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知识春节解读| 科技革命的英雄 硅 硅(Silicon),元素周期表第三周期第4族非金属元素,元素符号Si,原子序数14,相对原子质量28.086。单质有晶态和无定形两种,晶态硅为蓝灰色,相对密度为2.32—2.34g/cm3,熔点1414℃,沸点2355℃。无定形硅是灰黑色粉末,不溶于水和氟化氢溶液,溶于碱以及氟化氢和硝酸混合液。晶态硅有明显导电性,电导率小于金属,且随温度升高而增加,高纯硅掺微量磷可制备n型半导体,掺微量硼可制备p型半导体。常温下不活泼,与空气、水和酸(氢氟酸及其混合酸除外)等都没有明显作用。能缓慢溶解于浓碱溶液,生成可溶性硅酸盐并释放出氢气。在加热下能与卤素反应生成四卤化硅。在高温下能与氧、碳、氮、硫等非金属单质反应。也能与钙、镁等金属反应生成相应的金属硅化物。能溶于浓硝酸和氢氟酸的混合酸,生成二氧化硅,进而溶解成四氟化硅。 硅也是极为常见的一种元素,在自然界通常以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。它以各种形式的二氧化硅(硅酸盐)或硅酸盐广泛分布在尘埃,沙粒,类行星和行星中。硅在地壳中的含量仅次于氧,位居第二位。但硅单质在自然界中却很少见,仅在福建某地矽卡岩型硫、多金属矿床中找到了自然硅,呈亮灰银白色、强金属光泽、性脆。 因为硅优异的半导体性能,使其成为制作计算机芯片的主要元素,在电子工业、计算机业、光导纤维通信和太阳能领域里不可或缺。#抖音年味新知贺岁
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一维双原子链:声学支、光学支与黄昆的卓越贡献 一维双原子链的基本模型 一维双原子链是固体物理中研究晶格振动的经典模型。它由两种不同质量的原胞周期性排列而成,每个原胞包含两个不同质量的原子。这一简单模型却揭示了晶格动力学的深刻物理内涵。 声学支与光学支:晶格振动的两种模式 声学支 声学支振动模式的特点是同一原胞内的两个原子振动相位基本相同,整体做同步运动。在长波极限下,声学支描述的是整个晶格的整体振动,对应于传统声波在介质中的传播。声学支的频率在布里渊区中心趋于零。 光学支 光学支振动模式的特征是同一原胞内的两个原子振动相位相反,产生相对运动。这种振动模式会引发偶极矩的变化,能够与电磁波发生强烈耦合。光学支的频率在布里渊区中心不为零,存在能隙。 黄昆先生的开创性工作 黄昆先生作为中国固体物理学和半导体物理学的奠基人之一,在晶格动力学领域作出了里程碑式的贡献。 黄昆方程 黄昆先生与玻恩合著的《晶格动力学理论》是该领域的经典著作。他提出的黄昆方程系统地描述了极性晶体中光学振动与电磁场的耦合,为理解极化激元等概念奠定了理论基础。 黄昆方程的核心在于同时考虑晶格振动和电磁场的相互作用,揭示了光与物质相互作用的新机制。这一理论不仅解释了离子晶体中红外光吸收的特性,还预言了许多新颖的物理现象。 极化激元:光与物质耦合的量子 极化激元是电磁场与物质激发耦合形成的准粒子。在双原子链模型中,特别是对于离子晶体,光学支声子与光子耦合形成声子极化激元。 极化激元的特性 极化激元既具有光子的特性,又具有声子的特性。这种混合态导致了一系列独特的物理现象: · 色散关系中出现避免交叉 · 在特定频率范围内存在能隙 · 传播速度既不同于光速也不同于声速 实验验证与应用 黄昆的理论预言在实验上得到了完美验证。拉曼散射和红外光谱实验观测到了极化激元的特征色散关系。这些研究不仅证实了理论预言的正确性,还为现代光子学和等离激元学研究奠定了基础。 极化激元概念现已扩展到多种体系,包括激子极化激元、等离激元极化激元等,在微腔激光、量子模拟等领域展现出重要应用前景。 理论意义与现代发展 黄昆的工作将晶格动力学理论研究推向了新的高度。他建立的理论框架不仅解决了一维双原子链的具体问题,更为处理更复杂的晶格振动问题提供了普遍方法。
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