学科之一
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二、固体物理学发展历程
例： J·巴丁、W·H·布拉顿和W·B·肖克利 1947年12月23日发现了半导 体晶体管的放大效应，由此带来的巨大影响是固体物理和高科技发展关 系的最典型的说明。
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1853
由实验确定了金属导热性和导电性之间关系的经验定律
1905
荷兰物理学家、数学家洛伦兹 (Hendrik Antoon Lorentz， 1853—1928)
建立了自由电子的经典统计理论，能够解释上述经验定律， 但无法说明常温下金属电子气对比热容贡献甚小的原因；因 关于磁对辐射现象影响的研究，他与塞曼分享了1902年度的 诺贝尔物理学奖金。
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
从微观上去解释固体材料的宏观性质，并阐明其规律性
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一、固体物理学主要研究内容
基本问题主要有以下七个方面： 固体是由什么原子组成？
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？
CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料
的基本单元。
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二、固体物理学发展历程 石墨烯 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电 子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 Ω ·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
德国科学家皮特-克鲁伯格Peter Grünberg
电阻变化的特殊效应
所谓巨磁阻效应 :是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之 无外磁场作用时存在巨大变化的现象
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二、固体物理学发展历程
该层 磁化方向固定
巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。 这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的 磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当 铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
凝聚态物理)是二十一世纪物理学中发展最快、影响最大、领域最广的一门
学科。 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 技术学科的基础，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、信息科
学、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。
二、固体物理学发展历程
但是，即便是巨磁阻这项叱诧风云的技术，发展到现在也已经接近了 极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是 “垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此
之前的技术都属于“水平磁记录”技术。
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二、固体物理学发展历程
上世纪六七十年代后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材料
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。
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一、固体物理学主要研究内容
固体物理学和普通物理不同
它的重点不在于描述固体的宏观物理性质
而是去阐明和理解固体的宏观性质

解释形成这些性质的原因，从而找出控制、利用、改善这些性质的方
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一、固体物理学主要研究内容
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二、固体物理学发展历程
年 份 学 发现者 内 容 科 1669 意大利科学家斯丹诺(Nicolaus 发现了晶面角守恒定律，指出在同一物质的晶体中，相应晶 面之间的夹角是恒定不变的。 Steno) 1784 物 法国科学家阿羽依(Rene Just 理 Hauy) 提出了著名的晶胞学说。根据这一学说，晶胞是构成晶体的 最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的。
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二、固体物理学发展历程
“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。” 或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都 闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知 识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。
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1931
19471948
巴丁、布喇顿以及肖克 莱
贝尔实验室的科学家巴丁、布喇顿以及肖克莱对晶体的能带 进行了系统的实验和理论的基础研究，同时掌握了高质量半 导体单晶生长和掺杂技术，于1947-1948年发明晶体管
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二、固体物理学发展历程 今天可以毫不夸大地说： 已经成为当代科学重要支柱、高科技源泉的固体物理学 ( 严格地说是
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固体物理学发展简史
年份 发现者 德国物理学家索末菲 （Arnold Sommerfeld，18681951） 内容 1928 用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理 论的困难
1928
瑞士-美国物理学家布洛 分别从不同角度研究了周期场中电子运动的基本特点，为固 赫（Bloch）和法国物理 体电子的能带理论奠定了基础。1928年布洛赫提出了有名的 学家布里渊(Brillouin 布洛赫定理 威耳逊 提出金属和绝缘体相区别的能带模型，并预言介于两者之间 存在半导体，为尔后的半导体的发展提供理论基础
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二、固体物理学发展历程
例：1988年发现巨磁电阻效应(GMR)--小硬盘大发现
硬盘技术之父2007年摘得诺贝尔物理学奖
得益于“巨磁电阻”效应这一重大
发现，我们开始能够在笔记本电脑、音 乐播放器、智能手机等安装越来越小的 硬盘中存储海量信息。
法国科学家艾尔伯-费尔Albert Fert
非常弱小的磁性变化就能导致巨大
1890
1914
发现 X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期 性排列的结构，证明了X射线的波动特性
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固体物理学发展简史
年 份 学 发现者 内 容 科 英国物理学家亨利.布拉格Henry Bragg 晶体结构的X射线分析，建立了晶体结构分析的基础。布喇 物 1915 格父子分享了1915年诺贝尔物理学奖。父子两代同获一个诺 理 劳伦斯.布拉格Lawrence 贝尔奖，这在历史上恐怕是绝无仅有的。 Bragg. 德国物理学家维德曼 （GHWiedemann,1826—1899） 和夫兰兹（R.Franz）