第一章 晶体结构 1-1ppt

固体物理联系方式西安邮电大学微电子学系商世广TEL：13289240727Email：[e-mail]教材：固体物理，曹全喜、雷天民等编，电子科技大学出版社，2008；参考书：固体物理学，方俊鑫、陆栋编，上海科学技术出版社；固体物理学，黄昆，韩汝崎编，高等教育出版社。●晶体的结合●晶格振动●固体能带论●固态电子论基础●晶体中的缺陷●晶体的导电性本课程主要内容●晶体结构前言固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。研究对象：注意事项1.记好笔记；2.掌握固体物理的基本概念、思维方法和学习方法；针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素，建立模型。例如：晶体——周期性；金属——电子公有化——单电子近似——能带论。3.作好作业。第一章晶体结构1.均一性――从宏观理化性质的角度来讲(周期性－－从原子排列的角度来讲）；2.对称性；3.各向异性和解理性。例如，云母的解理性；§1-1晶体的宏观特性图1-1晶体生长过程中的理想化模型4.自范性和晶面角守恒自范性自范性：晶体能自发地形成封闭的几何多面形。晶面角守恒定律：同一品种的晶体，任两个对应晶面的夹角不变。5.最小自由能和稳定性。6.有固定的熔点。由于生长条件的不同，同一种晶体，其外型可以是不一样的；外界的条件能使某一组晶面相对地变小或完全隐没。图1-２氯化纳晶体的若干外形在晶体外形中，不受外界条件影响的特征因素是其晶面角守衡，因此测定晶面夹角的大小是判定晶体种类别的依据。图1-３石英晶体的若干外形§1-2晶体的微观结构基元：组成晶体的最小结构单元。把基元抽象成为一点，则晶体抽象成为空间点阵。晶体结构＝基元＋空间点阵一、空间点阵（布拉菲格子）图1-4晶体、基元和空间点阵示意图把基元抽象成几何点，这种点称为阵点图1-５二维六角蜂房形点阵基元中的原子数：等于晶体中原子的种类数。化学成分不同的原子或化学成分相同但周围环境不同的原子，都看着不同种类的原子。布拉菲格子：把空间点阵用三组不共面的平行线连起来，形成的空间网格。此时，又把阵点称为格点。布拉菲格子（B格子）＝空间点阵说明1.基元中A、B可以是不同的原子，或相同的原子，但周围“环境”不同。2.每个基元用一个格点来表示。此格点选在基元的什么地方、代表几个原子并未限制。3.每个基元内所含的原子数＝晶体中原子的种类数。4.布拉菲格子（B格子）的基本特征：各格点的情况（基元内涵和周围“环境”）完全相同。5.晶体结构的一种描述：带基元的B格子。另一种描述：单式格子：晶体由一种原子组成。一个基元仅有一个原子，即一个原子由一个格点表示。晶体由几种原子组成，但各种原子在晶体中的排列方式都是相同（均为B格子的排列）的，可以说每一种原子都形成一套布拉菲子格子，整个晶体可以看成是若干排列完全相同的子格子套构而成。复式格子＝晶体结构复式格子≠B格子复式格子：例：晶体结构·○·○·○AB一种描述：·○＋····基元B格子另一种描述：····＋○○○A子格子B子格子二、初基元胞初基元胞：B格子中的最小重复区域。每个初级元胞只包含一个格点。1.初基元胞和基矢基矢：在B格子中任取一个格点为原点，初级元胞的三个棱边为三个矢量a1、a2、a3,其模分别为该方向的最小周期长度，这三个矢量a1、a2、a3称为基矢。基矢选定之后，B格子中的任一格点的位矢Rn=n1a1+n2a2+n3a3Rn称为格矢，是B格子的数学表示。图１-6初基原胞与基矢说明：1、基矢的选法并不唯一确定，（初基元胞内仅含一个格点）。图１-7初基原胞示意图2、威格纳－赛兹原胞（W-S原胞）作法：（1）任选一格点为原点；（2）将原点与各级近邻的格点连线，得到几组格矢；（3）作这几组格矢的中垂面，这些中垂面绕原点围成的最小区域称W-S原胞引入W-S元胞的原因优点：（1）W-S元胞本身保持了B格子的对称性；（2）该取法今后要用到。缺点：（1）W-S元胞的体积等计算不方便；（2）平移对称性反而不直观。图１-８二维阵点的威格纳－赛兹原胞选取示意图3、惯用元胞和轴矢惯用元胞：体积是初基元胞的几倍，能明显地反映晶格的周期性，又能明显地反映晶格的对称性。轴矢：惯用元胞的三个不共面的棱边，分别用a、b、c表示。§1-3晶格的基本类型•二维晶格图１-９二维情况下的四种特殊晶格示意图五种不同的二维布拉菲晶格类型四种特殊晶格•三维晶格表１-1７大晶系１４种点阵其中，立方晶系主要包括简单立方（sc）、体心立方晶格（bcc）和面心立方晶格（fcc）。表１-2立方晶格的特征参数•简单立方晶格•体心立方晶格•面心立方晶格•晶系图１-１５７大晶系的演变过程