ch1晶体结构_1.

SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系本课程学习安排—总学时48上课学时数：共48学时。前言第一章：晶体结构(16学时)第二章：晶体的结合(4学时)第三章：晶体振动(10学时)第四章：固态电子论基础(8学时)第五章：固体能带论(10学时)与本课程相关的实验(安排在专业基础实验)：Si与SiO2晶体结构的X射线衍射方法测定考试：闭卷平时占30%，期未考试占70%。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系本课程学习要求课堂听课、课外阅读掌握良好的物理思想和熟练的数学处理方法；注意基本知识、基础概念的掌握；学习各种模型的建立方法与处理问题的方法；善于将基本知识和现代科学技术的发展联系起来。作业课堂讨论SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系参考书黄昆编著，固体物理学，北京大学出版社，2009朱建国等，固体物理学，科学出版社，2005陆栋等，固体物理学，上海科学技术出版社，2003韦丹著，固体物理，清华大学出版社，2007SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系勘误表位置原文订正后P19-L22/3a11/3a1P38-L5)(VUu231)(VUv231)(VUu231)(UVv231P46-I-L8aRSihfeSRaaaRSihfeSRaa(e的指数为负号)SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系勘误表位置原文订正后P47-L3P47-L15RanRSieFRnnRSie(e的指数为负号))(lkhnie)(lkhnieP47-I-L3RnnRSie式子(1-35)RanRSieFSolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系前言一、什么是固体物理学固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。基本问题：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系二、固体物理学的产生19世纪末到20世纪初，20多年里，1.金属电导理论、2.晶体微观模型、3.晶格振动理论、4.固体磁性理论、取得了重要进展。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系三、固体物理学的主要研究领域介质物理铁电物理晶体物理半导体物理铁磁物理超导物理非晶物理纳米物理…….尤其是在：半导体物理磁性物理晶体物理电介质物理等方面的发展以及技术成果的产业化，使人类进入了信息时代！SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系Solidstatephysicsislargelyconcernedwithcrystalsandelectronsincrystals.Whenacrystalgrowsinaconstantenvironment,theformdevelopsasifidenticalbuildingblockswereaddedcontinuously.Thebuildingblockareatomsorgroupsofatoms,asthatacrystalisathree-dimensionalperiodicarrayofatoms.§1.1晶体的宏观特性(Symmetry)SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系晶体的定义—原子、分子、离子、原子团有规则地在三维空间的周期性重复排列形成的固体。SilicondioxideDiamondSolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系这颗梨形黄色钻石“科拉落日”达110克拉(1克=5克拉)，估价1100万美元至1500万美元SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系世界上最大的钻石“库利南１号”，重530.2克拉，为水滴形，琢磨了74个面。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系激光晶体SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.1晶体与非晶体大量原子凝聚在一起形成固体,有无限多种的不同排列方式。按照平衡状态下最低能量的排列，则原子在固体中有规则地排列。晶体（crystal）与非晶体（amorphous）的主要区别在于内部结构的规律性SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.1晶体与非晶体晶体（crystal）内部的粒子（原子、分子、离子或原子团）在三维空间都是周期性的有规则的排列——长程有序（long-rangecrystallographicorder)。非晶体（amorphous）内部的粒子（原子、分子、离子或原子团）在三维空间不是周期性的有规则的排列——长程无序（long-rangecrystallographicdisorder)。但在一个原子附近的若干原子的排列是有一定规则的排列——短程有序（short-rangecrystallographicorder)。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性1.晶体的自限性—自发形成封闭几何外形的能力。晶体生长过程会自发形成晶面、晶面相交形成晶棱、晶棱会聚成顶点、形成凸多面体外形，将自身封闭起来，又称为自范性。图1.2氯化钠晶体的若干外形SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性2.晶面角守恒定律同一种晶体在相同的温度和压力下，对应晶面之间的夹角不变。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系图1.3石英晶体的不同外形如石英晶体的晶面之间夹角：mm之间的夹角=60º00´mR之间的夹角=60º13´mr之间的夹角=38º13´SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性3.解理性（Cleaveproperty）A晶体受到外力作用时会沿着某一个或几个特定的晶面劈裂开的性质称为解理性。劈裂开的晶面称为解理面。如云母，可沿自然层状结构平行方向劈为薄片；圆单晶硅片可以沿一定的晶面划成薄片。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性4.晶体的各向异性(anisotropy)—沿晶体内部的不同方向上有不同的物理性质。晶体的电导率、电阻率、折射率、机械强度等电学、光、磁学、热学性质，沿晶体的不同方向有不同的数值，称为各向异性(anisotropy)。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性5.晶体的均匀性（homogeneity）—内部各部分的宏观性质相同。晶体中任何两个形状、大小、取向相同的部分的化学组成一致、密度相同、结构相同、物理性质相同等，这源于原子的周期性排列。Homogeneity与anisotropy是相互补充的。注意：气体、液体、玻璃体等的均匀性源于原子分布统计规律。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性6.晶体的对称性(symmetry)—由于内部质点有规则排列而形成的特殊性质。对称—物体中相同部分的有规律地重复。晶体的理想外形、内部结构、物理化学性质均有其特殊的对称性。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性7.晶体的稳定性从气态、液态、非晶态等过渡到晶态时都要放热；从晶态过渡到气态、液态、非晶态等时都要吸热；与同种物质的其他形（气态、液态、非晶态、等离子态等）相比，晶体的内能最小、最稳定。晶体具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系晶体非晶体T0时间t温度TSolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系1.1.2晶体的宏观特性所以，晶体的宏观特性有：自限性、解理性、各向异性、均匀性、对称性、稳定性和晶面角守恒等。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系§1.2晶体的微观结构__空间点阵(spacelattice)1.基元(structuralmotif，orbasis）定义：化学组成、空间结构、排列取向、周围环境相同的原子、分子、离子或离子团的集合。或者说组成晶体的最小结构单元。基元可以是一个原子，如铝、铁、铜等晶体；可以是多个原子，如—Mn晶体有26个原子；但基元一般不等于化学组成的基本单位，如聚乙烯的基元为：—CH2—化学组成的基本单位为：—CH2-CH2—SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系2.点阵（lattice）定义：在空间任何方向上均为周期排列的无限个全同点的集合。Alatticeisaregularperiodicarrayofpointsinspace,orinthree-dimensions.把基元抽象成为一点→格点(也叫阵点)→该点往往取基元的重心位置。点阵是数学抽象。这些点的集合就是点阵。点阵中的每一个点均有相同的环境。一维、二维、三维点阵分别称为直线点阵、平面点阵和空间点阵。SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系基元、格点与点阵示意图基元的重心SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系平面点阵平面SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系空间点阵SolidStatePhysics—chap.1CrystalStructure材料与能源学院微电子工程系为了清楚地表达这些点阵的位置，用线条把各个阵点连接起来，这样就构成了一个几何空间格架，称为晶格。用点阵与晶格在表示晶体结构是等价的。理想晶体是由粒子按照排列在由三个不共面的基本矢量a1、a2、a3所组成的点阵上的。晶体结构=空间点阵+基元当从点阵中任一点r去观察粒子的排列时，与从点阵中另外一点r＇去观察粒子的排列是完全一样的。SolidStatePhysics—chap.1Cry