固体物理1.ppt

固体物理,材料科学与工程学院,主要参考书,1 方俊鑫，陆栋. 固体物理学 .上海:上海科学技术出版社, 1980 2 黄昆，韩汝琦. 固体物理学 .北京:高等教育出版社, 1988 3 黄波，聂承昌. 固体物理学问题和习题 .北京:国防工业出版社, 1988 4 徐至中. 固体物理学习题解答 .上海:上海科学技术文献出版社, 1988 5 韦丹 固体物理 清华大学出版社, 2007,绪论 第一章 晶体结构 第二章 晶体的结合 第三章 晶格振动与晶体热学性质 第四章 能带理论 第六章 金属电子论,◆物质分类 物理学：固体、液体、气体和等离子体 化 学：有机物质和无机物质 生物学：生命物质和非生命物质,固体：晶体、非晶体和准晶体 固体物理学：非生命的无机固体,◆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,绪 论,◆固体物理学发展 20世纪20年代中叶：量子力学和统计物理学,晶体，包括金属、合金、半导体——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、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——凝聚态物理学,◆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,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,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,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,固体物理学是凝聚态物理学的主干课程,◆固体物理学的基本问题,,固体中原子是怎样排列和结合的？——结构问题 固体结构是如何形成的？——结合力问题 固体中，电子和原子的运动形态？——量子力学 固体的宏观性质与原子运动的关系？——统计物理 固体有哪些可能的应用？——物理性质问题,18世纪，阿羽衣观察到晶体外部的几何规则性,1850年，布喇格导出14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,1905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,1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动 1912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,1933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X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4.2K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 1928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。

1931年，威耳逊在提出金属和绝缘体相区别的能带模型，预言介于两者之间存在半导体,1948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——BCS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 50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,黄昆(1919—2005) 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、2001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Ｘ光漫散射的理论，六十年证实并得到应用，被称为“黄漫散射” 1950年同其夫人艾夫合作，首次提出多声子无幅射跃迁理论——“黄─里斯理论” 1951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“黄方程”，1963年拉曼散射实验所证实1954年，Born（1882-1970）和黄昆合作的《晶格动力论》——一部有世界影响的经典科学专著 波恩在给爱因斯坦的一封信中写道：“我现在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”§1-1 一些晶格的实例,晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式把晶格设想成为原子规则堆积，有助于理解晶格组成，晶体结构及与其有关的性能等第一章 晶体结构,基本概念：,配位数：一个粒子周围最近邻的粒子数一、 简立方晶格,结构特征：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,原子球占据立方体的8个顶点； 配位数为：6 立方体边长a定义为晶格常数,二、 体心立方晶格,结构特征：,原子球占据8个顶角 和体心位置 配位数为:8,典型晶体：碱金属(Li,Na,K,Rb,Cs);过渡金属(Fe,Cr,Mo,W)等若将体心立方结构分为A层和B层结构，则体心立方结构可看成…ABAB…的堆积结构(设原子球半径为r0)B,注：体心立方晶格一个平面内的原子球并不是最紧密排列三、 密堆积结构,如果晶体由完全相同的一种粒子组成，而粒子被看作小圆球，则这些全同的小圆球最紧密的堆积称为密堆积1、 密堆积结构的主要特征,全同原子球的最紧密的堆积方式； 在同一平面中每两个球均相切，且每个球与六个球相切；三个球心构成等边三角形；每个球周围有六个空隙。

配位数为：12,,,,,,,,,,,,,,2、六角密排与立方密排密堆结构图示,第一步：将全同小球平铺成密排面（A层）； 第二步：第二层密排面的球心对准A层的球隙，即B层； 第三步：第三层密排面放在B层的球隙上，可形成两种不同的晶格，即六角密排和立方密排结构Ａ,,六角密排 (-A-B-),立方密排（面心立方）(A-B-C),3、密堆积结构单元,四、 金刚石结构,结构特征：,面心立方结构基础上在互不相邻的四条体对角线的四分之一处加一个C原子配位数为：4,5. NaCl晶格结构,好象是一个简单立方晶格，但每一行上相间排列着正负离子 碱金属和卤族元素的化合物具有这种结构,氯化钠结构由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/2的长度套构而成6. CsCl晶格结构,和体心立方相仿，只是体心位置为一种离子，顶 角为另一种离子,氯化铯结构是由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的长度套构而成,7. 闪锌矿ZnS晶格结构,与金刚石晶格结构相仿， 在金刚石晶格立方单元 的对角线位置上放一种原子，在面心立方位置上 放另一种原子 III族和V族元素的化合物具有闪锌 矿晶格结构,§1-2 晶体的周期性,一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。

所有晶体的结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构1.基元、格点和晶格,在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构1)基元,任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同2)晶格,晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限分布，通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称为晶格(或者说这些点在空间周期性排列形成的骨架称为晶格)晶格是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的具体内容，保留了晶体结构的周期性用矢量 表示格点的排列3)格点,晶格中的点子代表着晶体结构中相同的位置，称为格点一个格点代表一个基元，它可以代表基元重心的位置，也可以代表基元中任意的点子晶格+基元=晶体结构,2.布拉维晶格、简单晶格和复式晶格,(1)布拉维晶格,格点的总体称为布拉维晶格，这种格子的特点是每点周围的情况完全相同2)简单晶格和复式晶格,简单晶格：如果晶体由完全相同的一种原子组成，且每个原子周围的情况完全相同，则这种原子所组成的网格称为简单晶格。

复式晶格：如果晶体由两种或两种以上原子组成，同种原子各构成和格点相同的网格，称为子晶格，它们相对位移而形成复式晶格简单晶格,复式晶格,在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体沿三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成晶体，这个平行六面体即为原胞，代表原胞三个边的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称基矢3. 原胞,,,,在晶格中取一个格点为顶点，以三个不共面的方向上的周期为边长形成的平行六面体作为重复单元，这个平行六面体沿三个不同的方向进行周期性平移，就可以充满整个晶格，形成晶体，这个平行六面体即为原胞，代表原胞三个边的矢量称为原胞的基本平移矢量，简称基矢特点：格点只在平行六面体的顶角上，面上和内部均无格点，平均每个固体物理学原胞包含1个格点它反映了晶体结构的周期性构造：取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞1)固体物理学原胞(简称原胞),基矢：固体物理学原胞基矢通常用 表示体积为：,原胞内任一点的位矢表示为：,在任意两个原胞的相对应点上，晶体的物理性质相同。

2)结晶学原胞（简称晶胞）,构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性基矢：结晶学原胞的基矢一般用 表示特点：结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上及内部亦可有格点其体积是固体物理学原胞体积的整数倍体积为：,(3)维格纳--塞茨原胞,构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线)，由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即为W--S原胞特点：它是晶体体积的最小重复单元，每个原胞只包含1个格点其体积与固体物理学原胞体积相同固体物理学原胞,维格纳--塞茨原胞,4、结晶学原胞与固体物理学原胞间的相互转化,简立方 体立方 面心立方立方晶系布拉维格子,结晶学中，属于立方晶系的布拉维格子有简立方、体心立方和面心立方每个布拉维格子包含1个格点固体物理学原胞的体积,1. 简立方,原胞的基矢为： a1=ia, a2=ja, a3=ka,,平均每个布拉维原胞包含4个格点2)面心立方,,固体物理学原胞的体积,,,,,,,,,,,,(3)体心立方,,平均每个布拉维原胞包含2个格点。

固体物理学原胞的体积,(1)金刚石结构,金刚石结构属面心立方，每个结晶学原胞包含4个格点金刚石结构是由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/4的长度套构而成,其布拉维晶格为面心立方把基元包含两个或两个以上原子的，叫做复式格子金刚石结构每个固体物理学原胞包含1个格点,基元由两个碳原子组成,位于（000）和 处2)氯化钠结构,氯化钠结构由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/2的长度套构而成Cl-和Na+分别组成面心立方子晶格其布拉维晶格为面心立方氯化钠结构属面心立方每个固体物理学原胞包含1个格点，每个结晶学原胞包含4个格点氯化钠的固体物理学原胞选取方法与面心立方简单格子的选取方法相同基元由一个Cl-和一个Na+组成3)氯化铯结构,氯化铯结构是由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的长度套构而成 Cl-和Cs+分别组成简立方格子，其布拉维晶格为简立方，氯化铯结构属简立方每个固体物理学原胞包含1个格点，每个结晶学原胞包含1个格点基元由一个Cl-和一个Cs+组成。