1、18-1 固體的能帶理論固體的能帶理論固體指具有確定形狀和體積的物體。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)晶體分為：晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體一、晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類一、晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)外觀上：具有規(guī)則的幾何形狀外觀上：具有規(guī)則的幾何形狀微觀上：晶體點(diǎn)陣晶格）微觀上：晶體點(diǎn)陣晶格）基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長(zhǎng)程有序性基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長(zhǎng)程有序性晶體中的重復(fù)單元稱為晶胞晶體中的重復(fù)單元稱為晶胞 Na Cl立方立方 Cs Cl體心體心立方立方Cu面心面心立方立方晶胞晶胞晶體晶體組成組成結(jié)合力結(jié)合力結(jié)合力結(jié)合力特性特性晶體晶體特性特性離子晶體離子晶體正、負(fù)離

2、子正、負(fù)離子庫(kù)侖吸引力庫(kù)侖吸引力（離子鍵）（離子鍵）無(wú)方向性無(wú)方向性無(wú)飽和性無(wú)飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、硬度高、熔點(diǎn)高、性脆、電子導(dǎo)電性弱性脆、電子導(dǎo)電性弱共價(jià)晶體共價(jià)晶體原子原子共價(jià)鍵共價(jià)鍵有方向性有方向性有飽和性有飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、硬度高、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、不溶于沸點(diǎn)高、不溶于所有尋常液體所有尋常液體晶體晶體組成組成結(jié)合力結(jié)合力結(jié)合力結(jié)合力特性特性晶體晶體特性特性金屬晶體金屬晶體原子實(shí)、價(jià)電子原子實(shí)、價(jià)電子金屬鍵金屬鍵有明顯方向性有明顯方向性有飽和性有飽和性具有導(dǎo)電性、導(dǎo)具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、金屬光澤熱性、金屬光澤分子晶體分子晶體電中性的無(wú)極分子電中性的無(wú)極分子范德瓦耳斯力范德瓦耳斯力（范德瓦

3、耳斯鍵）（范德瓦耳斯鍵）無(wú)方向性無(wú)方向性無(wú)飽和性無(wú)飽和性熔點(diǎn)低、硬度低、熔點(diǎn)低、硬度低、導(dǎo)電性差導(dǎo)電性差二、固體的能帶二、固體的能帶1、電子共有化、電子共有化U r單個(gè)原子單個(gè)原子U r兩個(gè)原子兩個(gè)原子 由于晶體中原子的周期由于晶體中原子的周期性排列而使價(jià)電子不再性排列而使價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，稱為電子的共有化。稱為電子的共有化。U r 晶體中周期性勢(shì)場(chǎng)晶體中周期性勢(shì)場(chǎng)2E1E2、能帶的形成、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(jí)的電子的共有化使原先每個(gè)原子中具有相同能級(jí)的電子能級(jí)，因各原子間的相互影響而分裂成一系電子能級(jí)，因各原子間的相互影響而分裂

4、成一系列和原來(lái)能級(jí)很接近的新能級(jí)，形成能帶。列和原來(lái)能級(jí)很接近的新能級(jí)，形成能帶。Os1BrA0rEE 氫原子的能級(jí)分裂氫原子的能級(jí)分裂E 原子中原子中的能級(jí)的能級(jí)晶體中的能帶晶體中的能帶能帶的一般規(guī)律：能帶的一般規(guī)律：2. 越是外層電子，能帶越是外層電子，能帶越寬，越寬，E越大。越大。 1. 原子間距越小，能帶原子間距越小，能帶越寬，越寬，E越大。越大。 3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。兩個(gè)能帶有可能重疊。禁帶：兩個(gè)相鄰能帶間禁帶：兩個(gè)相鄰能帶間可能有一個(gè)不被允許的可能有一個(gè)不被允許的能量間隔。能量間隔。離子間距離子間距r02p2s1sEO能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖電子在能帶中的分布：電子在能帶

5、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)、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(jí)所能容納的電子數(shù)的的原子能級(jí)所能容納的電子數(shù)的N倍倍N是組成晶是組成晶體的原子個(gè)數(shù)）。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(jí)。、正常情況下，總是優(yōu)先填能量較低的能級(jí)。滿帶：各能級(jí)都被電子填滿的能帶。滿帶：各能級(jí)都被電子填滿的能帶。 滿帶中電子不參與導(dǎo)電過(guò)程。滿帶中電子不參與導(dǎo)電過(guò)程。價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶。價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶。 價(jià)帶能量最高，可能被填滿，也可不滿。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(jí)相應(yīng)的能帶。空帶：與

6、各原子的激發(fā)態(tài)能級(jí)相應(yīng)的能帶。 正常情況下沒(méi)有電子填入。正常情況下沒(méi)有電子填入。 禁帶禁帶gE 空帶空帶（導(dǎo)帶）（導(dǎo)帶）滿帶滿帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 滿帶滿帶三、導(dǎo)體和絕緣體三、導(dǎo)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。體都具有滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。 禁帶禁帶gE 空帶空帶滿帶滿帶半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶eV.Eg5110 禁帶禁帶空帶空帶滿帶滿帶絕緣體能帶絕緣體能帶eVEg63 禁帶禁帶gE 價(jià)帶價(jià)帶滿帶滿帶 空帶空帶滿帶滿帶 空帶空帶價(jià)帶價(jià)帶 gE 滿帶滿帶一個(gè)好的金屬導(dǎo)體，它最上一個(gè)好的金屬導(dǎo)體，它最上面的能帶

7、或是未被電子填滿，面的能帶或是未被電子填滿，或雖被填滿但填滿的能帶卻或雖被填滿但填滿的能帶卻與空帶相重疊。與空帶相重疊。四、半導(dǎo)體四、半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(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。雜質(zhì)半導(dǎo)體是指摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體。電子導(dǎo)電電子導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是電子半導(dǎo)體的載流子是電子空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上 的一個(gè)電子躍遷到空帶后的一個(gè)電子躍遷到空帶后, ,滿帶滿帶 中出現(xiàn)的空位）中出現(xiàn)的空位）SiSiSiSiSiSiSiP1、 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在四價(jià)元素中摻入少量五價(jià)元素，形成在四價(jià)元素中摻入少量五價(jià)元素，形成n型

8、半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。導(dǎo)帶導(dǎo)帶施主施主能級(jí)能級(jí) gE 滿帶滿帶DE E SiSiSiSiSiSiSi2、 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在四價(jià)元素中摻入少量三價(jià)元素，形成在四價(jià)元素中摻入少量三價(jià)元素，形成p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。B 導(dǎo)帶導(dǎo)帶受主受主能級(jí)能級(jí) gE 滿帶滿帶AE E3、p-n結(jié)的形成結(jié)的形成由于由于n n區(qū)的電子向區(qū)的電子向p p區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，p p區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向p p區(qū)擴(kuò)散，在區(qū)擴(kuò)散，在p p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n n型半導(dǎo)體的交型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng) , , 稱為內(nèi)電場(chǎng)。稱為內(nèi)電場(chǎng)。p-n結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型0U導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶滿帶滿帶 區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū)

9、n0eU 區(qū)區(qū)p區(qū)區(qū)n )a()b(p-n結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦栽谠趐-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電型區(qū)接電源正極，源正極，n區(qū)接負(fù)極區(qū)接負(fù)極阻擋層勢(shì)壘被削弱、阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，有利于空穴向變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向p區(qū)區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成正向電流。運(yùn)動(dòng)，形成正向電流。Ep型型n型型I阻阻EU伏）伏）I （毫安）（毫安）O在在p-n結(jié)的結(jié)的p型區(qū)接電型區(qū)接電源負(fù)極，源負(fù)極，n區(qū)接正極。區(qū)接正極。阻擋層勢(shì)壘增大、變阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，不利于空穴向?qū)挘焕诳昭ㄏ騨區(qū)區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向向p區(qū)運(yùn)動(dòng)。區(qū)運(yùn)動(dòng)。U(伏伏)I（微安）（微安）Ep型型n型型阻阻EI4

10、、半導(dǎo)體的其他特征和應(yīng)用、半導(dǎo)體的其他特征和應(yīng)用熱敏電阻熱敏電阻半導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而指數(shù)下降，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。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(zhǎng)熱敏電阻體積小、熱慣性小、壽命長(zhǎng)光敏電阻光敏電阻在可見(jiàn)光照射下，半導(dǎo)體硒的電阻隨光強(qiáng)增加而急在可見(jiàn)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。劇減小，但要求照射光的頻率大于紅限頻率。溫差電偶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)生溫差電動(dòng)勢(shì)。溫度，回路中將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。n型

11、型p型型1T0T熱端熱端冷端冷端負(fù)載負(fù)載電流電流電流電流電勢(shì)差增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢(shì)差增加，半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)也增強(qiáng)，阻止載流電場(chǎng)也增強(qiáng)，阻止載流子擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。子擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。18-2 激光原理激光原理Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLaser受激輻射光放大受激輻射光放大一、激光的基本原理一、激光的基本原理1、自發(fā)輻射與受激輻射、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、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(guò)程。自發(fā)輻射和受激輻射三種過(guò)程。自發(fā)輻射自發(fā)輻射 在沒(méi)有任何外界作用下，

12、激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從在沒(méi)有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)輻射出一光子。高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)輻射出一光子。滿足條件：滿足條件：h=E2-E11E 2E h 1E2E隨機(jī)過(guò)程，用概率描述隨機(jī)過(guò)程，用概率描述N2t時(shí)刻處于能級(jí)時(shí)刻處于能級(jí)E2上的原子數(shù)上的原子數(shù)自自 dtdN21單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)自發(fā)躍遷到單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)自發(fā)躍遷到 低能級(jí)的原子數(shù)低能級(jí)的原子數(shù)22121NAdtdN 自自A21自發(fā)輻射概率自發(fā)躍遷率）：表示一個(gè)原自發(fā)輻射概率自發(fā)躍遷率）：表示一個(gè)原子子 在單位時(shí)間內(nèi)從在單位時(shí)間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到自發(fā)輻射到E1的概率的概率 自發(fā)輻射過(guò)程中各個(gè)原子輻射出

13、的光子的相位、自發(fā)輻射過(guò)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。光是非相干光。受激輻射受激輻射 處于高能級(jí)處于高能級(jí)E2上的原子，受到能量為上的原子，受到能量為h= E2- E1的外來(lái)光子的激勵(lì)，由高能級(jí)的外來(lái)光子的激勵(lì)，由高能級(jí)E2受迫躍遷到低能級(jí)受迫躍遷到低能級(jí)E1，同時(shí)輻射出一個(gè)與激勵(lì)光子全同的光子。，同時(shí)輻射出一個(gè)與激勵(lì)光子全同的光子。頻率、相位、偏振態(tài)、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同傳播方向等均同 1E2E h h 1E2E h隨機(jī)過(guò)程，用概率描述隨機(jī)過(guò)程，用概率描述受受 dtdN21單

14、位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)單位時(shí)間內(nèi)從高能級(jí)E2受激躍遷到受激躍遷到 低能級(jí)低能級(jí)E1的原子數(shù)的原子數(shù)22121NWdtdN 受受B21受激輻射系數(shù)由原子本身性質(zhì)決定）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)從表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2受激輻射受激輻射 躍遷到躍遷到E1的概率的概率)t ,(BW 2121 ( ,t)輻射場(chǎng)的能量密度輻射場(chǎng)的能量密度受激吸收受激吸收 能量為能量為h= E2- E1的光子入射原子系統(tǒng)時(shí)，原的光子入射原子系統(tǒng)時(shí)，原子吸收此光子從低能級(jí)子吸收此光子從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)躍遷到高能級(jí)E2。N1t時(shí)刻處于能級(jí)時(shí)刻處于能級(jí)E1上的原子數(shù)上的原子數(shù)吸吸 dt

15、dN12單位時(shí)間內(nèi)由于吸收光子從單位時(shí)間內(nèi)由于吸收光子從E1躍遷躍遷 到到E2的原子數(shù)密度的原子數(shù)密度11212NWdtdN 吸吸W12受激吸收躍遷概受激吸收躍遷概率率B12受激吸收系數(shù)受激吸收系數(shù) ( ,t)輻射場(chǎng)的能量密度輻射場(chǎng)的能量密度)t ,(BW 21122、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激光是通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，即要使受激激光是通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過(guò)吸收和自發(fā)輻射輻射超過(guò)吸收和自發(fā)輻射根據(jù)玻爾茲曼根據(jù)玻爾茲曼能量分布律能量分布律kTEEeNN)(1212 熱動(dòng)平衡下，熱動(dòng)平衡下， N2N1，即處于高能級(jí)的原子，即處于高能級(jí)的原子數(shù)大大少于低能級(jí)的原子數(shù)數(shù)大大少于低

16、能級(jí)的原子數(shù)粒子數(shù)的正常分布粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級(jí)上的粒高能級(jí)上的粒子數(shù)超過(guò)低能子數(shù)超過(guò)低能級(jí)上的粒子數(shù)級(jí)上的粒子數(shù)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：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?jí)結(jié)構(gòu)；適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)；必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的 粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵(lì)或泵浦）粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵(lì)或泵浦）激勵(lì)方法：光激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)激勵(lì)方法：光激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)：具

17、有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長(zhǎng)壽命較長(zhǎng))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)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)1E3E4E2E)a(1E3E4E2E)b(工作躍遷工作躍遷粒粒子子數(shù)數(shù)反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)3、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔輸出輸出全反射鏡全反射鏡（100%反射鏡）反射鏡）部分透光反射鏡部分透光反射鏡（98%反射）反射）光光學(xué)學(xué)諧諧振振腔腔激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)原子原子基基態(tài)態(tài)受激輻射受激輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)分布的激活介質(zhì)輻射的光的位相、輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機(jī)的。傳播方向是隨機(jī)的。輸出輸出全反射鏡全反射鏡（100%反

18、射鏡）反射鏡）部分透光反射鏡部分透光反射鏡（98%反射）反射）光光學(xué)學(xué)諧諧振振腔腔光學(xué)諧振腔的作用：光學(xué)諧振腔的作用： 1. 1.使激光具有極好的方向性沿軸線）；使激光具有極好的方向性沿軸線）； 2. 2.增強(qiáng)光放大作用延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；增強(qiáng)光放大作用延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）； 3. 3.使激光具有極好的單色性選頻）。使激光具有極好的單色性選頻）。4、縱模與橫模、縱模與橫模諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波3 , 2 , 1,2 kkLk nLckk2 或或腔長(zhǎng)腔長(zhǎng)諧振頻率諧振頻率頻譜中每個(gè)諧振頻譜中每個(gè)諧振頻率成為一個(gè)振頻率成為一個(gè)振蕩縱模。蕩縱模。激光的縱模激光的

19、縱模相鄰兩縱模間隔相鄰兩縱模間隔nLcnLcknLckk222) 1( 0 N個(gè)縱模個(gè)縱模諧振腔選頻作用：諧振腔選頻作用： 工作物質(zhì)輻射的譜線有一工作物質(zhì)輻射的譜線有一定寬度，只有滿足閾值條件，定寬度，只有滿足閾值條件，并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。輸出縱模個(gè)數(shù)：輸出縱模個(gè)數(shù)：kN 激光的橫模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，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。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，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。空間相干性

20、最好。工作物質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔：維持光振蕩光學(xué)諧振腔：維持光振蕩鼓勵(lì)又叫泵浦系統(tǒng)：供給能量，輸出激光鼓勵(lì)又叫泵浦系統(tǒng)：供給能量，輸出激光二、激光器二、激光器He-Ne 氣體激光器氣體激光器S11S32S12S5S4S3P2P3P4HeNeeV66.20eV78.19eV70.16eV70.18eV30.20 39. 36328 15. 1電子碰撞電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移碰撞轉(zhuǎn)移He、Ne原子部分能級(jí)圖原子部分能級(jí)圖三、激光的特性三、激光的特性4、能量集中、能量集中3、相干性好、相干性好2、方向性好、方向性好1、單色性好、單色性好Hz971010 單色性較好的普

21、通光單色性較好的普通光Hz110 He-Ne激光器發(fā)出的紅光激光器發(fā)出的紅光rad531010 散射角散射角四、激光的應(yīng)用四、激光的應(yīng)用4、激光在受控核聚變中的應(yīng)用、激光在受控核聚變中的應(yīng)用3、光信息處理和激光通信、光信息處理和激光通信2、激光加工與激光醫(yī)療、激光加工與激光醫(yī)療1、激光測(cè)距、激光測(cè)距干涉測(cè)長(zhǎng)、激光調(diào)制測(cè)距、激光雷達(dá)測(cè)距干涉測(cè)長(zhǎng)、激光調(diào)制測(cè)距、激光雷達(dá)測(cè)距打孔、切割、焊接打孔、切割、焊接 、外科手術(shù)刀、武器、外科手術(shù)刀、武器光盤的高速高密記錄、激光打印機(jī)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)、激光的非線性效應(yīng)激光光纖通訊激光光纖通訊由于光波的頻率由于光波的頻率比電波的

22、頻率高比電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，好幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 一根極細(xì)的光纖一根極細(xì)的光纖 能承載的信息量，能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能麼粗的電纜所能承載的信息量。承載的信息量。激光手術(shù)刀激光手術(shù)刀 （不需開(kāi)胸，不住院）（不需開(kāi)胸，不住院） 照明束：照亮視場(chǎng)照明束：照亮視場(chǎng) 纖維鏡激光光纖：纖維鏡激光光纖： 成象成象 有源纖維強(qiáng)激光：有源纖維強(qiáng)激光： 使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂動(dòng)脈臂動(dòng)脈主動(dòng)脈主動(dòng)脈冠狀動(dòng)脈冠狀動(dòng)脈內(nèi)窺鏡內(nèi)窺鏡附屬通道附屬通道有源纖維有源纖維套環(huán)套環(huán)纖維鏡纖維鏡照明束照明束 附屬通道：附屬通道： （可注入氣或液）（可注入氣或液） 排除殘物以明視線排除殘物以明視

23、線套環(huán)：套環(huán)： （可充、放氣）（可充、放氣）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通 激光激光 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM) 用一根鎢探針或硅用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面探針在距試樣表面幾毫微米的高度上幾毫微米的高度上反復(fù)移動(dòng)反復(fù)移動(dòng), ,來(lái)探測(cè)固來(lái)探測(cè)固體表面的情況。體表面的情況。試樣通常是試樣通常是微電子器件。微電子器件。激光激光-原子力顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱鏡棱鏡檢測(cè)器檢測(cè)器反饋機(jī)構(gòu)反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)接計(jì)算機(jī)微芯片微芯片壓電換能器壓電換能器壓電控制裝置壓電控制裝置18-3 超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性1911年昂尼斯年昂尼斯K.Onnes發(fā)現(xiàn)超

24、導(dǎo)現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)的基本特性一、超導(dǎo)的基本特性1、零電阻效應(yīng)、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)，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。電阻突然為零。說(shuō)明：只有穩(wěn)恒電流的情況下才有零電阻效應(yīng)。說(shuō)明：只有穩(wěn)恒電流的情況下才有零電阻效應(yīng)。超導(dǎo)體超導(dǎo)體臨界溫度臨界溫度Tc2、邁斯納效應(yīng)完全抗磁性）、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。處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零。外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)抗磁電流磁場(chǎng)抗磁電流磁場(chǎng)總磁場(chǎng)總磁場(chǎng)3、臨界磁場(chǎng)和臨界電流、臨界磁場(chǎng)和臨界電流超導(dǎo)態(tài)能被足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)所破壞。超導(dǎo)態(tài)能被足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)所破壞。120)TT

25、(HHccc 時(shí)時(shí)超超導(dǎo)導(dǎo)體體的的臨臨界界磁磁場(chǎng)場(chǎng)為為00 THc超導(dǎo)體所能承載的電流也受限制。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)超導(dǎo)材料只有滿足下述條件才能處于超導(dǎo)態(tài)cccII ,HH,TT 4、同位素效應(yīng)、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)超導(dǎo)臨界溫度與元素的同位素質(zhì)量有關(guān)）常常量量（030500.TMc 5、能隙、能隙超導(dǎo)中電子的能量存在類似半導(dǎo)體禁帶的情況超導(dǎo)中電子的能量存在類似半導(dǎo)體禁帶的情況eV410 二、超導(dǎo)體的微觀機(jī)制二、超導(dǎo)體的微觀機(jī)制1、金屬導(dǎo)體電阻的電子理論、金屬導(dǎo)體電阻的電子理論電子波在非嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)中傳播將會(huì)發(fā)生電子波在非

26、嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)中傳播將會(huì)發(fā)生散射，使自由電子的動(dòng)量發(fā)生變化，即電子散射，使自由電子的動(dòng)量發(fā)生變化，即電子在電流方向上的加速受到阻礙。在電流方向上的加速受到阻礙。散射的原因散射的原因缺陷缺陷熱振動(dòng)熱振動(dòng)cT電電阻阻率率不不純純純純超超導(dǎo)導(dǎo)體體溫溫度度雜質(zhì)電阻雜質(zhì)電阻熱振動(dòng)電阻熱振動(dòng)電阻Tl i與雜質(zhì)與雜質(zhì)濃度有關(guān)濃度有關(guān)2、弗羅里希的、弗羅里希的“電電-聲聲作用作用電子密度在局部范圍內(nèi)有大有小，高密度的電子會(huì)電子密度在局部范圍內(nèi)有大有小，高密度的電子會(huì)對(duì)附近的離子晶格產(chǎn)生較大吸引力，是該處的離子對(duì)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(kāi)自己的平衡位置而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)傳播形成實(shí)離開(kāi)自己的平

27、衡位置而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)傳播形成晶格波。晶格波。A晶格波的能量量子化，每一份能量為晶格波的能量量子化，每一份能量為為為格格波波的的頻頻率率聲聲子子 h電子之間有一種有效吸引，電子之間有一種有效吸引，是通過(guò)交換聲子而實(shí)現(xiàn)的。是通過(guò)交換聲子而實(shí)現(xiàn)的。qp 1qp 2)(q 聲聲子子（電電子子）1p）（電電子子 22p3、BCS理論理論只要兩個(gè)電子之間存在有凈的吸引作用，不論多只要兩個(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(duì)束縛態(tài)。么微弱，結(jié)果總能形成電子對(duì)束縛態(tài)。庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀對(duì)使整個(gè)導(dǎo)體處于更為有序化的狀態(tài)。庫(kù)珀對(duì)使整個(gè)導(dǎo)體處于更為有序化的狀態(tài)。電子位置有序化電子位置

28、有序化BCS理論的核心：理論的核心：在超導(dǎo)態(tài)中，電子通過(guò)電在超導(dǎo)態(tài)中，電子通過(guò)電聲作用而結(jié)成束縛態(tài)的聲作用而結(jié)成束縛態(tài)的庫(kù)珀對(duì)，而泡利不相容原理使所有的庫(kù)珀對(duì)電子有庫(kù)珀對(duì)，而泡利不相容原理使所有的庫(kù)珀對(duì)電子有序化為群體電子的動(dòng)量和角動(dòng)量相關(guān)為零。序化為群體電子的動(dòng)量和角動(dòng)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(kù)珀對(duì)為整體與晶超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，價(jià)電子以庫(kù)珀對(duì)為整體與晶格作用，庫(kù)珀對(duì)電子在散射前后總動(dòng)量仍然保持不格作用，庫(kù)珀對(duì)電子在散射前后總動(dòng)量仍然保持不變，即電流的流動(dòng)不發(fā)生變化，因此沒(méi)有電阻。變，即電流的流動(dòng)不發(fā)生變化，因此沒(méi)有電阻。三、超導(dǎo)材料的分類三、超導(dǎo)材料的分類按超導(dǎo)體在臨界磁場(chǎng)按

29、超導(dǎo)體在臨界磁場(chǎng)Hc時(shí)將磁通排斥在時(shí)將磁通排斥在超導(dǎo)體外的方式分類：超導(dǎo)體外的方式分類：在臨界磁場(chǎng)以下，磁在臨界磁場(chǎng)以下，磁通是完全被排斥在超通是完全被排斥在超導(dǎo)體之外的，只要磁導(dǎo)體之外的，只要磁場(chǎng)高于臨界磁場(chǎng)，磁場(chǎng)高于臨界磁場(chǎng)，磁場(chǎng)就完全透入超導(dǎo)體場(chǎng)就完全透入超導(dǎo)體中，材料也恢復(fù)正常。中，材料也恢復(fù)正常。第第類超導(dǎo)材料類超導(dǎo)材料超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)的轉(zhuǎn)變無(wú)任何中間態(tài)。超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)的轉(zhuǎn)變無(wú)任何中間態(tài)。J電流密度電流密度H磁場(chǎng)磁場(chǎng)T溫度溫度正常正常超導(dǎo)超導(dǎo)存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng)下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)），存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng)下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)），材料處于下臨界磁場(chǎng)時(shí)是完全超導(dǎo)態(tài)，在下臨界磁材料處于下臨界磁場(chǎng)

30、時(shí)是完全超導(dǎo)態(tài)，在下臨界磁場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)之間，處于混合態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到上場(chǎng)和上臨界磁場(chǎng)之間，處于混合態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到上臨界磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)完全透入材料并完全恢復(fù)到有電臨界磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)完全透入材料并完全恢復(fù)到有電阻的正常態(tài)。阻的正常態(tài)。第第類超導(dǎo)材料類超導(dǎo)材料cT混合態(tài)混合態(tài)H外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)T溫度溫度正常態(tài)正常態(tài)超導(dǎo)超導(dǎo))(Hc02)(Hc01)T(Hc1高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料K35K.648K.892K.8133K.24四、超導(dǎo)理論新動(dòng)向四、超導(dǎo)理論新動(dòng)向“激子機(jī)制激子機(jī)制而形成電子對(duì)。而形成電子對(duì)。1987年安德遜提出共振理論，認(rèn)為電子在晶格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)

31、鍵，通過(guò)摻雜的驅(qū)動(dòng)，附近配成自旋相反的共價(jià)鍵，通過(guò)摻雜的驅(qū)動(dòng)，這種共價(jià)電子就共振轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞯膸?kù)珀對(duì)而形這種共價(jià)電子就共振轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞯膸?kù)珀對(duì)而形成超導(dǎo)。成超導(dǎo)。羅伏茲提出固體中電子氣的密度發(fā)生起伏，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。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。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(méi)有損耗電能在零電阻輸送，完全沒(méi)有損耗大尺度、強(qiáng)磁場(chǎng)、低消耗大尺度、強(qiáng)磁場(chǎng)、低消耗2、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)電纜1、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁體3、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)體圓環(huán)置

32、于磁場(chǎng)中，降溫至材料臨界溫度超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場(chǎng)中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感以下，撤去磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會(huì)持續(xù)。電流便會(huì)持續(xù)。六、約瑟夫遜效應(yīng)及其應(yīng)用六、約瑟夫遜效應(yīng)及其應(yīng)用絕緣層對(duì)電子來(lái)說(shuō)是一個(gè)勢(shì)壘，電子動(dòng)能小于絕緣層對(duì)電子來(lái)說(shuō)是一個(gè)勢(shì)壘，電子動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí)，仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘。勢(shì)壘高度時(shí)，仍有一定的概率貫穿勢(shì)壘。超導(dǎo)結(jié)：超導(dǎo)結(jié)：N-I-N結(jié)、結(jié)、N-I-S結(jié)、結(jié)、S-I-S結(jié)結(jié)N正常態(tài)金屬膜，正常態(tài)金屬膜，S超導(dǎo)體，超導(dǎo)體，I絕緣層絕緣層1、單電子隧道效

33、應(yīng)、單電子隧道效應(yīng)AVIVOAVIVOAVIVOe/ e/ )(21 只要隧道結(jié)的勢(shì)壘層足夠薄，庫(kù)珀對(duì)可貫穿勢(shì)壘。只要隧道結(jié)的勢(shì)壘層足夠薄，庫(kù)珀對(duì)可貫穿勢(shì)壘。庫(kù)珀對(duì)的庫(kù)珀對(duì)的S-I-S結(jié)隧道效應(yīng)結(jié)隧道效應(yīng)2、約瑟夫遜效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)AVIVOe/ 2JIabcab段結(jié)電壓段結(jié)電壓S-I-S結(jié)兩端電壓為零，結(jié)兩端電壓為零，此時(shí)電流為超導(dǎo)隧道電流。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。段顯示出正常態(tài)的電流電壓關(guān)系。 sinIIJ函函數(shù)數(shù)的的位位相相差差為為絕絕緣緣層層兩兩側(cè)側(cè)庫(kù)庫(kù)珀珀對(duì)對(duì)波波12 結(jié)電壓為零時(shí)，結(jié)電壓為零時(shí)，為常數(shù)，電流恒定。為常數(shù)，電流恒定。(1)直流約瑟夫

34、遜效應(yīng)直流約瑟夫遜效應(yīng)IVOe/ 2JIabc隧道電流超過(guò)最大約瑟夫遜電流，隧道電流超過(guò)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)V)he(dtd2 結(jié)電壓不為零時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)交變電流。結(jié)電壓不為零時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)交變電流。(2)交流約瑟夫遜效應(yīng)交流約瑟夫遜效應(yīng)002 tVhe)tVhesin(IIc002 (1)超導(dǎo)量子干涉器超導(dǎo)量子干涉器3、約瑟夫遜效應(yīng)的主要應(yīng)用、約瑟夫遜效應(yīng)的主要應(yīng)用IQP超超導(dǎo)導(dǎo)ab絕絕緣緣體體(2)電壓標(biāo)準(zhǔn)電壓標(biāo)準(zhǔn)(3)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件18-4 納米科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介納米科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介一、納米材料學(xué)一、納米材料學(xué)納米材料是線度為納米量級(jí)的超微顆粒在一定條件納米材料是線度為納米量級(jí)的超微顆粒在一定條件下加壓制成固體材料或用沉積方