固體物理課件第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一平時(shí)成績（30%）成績考試成績（70%）作業(yè)完成情況20%課堂回答問題5%到課情況5%作業(yè)每個(gè)星期五下午6點(diǎn)之前交到物理樓515第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一《固體物理學(xué)》1.《固體物理學(xué)》——黃昆韓汝琪，高等教育出版社2.《IntroductiontoSolidStatePhysics》SeventhEdition——CHARLESKITTEKL,JohnWiley3.《固體物理學(xué)》——方俊鑫陸棟,上海科學(xué)技術(shù)出版社4.《固體物理學(xué)》

——顧秉林王喜昆，清華大學(xué)出版社5.《固體物理學(xué)》學(xué)習(xí)參考書——陳金富，高等教育出版社6.《固體物理基礎(chǔ)》——閻守勝，北京大學(xué)出版社7.《固體能帶理論》——謝希德陸棟，復(fù)旦大學(xué)出版社第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一緒論

一、固體物理的研究對象

——

研究固體結(jié)構(gòu)及其組成粒子(原子、離子、電子)之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律以闡明其性能與用途的學(xué)科固體分類

晶體

——

原子按一定的周期排列規(guī)則的固體（長程有序）天然的巖鹽、水晶以及人工的半導(dǎo)體鍺、硅單晶非晶體

——

原子的排列沒有明確的周期性（短程有序）玻璃、橡膠、塑料——物質(zhì)存在狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)等第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一固體的分類長程有序：周期性，理想的晶體可以看成是由一些基本結(jié)構(gòu)單元(基元—原子、原子團(tuán))在空間重復(fù)排列而成。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一晶體的共性不同原子構(gòu)成的晶體，性質(zhì)不同

硅(半導(dǎo)體)和銅(導(dǎo)體)都是面心立方結(jié)構(gòu)，但是電子性質(zhì)完全不同同種原子組成的不同結(jié)構(gòu)的晶體，性質(zhì)不同(同素異構(gòu)體)在熔化過程中，晶態(tài)固體的長程有序解體時(shí)對應(yīng)一定的熔點(diǎn)石墨金剛石C:1s22s22p21.55?3.56?導(dǎo)電疏松范德瓦爾斯sp2雜化sp3絕緣體硬度高共價(jià)鍵第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一自限性：晶體所具有的自發(fā)形成封閉多面體的能力晶體的解理性：晶體沿著某些確定方位

晶面劈裂的性質(zhì)(解理面)。晶體在外力作用(如敲打、擠壓)下沿特定的結(jié)晶方向裂開成較光滑斷面。

解理性主要決定于晶體結(jié)構(gòu)，若晶體內(nèi)結(jié)合力不止一種，解理時(shí)斷裂的是最弱的化學(xué)鍵或結(jié)合力。赤銅礦晶體(八面體和菱形十二面體聚形)－產(chǎn)地法國綠色柱狀祖母綠晶體－產(chǎn)地摩洛哥第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一晶面角守恒性晶體具有固定的熔點(diǎn)：當(dāng)給某種晶體加熱，當(dāng)加熱到一定溫度的時(shí)候，晶體才是熔化，并且在熔化的過程中其溫度不變，直到晶體全部熔化，溫度才開始上升。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一各向異性：

對稱性：

晶體在某些特定的方向具有

各向異性，但這些性質(zhì)在不同

的方向上有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。扶手型鋸齒型雪花具有六角對稱性石墨烯：2004年發(fā)現(xiàn)2010年諾貝爾物理學(xué)獎第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一

非晶體——不具備長程有序特點(diǎn)——在凝結(jié)過程中不經(jīng)過結(jié)晶的階段，非晶體中分子與分子的結(jié)合是無規(guī)則的

Be2O3晶體與Be2O3玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一

多晶體——由兩個(gè)以上的同種或異種單晶組成的結(jié)晶物質(zhì)，各單晶通過晶界結(jié)合在一起準(zhǔn)晶體——1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的

AlMn準(zhǔn)晶，結(jié)構(gòu)有別于晶體和非晶體——多晶由成千上萬的晶粒構(gòu)成，尺寸大多在厘米級至微米級范圍內(nèi)變化，沒有單晶所特有的各向異性特征

單晶體——晶體形成過程首先要成核，然后生長，這個(gè)過程叫晶粒的成核長大。晶粒內(nèi)分子、原子都是有規(guī)則地排列的，所以一個(gè)晶粒就是單晶。第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一準(zhǔn)晶體

——1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的AlMn合金理想晶體

——內(nèi)在結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的固體____完整晶體實(shí)際晶體

——固體中或多或少地存在有不規(guī)則性，在規(guī)則排列的背景中尚存在微量不規(guī)則性的晶體——電子衍射圖中具有五重對稱的斑點(diǎn)分布——介于晶體和非晶體之間的新的狀態(tài)—準(zhǔn)晶態(tài)第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一二固體物理的發(fā)展過程

——

晶體規(guī)則的幾何形狀和對稱性與其它物理性質(zhì)之間有一定聯(lián)系;晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部規(guī)則性的反映——

十七世紀(jì)，惠更斯以橢球堆積的模型來解釋方解石的雙折射性質(zhì)和解理面——

十八世紀(jì)，阿羽依認(rèn)為晶體由一些堅(jiān)實(shí)、相同的平行六面形的小‘基石”有規(guī)則地重復(fù)堆集而成的——

十九世紀(jì)中葉，布拉伐發(fā)展了空間點(diǎn)陣學(xué)說概括了晶格周期性的特征第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一——十九世紀(jì)末葉，費(fèi)多洛夫，熊夫利、巴羅等獨(dú)立地發(fā)展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進(jìn)一步研究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù),并積累了大量的

實(shí)驗(yàn)事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律?！枋鼍w比熱___杜?。晏娑擅枋鼋饘賹?dǎo)熱和導(dǎo)電性質(zhì)的魏德曼－佛蘭茲定律——二十世紀(jì)初，特魯?shù)潞吐鍌惼澖⒘私?jīng)典金屬自由電子論，對固體認(rèn)識進(jìn)入一個(gè)新的階段——1912年，勞厄指出晶體可以作為X射線的衍射光柵，證實(shí)了空間群理論。第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一——愛因斯坦引進(jìn)量子化的概念來研究晶格振動——索末菲在金屬自由電子論基礎(chǔ)上，發(fā)展了固體量子論——費(fèi)米發(fā)展了統(tǒng)計(jì)理論，為以后研究晶體中電子運(yùn)動的過程指出了方向——20世紀(jì)三十年代，建立了固體能帶論和晶格動力學(xué)——量子理論發(fā)展正確描述了晶體內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動過程第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一——固體能帶論說明了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有一類固體，其導(dǎo)電性質(zhì)介于兩者之間______半導(dǎo)體——20世紀(jì)四十年代末，以諸、硅為代表的半導(dǎo)體單晶的出現(xiàn)并制成了晶體三極管______產(chǎn)生了半導(dǎo)體物理——1960年誕生的激光技術(shù)對固體的電光、聲光和磁光器件不斷地提出新要求人們對固體的認(rèn)識：由表及里，由宏觀到微觀，由定性到定量，由現(xiàn)象到本質(zhì)。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一三固體物理的學(xué)科領(lǐng)域

——高純度的完整晶體、雜質(zhì)、缺陷對金屬、半導(dǎo)體電介質(zhì)、磁性材料以及其它固體材料性能的影響——一般條件下金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性物質(zhì)發(fā)光等材料的各種性質(zhì)——強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射、超高壓、極低溫等特殊條件下材料表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一——探索新材料和設(shè)計(jì)新器件——超導(dǎo)理論、多體理論、非晶態(tài)理論、表面理論、光與物質(zhì)相互作用等——發(fā)展制備材料和器件的新工藝和新理論——固體物理學(xué)負(fù)擔(dān)著眾多的理論課題第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一固體物理領(lǐng)域金屬物理半導(dǎo)體物理晶體物理磁學(xué)電介質(zhì)物理液晶物理固體發(fā)光超導(dǎo)體物理固態(tài)電子學(xué)固態(tài)光電子學(xué)固體光譜強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理納米物理表面物理介觀物理第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一四固體物理的研究方法

固體物理是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科——

為闡明固體表現(xiàn)出的現(xiàn)象與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系，建立和發(fā)展關(guān)于固體的微觀理論固體是一個(gè)復(fù)雜的客體——

每一立方米中包含有約1029個(gè)原子、電子，而且它們之間的相互作用相當(dāng)強(qiáng)固體的宏觀性質(zhì)——

就是大量粒子之間的相互作用和集體運(yùn)動的總表現(xiàn)第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一1.根據(jù)晶體中原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，建立晶格動力學(xué)理論，引入聲子概念，闡明了固體的低溫比熱和中子衍射譜2.金屬的研究——抽象出電子公有化的概念，再用單電子近似的方法建立能帶理論3.物質(zhì)的鐵磁