《固体物理第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体物理第一章（83页珍藏版）》请在文档大全上搜索。
1、固体物理学，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社固体物理学，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社固体物理学（上），方俊鑫、陆栋编，上海科学技术出版社固体物理学（上），方俊鑫、陆栋编，上海科学技术出版社主要参考教材主要参考教材绪论绪论第一章第一章 晶体结构晶体结构第二章第二章 晶体的结合晶体的结合第三章第三章 晶格振动与晶体热学性质晶格振动与晶体热学性质第四章第四章 能带理论能带理论第五章第五章 半导体半导体 超导体超导体目目 录录物质分类物质分类物理学：固体、液体、气体和等离子体物理学：固体、液体、气体和等离子体化化 学：有机物质和无机物质学：有机物质和无机物质生物学：生命物质和非生命物质生物学：生命物质
2、和非生命物质固体：晶体、非晶体和准晶体固体：晶体、非晶体和准晶体固体物理学固体物理学：非生命的无机固体：非生命的无机固体固体物理学研究对象固体物理学研究对象研究固体的结构，固体中原子间相互作用与运动规律，物理性质研究固体的结构，固体中原子间相互作用与运动规律，物理性质绪绪 论论固体物理学发展固体物理学发展20世纪世纪20年代中叶：量子力学和统计物理学年代中叶：量子力学和统计物理学绪绪 论论晶体，包括金属、合金、半导体晶体，包括金属、合金、半导体固体物理学固体物理学固体中的杂质、缺陷，固体表面与界面，非晶态和准晶态物质，超导体、固体中的杂质、缺陷，固体表面与界面，非晶态和准晶态物质，超导体、超晶
3、格等人工微结构新材料和低维量子结构材料；液体、有机材料、液超晶格等人工微结构新材料和低维量子结构材料；液体、有机材料、液晶晶凝聚态物理学凝聚态物理学固体物理学课程主要内容固体物理学课程主要内容晶体结构和晶体结合的基本类型，晶格振动和晶格热容的量子理论，固晶体结构和晶体结合的基本类型，晶格振动和晶格热容的量子理论，固体的能带理论，金属电子的量子理论，半导体能带结构和半导体性质。体的能带理论，金属电子的量子理论，半导体能带结构和半导体性质。物理学是研究探索物质结构，相互作用和运动基本规律的学科物理学是研究探索物质结构，相互作用和运动基本规律的学科 绪绪 论论凝聚态物理是研究凝聚态物质的结构、物理性
4、质、机制与规律、原理与凝聚态物理是研究凝聚态物质的结构、物理性质、机制与规律、原理与应用的学科应用的学科 材料科学与技术侧重于材料的制备工艺、材料的性能与应用、材料器件材料科学与技术侧重于材料的制备工艺、材料的性能与应用、材料器件的设计与应用的设计与应用 凝聚态物理侧重于材料结构的形成、粒子之间的相互作用、物理现象凝聚态物理侧重于材料结构的形成、粒子之间的相互作用、物理现象和效应产生的机制和效应产生的机制 固体物理学固体物理学是凝聚态物理学的主干课程是凝聚态物理学的主干课程量子力学量子力学统计物理学统计物理学 固体物理学固体物理学 凝聚态物理学凝聚态物理学半导体物理学半导体物理学光电子学光电子
5、学激光物理学激光物理学金属物理学金属物理学磁性物理学磁性物理学低温物理学低温物理学材料物理学材料物理学纳米物理学纳米物理学半导体器件半导体器件微电子学微电子学非平衡态统计物理学非平衡态统计物理学绪绪 论论固体物理学的基本问题固体物理学的基本问题绪绪 论论固体中原子是怎样排列和结合的？固体中原子是怎样排列和结合的？结构问题结构问题固体结构是如何形成的？固体结构是如何形成的？结合力问题结合力问题固体中，电子和原子的运动形态？固体中，电子和原子的运动形态？量子力学量子力学固体的宏观性质与原子运动的关系？固体的宏观性质与原子运动的关系？统计物理统计物理固体有哪些可能的应用？固体有哪些可能的应用？物理性
6、质问题物理性质问题18世纪，阿维观察到晶体外部的几何规则性世纪，阿维观察到晶体外部的几何规则性 1850年，布喇格导出年，布喇格导出14种点阵结构种点阵结构十九世纪末费奥多罗夫、熊夫利、巴洛建立了关于晶体对称性的群理论十九世纪末费奥多罗夫、熊夫利、巴洛建立了关于晶体对称性的群理论 1905年，洛伦兹建立了自由电子的经典统计理论年，洛伦兹建立了自由电子的经典统计理论1853年，维德曼和夫兰兹通过实验确定了金属导热性和导电性之间关系年，维德曼和夫兰兹通过实验确定了金属导热性和导电性之间关系1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动1912年，德
7、拜采用连续介质模型，得到固体低温比热容的温度关系年，德拜采用连续介质模型，得到固体低温比热容的温度关系 固体物理学发展简史固体物理学发展简史绪绪 论论1933年，迈斯纳发现超导体具有完全的抗磁性年，迈斯纳发现超导体具有完全的抗磁性1912年，劳厄发现晶体年，劳厄发现晶体X射线衍射现象，证实了晶体内原子周期性结构射线衍射现象，证实了晶体内原子周期性结构1911年，昂内斯发现金属汞在年，昂内斯发现金属汞在4.2K具有超导电性现象具有超导电性现象1927年，泡利首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性年，泡利首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性1928年，索末菲用量子统计求得电子气的比热
8、容和输运现象，解决了经年，索末菲用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。典理论的困难。1931年，威耳逊在提出金属和绝缘体相区别的能带模型，预言介于两者年，威耳逊在提出金属和绝缘体相区别的能带模型，预言介于两者之间存在半导体之间存在半导体 绪绪 论论1948年，巴丁、布喇顿以及肖克莱于发明晶体管年，巴丁、布喇顿以及肖克莱于发明晶体管 1957年，巴丁、库珀和施里弗提出超导微观理论年，巴丁、库珀和施里弗提出超导微观理论BCS理论理论1961年，发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，验证了库珀对年，发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，验证了库珀对50年代苏联的京茨堡
9、、朗道等建立并论证了超导态宏观波函数的方程组，年代苏联的京茨堡、朗道等建立并论证了超导态宏观波函数的方程组，导出第二类超导体的基本特性。导出第二类超导体的基本特性。 1946年，伦敦提出超导电性是宏观量子现象，并预言磁通是量子化的年，伦敦提出超导电性是宏观量子现象，并预言磁通是量子化的绪绪 论论黄昆黄昆(1919(19192005)2005)世界著名物理学家、我国固体物理学和半世界著名物理学家、我国固体物理学和半导体物理学的奠基人、中国科学院院士、导体物理学的奠基人、中国科学院院士、20012001年度国家最高科学技术奖获得者年度国家最高科学技术奖获得者 四十年代，提出固体中杂质缺陷导致光四十
10、年代，提出固体中杂质缺陷导致光漫散射的理论，六十年证实并得到应用，漫散射的理论，六十年证实并得到应用，被称为被称为“黄漫散射黄漫散射”。 19501950年同其夫人艾夫合作，首次提出多声年同其夫人艾夫合作，首次提出多声子无幅射跃迁理论子无幅射跃迁理论“黄黄里斯理论里斯理论”。 19511951年，首次提出描述晶体中光学位移、年，首次提出描述晶体中光学位移、宏观电场与电极化三者关系的宏观电场与电极化三者关系的“黄方程黄方程”，19631963年拉曼散射实验所证实。年拉曼散射实验所证实。 绪绪 论论1954年，年，Born（1882-1970）和黄昆合作的和黄昆合作的晶格动力论晶格动力论一部有世界
11、影响的经典科一部有世界影响的经典科学专著。学专著。 波恩在给爱因斯坦的一封信中写道：波恩在给爱因斯坦的一封信中写道：“我现在我现在正在同一个中国的合作者黄昆博士完成一本晶正在同一个中国的合作者黄昆博士完成一本晶格的量子力学的书。书稿内容已完全超越了我格的量子力学的书。书稿内容已完全超越了我的理解，我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名的理解，我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西，就很高兴义所写的东西，就很高兴”。 绪绪 论论理论课程理论课程首先，从简单晶格的认识到固体内原子结合的方式与相互之间作用；阐述首先，从简单晶格的认识到固体内原子结合的方式与相互之间作用；阐述了晶格振动研究的物理思想和
12、方法，晶格振动对固体热容量的贡献。了晶格振动研究的物理思想和方法，晶格振动对固体热容量的贡献。其次，对固体中电子运动规律展开讨论，利用近自由电子近似和紧束缚方其次，对固体中电子运动规律展开讨论，利用近自由电子近似和紧束缚方法，阐述了电子能带的形成和物理意义。介绍了在电场和磁场作用下，晶法，阐述了电子能带的形成和物理意义。介绍了在电场和磁场作用下，晶体中电子的运动特点，诠释了导体、半导体和绝缘体的区别。体中电子的运动特点，诠释了导体、半导体和绝缘体的区别。讨论了金属中电子对固体热容量的贡献。考虑到半导体材料与技术的发展讨论了金属中电子对固体热容量的贡献。考虑到半导体材料与技术的发展和应用，讨论了
13、半导体的基本能带结构和杂质对半导体性质的影响。和应用，讨论了半导体的基本能带结构和杂质对半导体性质的影响。近代物理实验近代物理实验1 1、超导材料、超导材料YBaCuO电阻随温度变化的关系测量电阻随温度变化的关系测量2 2、X射线衍射实验射线衍射实验3 3、半导体泵浦激光原理实验半导体泵浦激光原理实验 教学安排教学安排固体物理的研究对固体物是的研固理组成结构及其组成粒子（原子、离子、电子之间相互作用）与运动规律以阐明其性能与用途理科学。固分类n晶固：原子按一定理周期排列规则理固（长程有序），例如：天然理岩盐，水晶，以及人工理半导固锗、硅都是晶固。nCaCO3雪花晶固YBaCuO非晶固n非晶固：
14、原子理序列没有明显理周期性（短程有序）。 （如Be2O3理非晶态）准晶固n准晶: 有长程理取向序，沿取向序理究称轴方向 ，有准周期性，但无长程周期性。（AlMn合金，Al65Co25Cu10合金)n）物想晶固与实际晶固固体物理发展过程固体物理发展过程固体物理发展过程固体物理的研方法固体物理的研方法第一节第一节 晶体的基本性质晶体的基本性质第二节第二节 晶格晶格第三节第三节 晶格指数晶格指数第四节第四节 倒格子倒格子第五节第五节 晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构第一节第一节 晶体的基本性质晶体的基本性质第一章第一章 晶体结构晶
15、体结构 钻石上的原子钻石上的原子 在晶体中，原子排列具有在晶体中，原子排列具有周期性周期性，形成长程有序的三维空间结构，形成长程有序的三维空间结构 NaCl晶体结构图晶体结构图 人工石英晶体人工石英晶体 晶体具有规则的几何形状晶体具有规则的几何形状晶体的大小和形状主要受晶体生长技术、生长条件影响（温度、压强晶体的大小和形状主要受晶体生长技术、生长条件影响（温度、压强等）；晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。等）；晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。第一节第一节 晶体的基本性质晶体的基本性质第一章第一章 晶体结构晶体结构 晶体具有确定的晶体具有确定的熔点熔点 单晶：长程有序，具有
16、规则的几何外形和物理性质各向异性。单晶：长程有序，具有规则的几何外形和物理性质各向异性。多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒（多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒（106105m）形成。形成。晶体的熔化热是破坏晶体有序结构的能量晶体的熔化热是破坏晶体有序结构的能量,使其由晶态转化为非晶态。使其由晶态转化为非晶态。 物理性质各向异性物理性质各向异性 晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。第一节第一节 晶体的基本性质晶体的基本性质第一章第一章 晶体结构晶体结构 第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 晶体结构的基本特征是原子排列的周期性（晶体
17、结构的基本特征是原子排列的周期性（Periodicity） 格点格点 Bravais点阵点阵晶体中的原子是组成该晶体的基本单元，简称晶体中的原子是组成该晶体的基本单元，简称基元基元 晶格（晶格（Lattice）：格点的三维空间结构）：格点的三维空间结构 Bravais 格子格子晶格晶格晶体结构基元晶体结构基元+晶格晶格第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 二维空间格子二维空间格子金属晶格结构金属晶格结构离子与自由电子示意图离子与自由电子示意图第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 原胞原胞 原胞（原胞（Prim
18、itive cell）能够反映晶体周期性的最小单元；每个原胞只含一个格点能够反映晶体周期性的最小单元；每个原胞只含一个格点第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 原胞的基矢：原胞的基矢：1a2a3a1a2a3a第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 )(321aaaV晶胞（晶胞（Unit cell）：）：能够反映晶格的对称能够反映晶格的对称性和周期性的结构单元（性和周期性的结构单元（Bravais原胞原胞）cba cba ;、晶胞的基矢：晶胞的基矢：简立方晶格简立方晶格 简立方晶格的原胞与晶胞简立方晶格的原胞与晶胞第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构
19、 面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的原胞与晶胞面心立方晶格的原胞与晶胞 第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 NaCl晶体结构图晶体结构图 面心立方晶格的原胞与晶胞面心立方晶格的原胞与晶胞 金属中金属中CuCu、AgAg、AuAu、AlAl、PbPb、Fe-Fe-、NiNi惰性原子惰性原子)(21kjaa)(22kiaa)(23jiaa第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 体心立方晶格体心立方晶格 体心立方晶格的原胞与晶胞体心立方晶格的原胞与晶胞 )(21kjiaa)(22kjiaa)(23kjiaa 碱金属（碱金属（LiLi、NaNa、K K、RbRb、C
20、sCs）过渡族（过渡族（Fe-Fe-、CrCr、MoMo、W W）第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 体心立方晶格的原胞与晶胞体心立方晶格的原胞与晶胞 )(21kjiaa)(22kjiaa)(23kjiaa 碱金属（碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）过渡族（过渡族（Fe-、Cr、Mo、W）第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 简立方晶格简立方晶格CsCI，CsBr，CsI 面心立方晶格面心立方晶格NaCI，NaBr，NaFLiCI，LiF，MgO，BaO，CaO复式晶格与简单晶格复式晶格与简单晶格第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 富勒烯富
21、勒烯石墨石墨第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 碳纳米管碳纳米管 金刚石晶体结构图金刚石晶体结构图 第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 GaAs, ZnS第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 1974年，数学家彭罗斯年，数学家彭罗斯(R.Penrose)两种边长相等锐角为两种边长相等锐角为36和和72的菱形拼块可以无空隙无交叠地的菱形拼块可以无空隙无交叠地填满整个空间，可拼出五重轴的填满整个空间，可拼出五重轴的图案，称彭罗斯拼图。图案，称彭罗斯拼图。第二节第二节 晶格晶格第一章第一章 晶体结构晶体结构 第三节第三节 晶格指数晶格指数第一章第一
22、章 晶体结构晶体结构 晶胞的基矢晶胞的基矢cba、构成晶体的坐标构成晶体的坐标 晶列与晶向晶列与晶向 晶列指数晶列指数 n n1 1 n n2 2 n n3 3 123Rn an bn c 格矢格矢 第三节第三节 晶格指数晶格指数第一章第一章 晶体结构晶体结构 晶面指数（晶面指数（hkl）表示该晶面族的取向表示该晶面族的取向222lkhadhkl晶格面间距晶格面间距 确定该平面在三个晶轴上的截距确定该平面在三个晶轴上的截距1/n1、1/n2、1/n3成正比的三个互质整数成正比的三个互质整数123Rn an bn c 第三节第三节 晶格指数晶格指数第一章第一章 晶体结构晶体结构 第三节第三节 晶
23、格指数晶格指数第一章第一章 晶体结构晶体结构 第三节第三节 晶格指数晶格指数第一章第一章 晶体结构晶体结构 立方晶格晶面指数立方晶格晶面指数(101)(021)(122)(210)立方晶格立方晶格(100)，(001)， (010)(110) ，(110)(101)， (101)(011) ，(011)第三节第三节 晶格指数晶格指数第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 )(2321aaVb)(2132aaVb)(2213aaVb倒格子基矢倒格子基矢)(21kjab)(22kiab)(23jiab体心立方晶格的倒格子体心立方晶格的倒格子)(21
24、kjiab)(22kjiab)(23kjiab面心立方晶格的倒格子面心立方晶格的倒格子第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶体结构 第四节第四节 倒格子倒格子第一章第一章 晶体结构晶
25、体结构 )(eV1239nmeVhc劳厄劳厄( (1879-1860)1879-1860)第五节第五节 晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 X X射线衍射射线衍射ndhkl sin2 Bragg衍射公式衍射公式Lawrence Bragg222lkhadhkl第五节第五节 晶体的晶体的X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 Henry Bragg体心立方晶格体心立方晶格(001)晶面一级衍射晶面一级衍射晶格常数晶格常数晶格面间距晶格面间距第五节第五节 晶体的晶体的X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 劳埃法劳埃法第五节第五节 晶体的晶体的X
26、X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 原原子子力力显显微微镜镜第五节第五节 晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 第五节第五节 晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 晶体的对称性：变换后，晶格在空间的分布保持不变（重合）晶体的对称性：变换后，晶格在空间的分布保持不变（重合） 对称操作：变换对称操作：变换 对称元素：点、线、面对称元素：点、线、面第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 镜象变换镜象变换(x1，x2，x3)（-x1，
27、x2，x3） 反演变换反演变换(x1，x2，x3)（-x1，-x2，-x3） 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 立方晶体的镜象面立方晶体的镜象面 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 转动变换转动变换:(x1，x2，x3)（x1，x2，x3） 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 立方晶体的立方晶体的(100)， (110)， (101) 和和(011)等效晶面等效晶面第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 立方晶体的立方晶体的(111)(111)等效晶面等效晶面第
28、六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 七种晶系：晶胞基矢特征七种晶系：晶胞基矢特征14种种Bravais晶格：格点分布特点晶格：格点分布特点 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构 第六节第六节 晶体的对称性晶体的对称性第一章第一章 晶体结构晶体结构
