1、固體物理學,主講：陳瑩 chen_,緒 論,固體物理學 Solid state physics,固體物理學是研究固體物質的物理性質、微觀結構、構成物質的粒子的運動形態(tài)及其相互關系的科學。,固體物理學的基本任務是從微觀上解釋固體材料的宏觀物理性質。 主要理論基礎是非相對論性的量子力學。 主要方法是應用薛定諤方程來描述固體物質的電子態(tài)。,固體通常指在承受切應力時具有一定程度剛性的物質，包括晶體和非晶態(tài)固體。 簡單地說，固體物理學的基本問題有：固體是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結合的？這種結構是如何形成的？在特定的固體中，電子和原子取什么樣的具體的運動形態(tài)？它的宏觀性質和內部的微觀運動形態(tài)有什么

2、聯系？各種固體有哪些可能的應用？,固體物理學,晶體的結構,在相當長的時間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀，阿維對晶體外部的幾何規(guī)則性就有一定的認識。,晶體的結構,布喇菲在1850年導出14種點陣。費奧多羅夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶體對稱性的群理論。這為固體的理論發(fā)展找到了基本的數學工具，影響深遠。 1912年，勞厄作了晶體對X射線的衍射實驗，證實了晶體內部的周期性結構。 勞厄布拉格父子發(fā)展了 X射線衍射法，用以研究晶體點陣結構。第二次世界大戰(zhàn)以后發(fā)展了中子衍射法，70年代出現了高分辨電子顯微鏡，后來發(fā)展的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡 ， 使晶體

3、結構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。,晶體的結合,晶體的許多宏觀性質與組成晶體的粒子的結合方式有關，按結合力的性質可分為離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵和氫鍵等幾種結合方式。,能帶理論,在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。 電子不可能具有能帶以外的能量值。能帶理論由布洛赫和布里淵等人提出，這個理論不僅解釋了金屬導電性與絕緣體和半導體間存在差別的內在原因，而且在描述金屬的導電和導熱等輸運過程方面均獲得了成功。,能帶理論,能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究，高質量的半導體單晶生長和摻雜技術，為晶體管的產生準備了理論基礎。利用半導體的性質制造的各種電子學器件使電子學產生了革命性的變化

4、，為電子電路的集成化和微型化創(chuàng)造了條件。,缺 陷,點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷：化學成分不會絕對純，內部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質(包括力學、電學、磁學、發(fā)光學等)以及功能材料的技術性能，常常會產生重要的影響。 大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質和缺陷是很重要的晶體的表面性質和界面性質，會對許多物理過程和化學過程產生重要的影響。,晶格動力學,固體比熱容問題曾是另一研究熱點。固體的比熱與點陣振動密切相關，對點陣振動的研究導致了點陣動力學的誕生。固體的比熱容在低溫下不遵守杜隆-珀替定律，為此愛因斯坦和德拜分別于1907年和19

5、12年提出了愛因斯坦模型和德拜模型，用量子統(tǒng)計方法計算了固體比熱，固體比熱在低溫下的性質才得到解釋。,黃昆(1919-2005)：1941年畢業(yè)于燕京大學，1944年畢業(yè)于西南聯合大學的北京大學理科研究所，獲碩士學位，1947年在英國布里斯托大學獲得博士學位。1954年，黃昆與諾貝爾物理學獎獲得者玻恩合著晶格動力學。1955年選聘為中國科學院院士。1980年當選為瑞典皇家科學院外籍院士。1985年當選為第三世界科學院院士。2001年獲國家最高科學技術獎。,黃散射“固體中的雜質缺陷會導致X光漫散射,黃方程 晶體中聲子與電磁波的耦合振蕩模式,“黃-佩卡爾理論”黃-里斯理論” 多聲子輻射和無輻射躍遷

6、的量子理論,電子的運動,晶體中微觀粒子的運動狀態(tài)及其變化規(guī)律確定了晶體的宏觀物性，因而研究晶體內部的微觀運動就成為固體物理學的研究重點。針對金屬的導熱性和導電性問題，德魯特和洛侖茲等人于20世紀初建立了經典的金屬電子論，解釋了關于金屬導熱性與導電性關系的維德曼-夫蘭茲定律，后來索末菲用量子統(tǒng)計理論代替洛侖茲所用的經典統(tǒng)計理論，解決了經典金屬電子論無法解決的問題 。,特殊現象,非晶態(tài)固體內部結構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質，使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域。 超導電現象是某些固體在極低溫度下表現出來的獨特性質，首先由卡末林-昂內斯于1911年發(fā)現。對超導電性的理論、材料和應用方面的研究開辟了固體物理學的新領域 超導物理學。,本課程的主要內容,晶體的結構 晶體的結合 晶體振動與晶體熱力學 晶體的缺陷 晶體中電子能帶理論 自由電子論 電子的輸運性質,參考資料 1 固體物理學 黃昆 韓汝琦 高等教育出版社 1988 2固體物理基礎 閻守勝 北京大學出版社 2000 3 固體