1、 固體物理論文 題 目 固體物理的發展與前景 姓 名 李. 學 號 20102942. 專業年級 物理 指導教師 陳. 固體物理的發展與前景 摘要：本文對于固體物理中晶體結構以及其性質，做了簡單介紹，并探討了固體物理的一些應用，以及它在國家項目中的情況和今后的發展前景。關鍵字： 晶體結構 ，固體物理，固體激光器，固體表面物理化學。 一、固體物理學研究的對象 固體物理學是研究固體的結構及其主城的粒子（原子、離子、電子等）之間相互作用于運動規律，以闡明其性能與用途的學科。固體的內部結構和運動形式很復雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規律性，較易研究。以后進一步研

2、究一切處于凝聚狀態的物體的內部結構、內部運動以及它們和宏觀物理性質的關系。這類研究統稱為凝聚態物理學。 由于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，也由于固體物理學科內在的因素，固體物理的研究論文已占物理學中研究論文三分之一以上。同時，固體物理學的成就包括各種優異的半導體材料、超導體材料、磁性材料、合金材料、人造晶體、超大規模集成電路等。而且，其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。 固體物理對于技術的發展有很多重要的應用，晶體管發明以后，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。

3、其經濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。二、固體物理中的測量 固體物理奠基于上世紀三十年代，開始在簡單固體的領域中取得成果，采用的主要是“還原論”的思維方法 ，即將復雜事物盡可能還原為簡單，尋找一定的規律后再用于復雜體系。在歷經約半個世紀的發展，所研究的對象越來越復雜，高溫超導電性、量子霍爾效應、 巨磁阻、納米材料、軟物質、分子磁性、聚合物、人工導電材料等等一一進入研究領域。研究工作的發展帶來了新的思維，逐步形成新的觀點和新的理論體系。而這些新觀點和新體系又對實驗和測量提出了新的要求。 物理測量是基于所研究體系和測量儀器之間的相互作用來實現的。這種相互作用可以是直接

4、的物理接觸，也可以來自某種輻射。各種測量方法都有各自的局限性和各自的機遇，這里所指的不僅是觀察參數的精度和范圍，更指各個觀察體系是以自己的獨有的觀點來實現的。 在固體物理中習慣于區分宏觀測量和微觀測量，宏觀測量是指一些物理量的測量，諸如電阻率、磁導率等等。測量的是整個樣品的性質，微觀測量則是測量與樣品中的各原子間的相互作用。如果利用的是輻射，那么這個輻射可以被吸收，被散射，被研究的體系中的原子所發射等等。在固體系統中要特別注意合作性質，即很多原子或者很多電子的集體貢獻。磁性現象、超導性現象以及一些有序現象都是例子。合作現象本質上既不同于宏觀又不同于微觀。但是這些個別原子的貢獻是反映了宏觀測量中

5、的，如磁導率，中子非彈性散射中的自旋波產生。固體物理中還有不少常見問題是和個別原子有關的，例如雜質引起的各種問題。 三、固體物理學中的晶體結構（1）晶體 在固體物理中，晶體結構的研究占據了很重要的地位。下面先對晶體作些介紹。 晶體是各向異性的均勻物體。生長良好的晶體,外觀上往往呈現某種對稱性。從微觀來看，組成晶體的原子在空間呈周期重復排列。即以晶體中的原子或其集合為基點,在空間中三個不共面的方向上,各按一定的點陣周期，不斷重復出現。如從重復出現的每個基元中各取某一相當點，則這些點合在一起形成一個空間點陣的一部分。確切地說，點陣是一組按連接其中任何兩點的矢量進行平移后而能復原的點的重復排列。 金

6、剛石石墨鉆石晶體的解理性 當晶體受到敲打、剪切、撞擊等外界作用時，可有沿某一個或幾個具有確定方位的晶面劈裂開來的性質。如固體云母很容易沿自然層狀結構平行的方向劈為薄片，晶體的這一性質稱為解離性，這些劈裂面則稱為解理面。自然界的晶體顯露于外表的往往就是一些解理面。晶體的各向異性晶體的物理性質隨觀測方向而變化的現象稱為各向異性。晶體的很多性質表現為各向異性，如壓電性質、光學性質、磁學性質及熱學性質等。例如：石墨的電導率，當我們沿晶體不同方向測其電導率時，得到方向不同而石墨的電導率數值也不同的結果。晶體的對稱性晶體的宏觀性質一般說來是各向異性的，但并不排斥晶體在某幾個特定的方向可以是異向同性的。晶體

7、的宏觀性質在不同方向上有規律重復出現的現象稱為晶體的對稱性。晶體的對稱性反映在晶體的幾何外形和物理性質兩個方面。實驗表明，晶體的許多物理性質都與其幾何外形的對稱性相關。 晶體結構 晶體結構即晶體的微觀結構，是指晶體中實際質點（原子、離子或分子）的具體排列情況。 從微觀來看，組成晶體的原子在空間呈周期重復排列。即以晶體中的原子或其集合為基點,在空間中三個不共面的方向上,各按一定的點陣周期，不斷重復出現。如從重復出現的每個基元中各取某一相當點，則這些點合在一起形成一個空間點陣的一部分。確切地說，點陣是一組按連接其中任何兩點的矢量進行平移后而能復原的點的重復排列。 空間點陣是認識晶體結構基本特征的關

8、鍵之一，用它可以方便而又清楚地說明晶體的微觀結構在宏觀中所表現出的面角守恒、有理指數等定律以及 x射線衍射的幾何關系。各點分布在同一直線上的點陣稱為直線點陣，分布在同一平面中者稱為平面點陣，而分布在三維空間中者稱為空間點陣。空間點陣可以分解為各組平行的直線點陣或平面點陣，并可劃分成并置的平行六面體單位。規定這個單位的矢量為a、b和c。空間點陣劃分成一個個并置的平行六面體單位后，若點陣中各點都位于各平行六面體的頂點處，則此單位只攤到一個點，稱為素單位。平行六面體單位也可在面上或體內帶心，攤到一個以上的點，成為復單位。按照空間點陣的平行六面體單位,可劃分成晶體結構的單位,這樣的單位稱為晶包。四、固

9、體物理的應用新興交叉學科：核固體物理 這一交叉領域較早出現于西德，美國政府曾經在上世紀九十年代的長期規劃中將“核固體物理”單獨列為一節，指出：“用核方法探究固體和新材料已經成為一個引人注的領域?！?在這一交叉領域中，核物理主要在方法上，即從實驗裝置和效應觀察方面作出貢獻。研究的主題是凝聚態物理。所以簡單說來，核固體物理就是用核方法研究凝聚態物理。事實上，在科學上的任何新領域，新的實驗方法和新的研究角度都是首要的。我們知道核固體物理它起始于核物理和各種粒子的性質，它們與凝聚態物質相互作用，進而形成不同的實驗方法，最終歸結于它們在物質研究中的應用。由上可見，可以將核固體物理大致分為三類：1、用離子

10、束的核固體物理。包括使用加速器的核反應分析、溝道分析、盧瑟福背散射和加速器質譜技術。 2、 基于超精細相互作用的物理學。包括穆斯堡爾效應、受擾角關聯、核磁共振和核取向。3、基于粒子基本性質的研究方法。包括正電子湮沒和uRS，以及年近來在同步輻射基礎上的X射線熒光技術和EXAFS。 正如前述，核固體物理有二個應用意義，一是用核方法研究固體物理課題，由于和傳研究方法的角度不同，往往會得出新的結果；二是研究適用于核裝置的固體材料。從相互作用的機理看，它涉及超精細相互作用，以及核散射和核反應的相應機理。著名的Uppsala大學的核固體物理課本的書名甚為別致“在u子、質子和受激核眼光中的固體現象?！北壤?/p>

11、時此Leuven大學將一臺原有的小型加速器改造成可以同時在線進行多種核方法分析固體微結構的實驗室，已成為核固體物理研究的一個先進模式。我國于1999年1月起由國家自然科學基金委員會起動國家自然科學基金重點項目核固體物理，承擔單位為南京大學、中國原子能科學研究院和蘭州大學。限于資助強度的限制，采用“有限目標、重點發展”的方針，指導思想以新材料和新方法帶動，主要核手段以穆斯堡爾效、中子散射、擾動角關聯和角分布、核磁共振、正電子湮沒為主本項目于2003年3月以“全面完成計劃研究工作取得突出進展或結果” 通過鑒定。雖然，我國的核固體物理研究與國際上還有很大的差距。一是限于經費和研究實力，我們還沒有象比

12、利時那樣建立用離子束的核固體物理設備。同步輻射加速器裝備還停留在紙上，有些有意義的實驗常常由學者帶去歐美或日本合作。二是對輻照下固體結構和行為的變化研究很不夠。近半個世紀來，核固體物理學家首先用它來研究反應堆和聚變反應堆設計中的一些關鍵問題，八十年代以后用于軍事的宇航，稱為“抗核加工”。 三是用于現代工業中的關鍵問題還很少。例如離子注入在我國用于表面改性和抗腐蝕、抗疲勞和抗磨損的工作還很少，這些給幾乎所有發達國家都已帶來可觀經濟利益的工作在我國還沒有真正開展起來。輻照損傷對反應堆的設計和效能的影響工作也遠沒有系統開展起來。五、 固體物理前沿和國家重點項目 “863”計劃的重大項目信息技術超大規模集成電路設計 高性能計算機及其核心軟件 軟件重大專項 高性能寬帶信息網 生物和醫藥技術 創新藥物和中藥現代化 組織器官工程