固体物理前沿研究与应用

1.固体物理的前沿研究

1.1石墨烯纳米结构和纳米器件研究

石墨烯由于其独特的狄拉克费米子、极高的载流子迁移率以及超

强的力学性能，已成为凝聚态物理及材料科学等领域最近几年来的一

个有趣结构。在石墨烯的二维结构基础上，进一步降低维度，形成例

如量子点，纳米带等纳米结构，从而可以导致一系列新的物理现象。

在石墨烯纳米结构中，边缘态是石墨烯的一个重要结构参数，大量的

物理现象与边缘态相关。本报告报道我组最近两年在石墨烯纳米结构

边缘态控制、物性研究、以及原型器件探索方面的工作。报告主要内

容包括：石墨烯的低温外延生长、石墨烯纳米结构的加工与物性、石

墨烯电子学器件等。

1.2 高温超导体的隧道谱研究

铜氧化物高温超导体从被发现至今，已经过去了二十多年，但是

对于它的机理却没有取得共识，一个核心的问题就是它具有非常奇异

的正常态（多数情况下在欠掺杂区比较明显）。由于赝能隙的存在，

这个正常态很难被朗道费米液体理论所理解，被认为跟电子的强关联

特性相关。2008年，另一类高温超导体——铁基超导体被发现了，

这个新的体系与铜氧化物高温超导体在物理性质上有一定程度的相

似性，人们期望通过对它的研究来促进对高温超导电性的统一理解。

然而，随着实验数据的大量积累和人们认识的不断深入，铁基超导体

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的机理又面临着巡游电子图像和强关联图像的矛盾。这个报告将介绍高温超导体的隧道谱方面的结果，对高温超导机理的研究提出一些设想。

1.3 地震前兆信息的传播、分布和探测

用颗粒物理原理，提出了地震前兆信息传播和分布新模型：地壳岩石层由板块、断层及其间断层泥构成，应作为大尺度二维颗粒体系处理，孕震作用力使岩石层块逐次发生滞滑(stick-slip)移动，以力链形式分布和传递。给出了模型的依据和观测例证，分析了与传统连续介质观念的本质区别及其物理实质。此模型可解释若干以前无法理解的地学现象和岩石中难以探测到地震前兆应力的原因。介绍了有前景的地震前兆探测方法和原理。

1.4 低维氧化物的结构设计与光电物理研究

由于掺杂钙钛矿氧化物半导体的结构复杂性和电子关联体系中的多耦合性，以及人工设计的氧化物低维结构由于界面效应、尺寸效应、量子效应等重要作用，使得该体系显现出了许多优于块材的新型物理性质。在氧化物异质p-n结中发现超快光电响应的基础上，我们最近发现了比单体系材料提高了一个数量级的氧化物异质结中的Dember光生伏特效，并在理论上揭示了传统半导体p-n结界面电场主导的横向光电效应和Dember光电效应随着光照能量变化而出现竞争的微观动态过程。而这些新型人工设计的氧化物异质结由于界面

的存在所显示出新效应，新性能不仅具有成为新一代功能器件的前景，它们背后所隐含的微观物理机制，对现有的半导体中的载流子输运、自旋极化、光电效应等理论也提出了新的问题和挑战。

1.5 利用表面等离子体共振效应在纳米尺度上对光的调控

表面等离子体共振是金属纳米结构非常独特的光学特性，对基于表面等离子体共振的纳米结构体系的研究已形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一，即表面等离子体光子学（Plasmonics）。金属纳米结构的表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质，例如，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变；一些特殊的纳米结构也可导致局域光电场的显著增强，这使得所吸附分子的拉曼散射强度增强几个至十几个数量级，从而使表面拉曼光谱的探测灵敏度达到单分子水平。表面等离子体光子学包含非常广泛的研究内容。随着纳米科学的发展，以表面等离子体共振为基础的研究日益活跃，并派生出众多的研究分支，例如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。这些研究内容发展和丰富了在纳米尺度上突破了光的衍射极限对光进行调控的多种有效手段，不仅具有重要的基础研究意义，在光学器件的小型化方面也有着重要的实用价值。本报告结合表面增强光谱的研究阐述如何利用金属纳米结构的表面等离子体共振特性实现在纳米尺度上对光强，光传导和光偏振等光的基本特性的操控。

2.固体物理学的展望

超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。由于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。其发展趋势是：由体内性质转向研究表面有关的性质；由三维体系转到低维体系；由晶态物质转到非晶态物质；由平衡态特性转到研究瞬态和亚稳态、临界现象和相变；由完整晶体转到研究晶体中的杂质、缺陷和各种微结构；由普通晶体转到研究超点阵的材料。这些基础研究又将促进新技术的发展，给人们带来实际利益。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。

对于非物理专业的同学，应该怎样去学好固体物理学这门课程呢？首先，“课堂”和“课后”是学习任何一门基础课的两个重要环节，

对固体物理来说也不例外。课堂上，我们认为高效听讲十分必要，如何达到高效呢？我们听讲要围绕着老师的思路转，跟着老师的问题提示思考，同时又能提出一些自己不太明白的问题。对于老师的一些分析，课本上没有的，及时提笔标注在书上相应空白的地方，便于自己看书时理解。课后，我们在完成作业之前应该先仔细看书回顾一下课堂内容，再结合例题加深理解，然后动笔做作业。除此之外，我们认

为可以借助一些其他教材或辅导资料来扩展我们的视野，不同教材分析问题的角度可能不同，而且有些教材可能更符合我们自己的思维方式，便于我们加深对原理的理解。总之，课堂把握住重点与细节，课后下功夫通过各种途径来巩固加深理解。第二，对固体物理的学习，自己的脑海中一定要有几种重要思想：一是微积分等数学的思想。固体物理不同与高中物理的一个重要特点就是公式推导定量表示时广

泛运用微分、积分的知识，因此，我们要转变观念，学会用微积分的思想去思考问题。二是矢量的思想。固体物理中大量的物理量的表示都采用矢量，因此，我们要学会把物理量的矢量放到适当的坐标系中分析，如直角坐标系，平面极坐标系，切法向坐标系，球坐标系，柱坐标系等。三是基本模型的思想。物理中分析问题为了简化，常采用一些理想的模型，善于把握这些模型，有利于加深理解。如力学中刚体模型，热学中系统模型，电磁学中点电荷、电流元、电偶极子、磁偶极子模型等等。当然，我们还可总结出一些其他重要思想。最后，我们还要充分发挥自己的想象力、空间思维能力。对于有些模型，我们可以制出实物来反映，通过视觉直观感受，而固体物理中还存在大量我们无法直观反映的模型，因此就必须通过发挥自己的想象力来构造出来。由以上分析我们看到，学生在学习固体物理时，一不留神，学习中便会出现问题、出现障碍。这就要求同学们一开始在思想上便要给予足够的重视，同时要和任课老师密切合作，认真听讲、虚心学习是必要的。

固体物理学的蓬勃发展使我们感到由衷的欣慰和莫大的鼓舞，使

我们深深的意识它的强大生命力和持久的活力，使我们切身的感受到什么叫做“科技是第一生产力”，没有科技的进步，就没有生产力的提高。虽然说这门课对于我们专业的同学来说总体上难度很比较大，但相信在刘爽老师的指导下，我们一定会努力学习好这门课程，为我们以后了解和学习更多物理学相关的知识打下一个好的基础。哪怕将来走出校门，依然铭记于心，不管将来是否从事与固体物理有关的工作，都应该保留着这份态度和热情，为国家社会主义建设和现代化科技的发展贡献自己的一份力量。