固体物理学

中国科学院建立以后，组建了以固体物理为主要研究方向的应用物理研究所，他们和一些高等院校一起，推动了晶体学、低温技术、磁学、固体强度与范性学的研究工作的发展。1958 年，在新建的中国科学技术大学内设置了以凝聚态物理为专业的技术物理系。1977 年中国科学院召开的新学科规划会议上，把表面物理、非晶态物理、固体缺陷、相变和高临界温度超导体确定为凝聚态物理的发展重点。这一时期，在北京、上海、昆明、长春、合肥等地建立了相应的研究机构。各地的高等院校也取得了一些重要研究成果。到 1990 年，中国的凝聚态物理研究的分支学科，已发展成为包括晶体学、晶体生长、磁学、半导体物理、电介质、非晶态物理、表面物理、低温物理、高压物理、固体缺陷、内耗以及固体离子学等十多个分支的大领域；研究机构已发展到十多个研究所和高校研究室，研究人员已达两千多人。

固体理论

晶体中发生电子跃迁时，常常会伴随着发生晶格能量的改变，表现为晶体中电子跃迁的光吸收和光发射具有复杂的与温度有关的谱线形状。这个问题对认识晶体的光学和光电性质、认识晶体中激发出来的载流子的运动和寿命等都有重要意义。1950 年，黄昆和里斯（A．Rhys）在“F 心的光吸收和非辐射跃迁的理论”中首次对这个问题给出了完整的理论处理。他们把围绕 F 心的晶格原子的平衡位移位形用晶格振动的正则坐标来展开，跃迁前后的平衡位移位形的变化便表现为晶格振动能量的变化。这样便清楚地得到了电子跃迁时同时会发射或吸收一个或多个晶格振动量子-声子的物理图象，得到了复杂的谱线形状以及它对温度的依赖关系的物理本质。国际物理学界公认这一理论的开拓意义，并把它称为“黄-里斯理论”，对以后发展起来的“极化子”理论的形成有重要影响。从 1980 年到 1985 年，黄昆和他的学生比较严格地分析了这类理论处理的基础——把电子运动和晶格运动分开处理的所谓绝热近似，提出一个有多个不同频率的声子模式参加的多声子复合过程的理论模型和计算这个模型的理论方法。

1950 年，黄昆综合介质的电磁理论和晶格动力学理论对极性晶体提出了一对唯象方程。它提供了处理极性晶体光学振动的基础，被称为“黄方程”。1951 年黄昆从黄方程出发，又推导出晶体中的声子与电磁波的耦合振荡模式。他所预见的声子与电磁波的耦合振动模式于 1963 年首先被半导

体磷化镓的 Ra-man 散射实验所证实，被命名为极化激元。后来发现其他物质振动也有类似的与电磁波的耦合模式，也被称为极化激元。现在极化激元成为分析固体光学性质的基础，黄昆的工作在国际上被看作是极化激元领域的里程碑式的工作。70 年代后期和 80 年代初期，黄昆探讨了多声子复合理论中绝热近似是否失效的问题和无辐射跃迁的绝热近似及静态耦合理论，指出康登（Condon）近似实际上包含有微扰处理上的错误，并提出了选择非康登近似波函数的理论判据。在此基础上，他证明了在晶格弛豫只限于电子-声子相互作用的对角部分以及非对角部分只限于一级微扰处理的范围内，绝热近似和静态耦合理论是完全等价的。这一结论，从理论上肯定和统一了无辐射跃迁理论的主要成果，并对其后无辐射跃迁几率的实际计算工作具有重大的指导意义。1982 年，黄昆等又把多声子跃迁理论中广泛采用的单频模型推广为多频模型，提出了声子模型统计分布，揭示了多声子理论的一个新的方面，阐明在多声子跃迁中发射了哪些声子。1983 年，他又对多频模型中最陡下降法的理论基础做进一步探讨，证明了当声子数足够多时，由最陡下降法得到的跃迁几率与由严格理论得到的结果是一致的。80 年代，中科院理论物理所于■、苏肇冰等对电子-晶格畸变高度非线性耦合的跃迁过程进行了系统的研究，在黄-里斯理论的基础上，提出了一个多电子系统局域型非线性元激发的量子跃迁理论，给出了局域型非线性元激发辐射跃迁和无辐射跃迁量子跃迁几率的普遍表达式。在上述理论框架内，对于 Trans-聚乙炔引入了空间反演算符和电荷共轭算符，求得了系统哈密顿量，系统地导出了这种局域型元激发在辐射跃迁和无辐射跃迁过程中必须遵守的一些选择定则，并解释了实验上观察到的 Trans-聚乙炔系统光生中性孤立子对被禁戒的现象。在双极化子模型的基础上，应用上述理论到 Cis-聚乙炔的共振 Raman 谱上，理论计算与实验结果基本相符。

晶体学

晶体学是研究晶体中的原子（或离子）排列的结构形态以及结构形态变化规律的学科。50 年代以来，中国物理工作者运用 X 射线、电子、中子等衍射和散射手段研究单晶和多晶的晶体结构，取得了多种结果。

中华人民共和国成立初期，中国的 X 射线衍射研究，只有应用物理所陆学善等在合金的粉末衍射分析方面有过一些工作。不久，刘益焕开展了合金加工和热处理后结构、结构变化以及休姆-罗塞莱（Hume-Rothery）电子化合物中的有序无序相变及超结构的研究。吴乾章利用 X 射线多晶衍射物相分析方法，对耐火材料的耐用性进行研究。他们这些工作，对中国的X 射线衍射分析研究起到了奠基作用。在建立和发展 X 射线多晶衍射的技术和方法方面，物理所、上海硅酸盐所、化学所研制了精密型德拜-谢乐

（Debye-Scherrer）照相机以及纪尼叶（Guinier）单色聚焦照相机和单色器。他们使用大直径德拜-谢乐照相机，通过修正偏心与吸收流移常数的方法，使测量晶体点阵常数的精确度达到五十万分之一，属于当时世界先进水平。同时，他们还推导出适用于低对称性的联立方程组来求解点阵常数；提出了适用于四方、六角、正交、单斜晶系的 X 射线粉末衍射图谱指标化的一种新图解法。陆学善和章综在利用 X 射线粉末衍射技术研究金属合金体系的有关晶体结构和超结构的工作中，发现了合金相中一类以氯化铯型为基本结构单位，空位做有序分布而形成的超结构相，指出决定其结构的

主要因素是基本结构单位内所含的平均价电子数。这其中，最突出的成果是发现铝-铜-镍三元素的τ相内存在着 8 种结构。这 8 种结构都是以氯化铯型为基本结构单位，经畸变和空位沿六角晶系的 z 轴做有序分布而形成的 10～17 层的属于不同结构类型的超结构。用 X 射线衍射法对物质多型性进行的研究也曾取得良好成绩。上海硅酸盐所郭常霖等发现 84 种碳化硅新

多型体，占到世界上所发现的 150 多种多型体的一半以上。他们还测定过

多个属于特殊结构系列的新多型体的晶体结构。物理所在对碘酸锂的相变研究中，发现碘酸锂相变过程存在着一系列中间相。这些工作，使人们对重建型相变有新的认识。物理所用多晶粉末衍射的方法测定过一系列金属间化合物和无机盐的晶体结构，如 FeGa■，CoGa■⋯⋯测定的精确度达到了世界上公认的高水平。

1955 年，唐有祺在应用物理所组建了中国第一个单晶体结构分析的研究组。同年，在中国首次用 X 射线方法测定出一个单晶体结构。次年，吴乾章在应用物理所指导单晶体结构分析方法的研究，稍后，又倡导和组织了对结构分析“直接法”的研究，并最先组织了单晶体结构分析电子计算机程序的编写工作。1963 年以来，范福海等对直接法进行大量研究，他们突破了晶体学中直接法只能应用于小分子单晶体的 X 射线衍射分析的狭小领域的局限，开展了将直接法应用于测定蛋白质结构的研究，在将直接法与传统的蛋白质结构分析方法-同晶型置换法和异常散射法相结合的研究中，取得了国际上迄今最佳的试验结果，从而把直接法的应用从小分子推广到大分子。范福海、郑启泰等就直接法处理晶体结构分析中关于由赝对称引起的衍射周相不确定性问题，即用直接法测定特殊的“超结构”问题进行了系统研究，阐明了这一问题的原因、表现形式及解决这一问题的方法理论；建立了一套系统的实用算法，并将这种算法纳入了直接法电子计算机程序系统 SAPI。这是目前国际上唯一能够自动处理晶体结构中赝对称性问题的程序。

中国的电子显微术研究始于 1951 年，当时钱临照和何寿安等在物理所装备的中国第一台电子显微镜上对金属单晶体初期范性形变进行电镜研究，在考察铝单晶滑移形变后的表面特征中发现许多新的物理现象。60 年代，金属所郭可信和物理所李方华开展了电子衍射的研究。郭可信等研究了单晶电子衍射图的几何并对不同类型电子衍射图进行了分析；李方华等用透射和反射式电子衍射方法研究了薄膜结构与薄膜性能及其制造工艺之间的关系，并提出了一个从动力学电子衍射强度出发，寻求结构振幅的经验方法，以此测定了 23 烷醇晶体结构中的氢原子位置。70 年代后期，物理所和金属所都开展了高分辨电子显微术方面的工作，用点阵象技术直接观察了晶体的结构和缺陷；随后，又开展了结构象的应用研究，建立了高分辨电子显微象的模拟计算技术。半导体所、上海硅酸盐所、固体物理所等单位也先后开展了这方面的工作，在研究各种氧化物、金属、半导体等材料的晶体结构、缺陷、界面时观察到许多新的结构现象。80 年代，物理所在高分辨电子显微术方面的研究，提出了赝弱相位物体近似的象衬理论，并在此理论的指导下，首次在高分辨电子显微象上观察到轻原子锂。1991 年中科院物理所的李方华、范福海、胡建军等把直接法推广到高分辨电子显微像。建立了一种新的高分辨电子显微像图象处理方法。它综合了电子显微术和衍射分析的优点，并把最大熵原理应用于高分辨电子显微学

中，借助像的解卷处理，找到了一种适用于微小晶体试样结构分析的新方法，接近衍射分辨极限，成功地测定了未知晶体结构。物理所冯国光用会聚束电子衍射方法研究了晶体的对称性和晶体缺陷，并首先指出可以用豪威（Howie）和徽伦（Whelan）发展的晶体缺陷理论来解释畸变场的会聚束电子衍射结果，提出了实现大角度会聚束电子衍射的一种新方法，还开展了电荷密度波的研究。1984 年，国外首次报道用电子衍射方法在急冷铝- 锰合金中发现了具有 5 次对称性的 20 面体准晶。这种准晶无平移周期，但仍属长程有序，具有准平移周期。1984 年，在郭可信、叶恒强的指导下，中国科学院金属研究所的王大能发现，过渡族金属合金中的四面体密堆相的电子衍射图中衍射斑点是非周期性的五次旋转对称分布，认为这是各种纳米微畴中的 20 面体柱具有相同取向引起的。受此启发决定用快速凝固

（ 10■度/秒）方法制备 20 面体原子簇。1985 年初张泽在 Ti■Vi 合金中发现 20 面体对称准晶。这一独立发现得到了国内外的肯定。物理所冯国光

等于 1986 年在铝铁合金中发现了有 10 次对称性的准晶。1987 年，在郭可信指导下，北京科技大学研究生王宁和中科院北京电子显微镜实验室陈焕，首先在急冷 CrNiSi 合金中发现了过去认为“不允许”的 8 次旋转对称准晶，他们还在急冷 VNi 合金中找到 12 次旋转对称准晶。上述几个研究单位在一系列合金中找到 20 多种准晶，占 1987 年前后国际上已知的准晶数目的一半以上。1987 年前后，中科院物理所李方华、麦振洪、陈熙琛、潘广兆等在“准晶体结构和相位子缺陷”研究中，发现了介于准晶体与晶体之间的中间状态，观察到从准晶体到晶体的连续转变；阐明了 20 面体准晶、10 次准晶以及 8 次准晶与某一特定的相关晶体在结构上有密切联系，指出它们之间联系的媒介是线性相位子应变。在这些工作基础上，提出了从相关晶体结构来求定一个与准晶结构有关的高维晶体的结构，从而发展了测定准晶体结构的新方法，并测定了 Al-Cu-Li 和 Al-Mn-Si 准晶体的结构。

1958 年，应用物理所吴乾章与原子能所共同开展了用中子衍射方法研究晶体结构的工作，并组织了把 X 射线、电子和中子三大衍射技术结合起来互相补充的研究工作。1980 年起，中国和法国的科学家合作成功地研制成具有国际水平的中子散射三轴谱仪和四圆衍射仪。利用这两台仪器开展了一系列工作。林泉等利用中子非弹性散射研究了晶体的旋声性，观察到在某些旋声晶体中，左旋的和右旋的圆偏振声子可能具有不同寿命的现象。

1960 年，原子能研究所杨桢、张焕乔等和中科院物理所李荫远开展了中子外场衍射这一课题的研究，发现当石英单晶做超声压电振荡时，衍射的中子束强度成倍增强。他们测定了增长倍数与振荡频率、中子波长的关系，以及摇动曲线宽度变化、中子的单色等性能，并对其机制做了初步分析。这一现象的研究导致了对在运动的或具有晶格梯度的单晶对中子衍射机制方面的广泛探讨，阐明了中子动态衍射和单晶形变对衍射的各种影响，成为目前利用运动的晶体做衍射及利用形变晶体做衍射等衍射新技术的理论基础。1974 年，他们又发现不大的直流电场，能导致α-碘酸锂某些晶面的中子衍射强度显著增大，以及与这一现象有关的弛豫现象、各向异性、温度和低温“冻结”效应、交变电场效应等。对此现象的探讨，导致 1977 年发现了直流场作用下 TGS 单晶在临界点附近的中子衍射增强现

象，并引起国内外对α-碘酸锂在静电场下物理特性的广泛研究。此后，课题组又发现了 TGS 单晶在临界温度附近呈现的、外加静电场引起的中子衍射增强现象。

非晶态物理和液晶理论

自 1974 年以来，中科院物理所、金属所、上海冶金所、固体物理所和中国科技大学等分别在潘孝硕、李林、王景唐、何怡贞等主持下，先后用射频溅射、真空蒸镀、急冷工艺和离子注入等方法制备成各种非晶态稀土- 过渡族合金薄膜和多层膜，以及各种铁基、钴基、锆基和铝基非晶合金薄带，并较深入地研究了它们的结构、电子态、弛豫过程、形成和相变、均匀流变、蠕变和断裂、内耗、磁共振、穆斯堡尔效应、光散射、电性、磁性、超导电性、高压下的物性和理论模型。王荫君等研制成具有垂直膜面各向异性的钆钴薄膜。潘孝硕、詹文山等系统地研究了过渡族元素对铁硼系非晶态合金的磁性和电性影响的规律，并观察到非晶态合金中感生各向异性的可逆和不可逆结构弛豫。赵见高等用核磁共振研究了非晶态铁硼合金的短程序结构和硼原子的配位规律。邬钦崇和何怡贞等从晶化动力学理论与实验两方面研究了非晶合金的晶化过程，区分出晶核形成和长大的两个阶段。王景唐等在非晶态镍磷合金的晶化过程中，观察到有 4 种不同取向的六角亚稳相和两种新的六角亚稳相晶体。王震西等在非晶态钇铁合金中观察到氢致交换增强效应。韩大星等观察到非晶硅光电导的热淬灭及红外淬灭现象。陈立泉和俞文海等还研究非晶固体的离子电导，在非晶态硼酸锂中观察到晶化前期的离子导电反常增高。赵忠贤等对非晶态铜镍锆合金的研究，指出它们的超导电性主要取决于费米面上的态密度。中科院半导体所根据研究硅反型层中的安德逊（Anderson）定域化的实验结果，提出了一个非均匀无序系统的模型，并由此解释了最小金属电导实验与理论预期的差异。他们利用红外光谱和喇曼光谱研究了氢化和氯化非晶硅材料的振动谱，提出了识别硅-氯键的新见解，证实硅-氯键的形成可以提高薄膜的热稳定性。他们还把表面分析技术用于研究氢化和氯化非晶硅的化学键形成和金属绝缘体半导体多晶硅太阳能电池，通过对氢化非晶硅中氢原子间非键互作用的研究，指出它是导致氢原子局域振动模紫移和展宽的可能原因。

1979 年以来，清华大学柳百新等对“载能离子束与金属作用下合金相形成及分形生长现象”进行研究，在固体薄膜中首次观察到多种分形凝聚行为和形态，提出了尖端-尖端模型和形核-凝聚模型，丰富了分形研究的实验结果；在非晶态薄膜中发现了旋错，证实了非晶态固体中不可能存在稳定的位错，而只能产生旋错；实现了原位研究薄膜的分形生长，论证了化合物合成中“结构适应性”原则。

1969 年，中国开始开展对液晶的研究。80 年代初中科院物理所张洪钧、戴建华、王鹏业等在“液晶光学双稳态中混沌运动”的研究中，观察到双稳区内存在新型周期为 t■的暂态振荡，做出理论解释；计算了液晶光学双稳态的分岔图。此项工作还为混沌理论的研究提供了一个进行实验验证的非线性系统模型。80 年代中期，清华大学诸国桢在液晶中发现了一种新的机械波，被命名为“指向波”，是分子排列状态挠动的传播。这一发现对非线性动力学和生物物理学的研究有重要意义。从 1989 年起，中科院理论物理所欧阳钟灿等利用液晶理论研究人工生物膜形状，成功地解释

了人工生物膜泡形状、人工膜螺旋结构，并预言了半径比为■的环形膜泡，得到了法国的实验证实。