固体物理基于点阵结构、能带论和晶格振动理论对传统固体材料的物理性质给予了很好的阐释。过去几十年中,固体材料在如下几个方向的发展使传统固体理论受到挑战:一是向小处发展,研究低维或纳米材料等,如C60、碳管和石墨烯等,此时周期性晶格结构、布洛赫定理、能带论以及基于多粒子的统计理论将不再成立,由此诞生了低维物理和纳米物理;二是向复杂体系发展,如重费米子体系、高温超导体和庞磁电阻材料等,此时晶格结构不再唯一,轨道结构重要性增加,电子一电子、电子一声子、电子一轨道、自旋.轨道等相互作用共存,固体物理中的绝热处理将失效,由此诞生了强关联物理和自旋电子学;三是向有机材料方向发展,如有机半导体和生物大分子物理等,此时,电子一晶格的相互作用和纠缠很强,出现较大的重整能,小分子固体和高分子聚合物将呈现复杂而丰富的物理特性,固体物理的基本理论在有机固体中需要重新考证和发展。
长期以来,有机材料一直被认为是绝缘材料。1976年Heeger、MacDiarmid和Slurakawa合成了第一个导电高分子材料——聚乙炔,此后大量的功能有机小分子和高分子被成功合成,人们开始认识有机分子或固体在电磁光等功能特性方面的卢山真面目。有机固体或有机半导体己成为固体物理研究的重要新领域。有机固体物理包含了物理学与化学甚至生命科学的交叉,其理论体系的建立将是对传统固体物理的极大丰富。基于此,我们在多年教学和研究积累的基础上,顺应学科发展的要求,于2012年编写出版了《有机固体物理》-书,该书受到相关领域读者的广泛关注。近年来,有机固体在自旋电子学、多铁、太阳能电池等方面又有了很多新发展。我们修订此书,一方面对一版内容进行精炼,另一方面补充有机固体与器件物理方面的最新进展,使该书更加完善。
本书共分九章,第1章简要介绍传统固体物理的基本知识,其中的一些概念和图像在有机固体中会被发展和丰富。第2章介绍有机固体的结构,对小分子和高分子聚合物结构分别给予介绍。第3章和第4章分别介绍了有机固体中的极化子和激子等元激发,极化子是有机固体中的载流子,区别于传统无机固体中的电子和空穴。这两章通过分析有机材料的相互作用特点,引入物理模型,详细介绍了极化子理论和激子理论。第5章至第7章介绍有机固体及器件的电磁光特性,是有机固体或薄膜的重要功能,丰富了有机光伏方面的内容,增加了有机自旋电子学和有机多铁方面的知识。作为特殊的有机分子材料,第8章介绍了生物大分子,侧重于对当前DNA物理性质研究的概述。最后第9章介绍了全碳家族,对富勒烯和石墨烯以及最新二维碳结构材料研究进展进行了简述。
编写过程中,我们查阅了大量相关文献,尽可能将一些精华的内容吸收到本书之中。鉴于我们水平有限,可能挂一漏万,书中也难免有疏漏和不妥之处,恳请大家批评指正。
再版过程中,山东大学梅良模教授以及颜世申、王春雷、郝晓涛、康仕寿、萧淑琴、秦伟等教授为本书提出了很多有益的建议,山东大学物理学院有机固体研究组的研究生们也参与了本书的修订,在此一并表示感谢。
本书的出版,得到了国家自然科学基金、基金委理论物理专款、国家理科基地教材基金、山东大学晶体材料国家重点实验室等的资助。
本书面对的主要读者为凝聚态物理学、材料科学及有机化学工作者、研究生及高年级本科生等。