固体物理总结

第一章晶体的结构总结晶体的特征晶体结构及其描述晶体的对称性倒格晶体X射线衍射重点：布喇菲格子密堆积致密度配位数典型结构倒格子及其性质晶体的对称性晶体的X光衍射晶体的特征晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的，即晶体的宏观特性是微观特性的反映。晶体结构及其描述晶格+基元=晶体结构),,(321332211取整数nnnanananR用矢量表示为：所对应的点的排列。晶格是晶体结构周期性的数学抽象。基矢：固体物理学原胞基矢通常用表示。321,,aaa321aaaΩ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。原胞构造：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。体积：晶胞构造：使三个基矢的主轴尽可能地沿空间对称轴的方向。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。c,b,ancbav特点：晶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。其体积是原胞体积的整数倍。体积：通过晶格中任意两个格点连一条直线称为晶列，晶列的取向称为晶向，描写晶向的一组数称为晶向指数(或晶列指数)。在晶格中，通过任意三个不在同一直线上的格点作一平面，称为晶面，描写晶面方位的一组数称为晶面指数。晶列及晶面1.晶列及晶列指数321lll若遇负数，则在该数上方加一横线。321lll2.晶面及晶面指数321hhh321hhh若遇负数，则在该数上方加一横线。配位数、密堆积、致密度一个粒子周围最近邻的粒子数称为配位数。它可以描述晶体中粒子排列的紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大。1.配位数2.密堆积可能的配位数有：12、8、6、4、3、2。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。密堆积的配位数最大，为12。密堆积有六角密积和立方密积。六角密积排列方式为ABAB……立方密积(面心立方)ABCABC……如果把等体积的硬球放置在晶体结构中原子所在的位置上，球的体积取得尽可能大，以使最近邻的球相切，我们把一个晶胞中被硬球占据的体积和晶胞体积之比称为致密度(堆积比率或最大空间利用率)。3.致密度Vvρ平均每个晶胞包含4个格点。332141aaaaΩ3.体心立方kjiaakjiaakjiaa222321平均每个晶胞包含2个格点。332121aaaaΩ2.面心立方jiaakiaakjaa2223211a3a2aiajakaiajaka1a3a2a典型的晶体结构1.简立方,,,321kaajaaiaa3321Ωaaaa(1)氯化铯结构ClCs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，其布喇菲晶格为简立方，氯化铯结构属简立方。复式格(2)氯化钠结构氯化钠结构属面心立方。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。(3)金刚石结构（闪锌矿结构）金刚石结构属面心立方，每个晶胞包含8个碳原子。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,其布喇菲晶格为面心立方。cccc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。414141金刚石结构：单晶硅、单晶锗结构闪锌矿结构：硫化锌ZnS(顶角和面心上S，晶胞内是Zn)锑化铟、砷化镓、磷化铟倒格1.ijjiba2π)ji(2πji02.μKRhl2π3.ΩΩ*32π3213212π.5hhhhhhdK332211bhbhbhKh(h1h2h3)4.2131323212π2π2πaaΩbaaΩbaaΩb321aaaΩ其中是正格基矢，是固体物理学原胞体积。321,,aaa与332211bhbhbhKn),,(321为整数hhh所联系的各点的列阵即为倒格。倒格矢与正格中晶面族(h1h2h3)正交.332211hbhbhbhK321π2hhhd且倒格矢的模等于。332211hbhbhbhK已知晶体结构如何求其倒格呢？晶体结构正格332211bhbhbhKh正格基矢321,,aaa倒格基矢321,,bbb倒格213132321aaΩbaaΩbaaΩb2π2π2π(h1h2h3)面间距1、2、3、4、6度旋转对称操作。1、2、3、4、6度旋转反演对称操作。3.中心反映：i4.镜象反映：m独立的对称操作(8种):C1、C2、C3、C4、C6、i、m、S4。2.旋转反演对称操作：1.旋转对称操作：晶体的对称性由1、2、3、4组成32种点群，根据对称性，晶体可分为7大晶系，14种布喇菲晶格。)(0为整数SSRl2π0kkRlndhhhsin2321hKnkk0X射线衍射，电子衍射和中子衍射。劳厄法，转动单晶法，粉末法。3.劳厄衍射公式和布拉格反射公式晶体X射线衍射1.晶体衍射：2.X射线衍射的实验方法：2第一章作业•思考题2,8,14•习题1,5,7•证明倒格子的倒格子是正格子。第二章晶体中原子的结合总结•基本要求：理解晶体结合力及结合能，理解的分子结合、共价结合、离子结合，了解元素和化合物晶体结合的规律性。•重点：原子互作用势及结合能，金属结合，分子力结合，共价结合，金属结合。晶体的结合能就是自由的粒子结合成晶体时所释放的能量，或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量。1.晶体的结合能2.原子间相互作用势能其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。A、B、m、n0晶体结合能的普遍规律)()(00rUrUEbnmrBrA)r(u3.原子晶体、金属晶体和氢键晶体结构：第Ⅳ族、第Ⅴ族、第Ⅵ族、第Ⅶ族元素都可以形成原子晶体。结合力：共价键饱和性方向性(1)原子晶体结构：第Ⅰ族、第Ⅱ族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。(2)金属晶体结合力：金属键。轨道杂化作业•思考题3,6,10•习题2,12第三章晶格振动总结三维晶格振动、声子一维晶格振动确定晶格振动谱的实验方法晶体热容理论晶体的非简谐效应重点：一维晶格振动色散关系格波振动的三个公式周期性边界条件模式密度热容理论非简谐效应模型运动方程试探解色散关系波矢q范围一维无限长原子链，m，a，晶格振动波矢的数目=晶体的原胞数B--K条件波矢q取值11..nnnnxxxxnmxnaqtinAxe2sin2aqmaqaππNnnxxn-2nn+1n+2n-1ammoaπaπm2lNaqπ2晶格振动的波矢数目=晶体的原胞数N，格波振动频率(模式)数目=晶体的自由度数，晶体中格波的支数=原胞内原子的自由度数。三维晶格振动、声子简谐近似下，原子的振动或者说格波的振动可以看成是3N个简正振动模式的线性叠加。玻恩---卡门周期性边界条件：设在实际晶体外，仍然有无限多个完全相同的晶体相连接，各晶体中相对应的原子的运动情况都一样。1e1)(BTkn3温度为T，频率为ω的谐振子的平均声子数2波矢为的声子和波矢为的声子等价。1.声子是晶格振动的能量量子，其能量为，准动量。q4.当电子(或光子)与晶格振动相互作用时，交换能量以为单位。qhKq声子2.模式密度定义：nDlim0)(nsqcqsVD3132dπ计算：晶体热容3.晶体比热的爱因斯坦模型和德拜模型1.固体比热的实验规律(1)在高温时，晶体的比热为3NkB；(2)在低温时，绝缘体的比热按T3趋于零。mD0)d(N3(1)晶体中原子的振动是相互独立的；(2)所有原子都具有同一频率；(3)设晶体由N个原子组成,共有3N个频率为的振动。(1)晶体视为连续介质,格波视为弹性波；(2)有一支纵波两支横波；(3)晶格振动频率在之间(D为德拜频率)。D0~爱因斯坦模型德拜模型高温时与实验相吻合，低温时以比T3更快的速度趋于零。高低温时均与实验相吻合,且温度越低，与实验吻合的越好。第三章作业•思考题2，13，16，23•习题6,10第四章晶体中的缺陷与扩散总结晶体缺陷的基本类型热缺陷的统计理论晶体中的扩散离子晶体的点缺陷及导电性重点：典型热缺陷位错的特点和性质1.点缺陷弗仑克尔缺陷：当晶格中的原子脱离格点后，移到间隙位置形成填隙原子时，在原来的格点位置处产生一个空位，填隙原子和空位成对出现，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。晶体缺陷的基本类型点缺陷是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一种晶格缺陷，如空位、填隙原子、杂质等。肖特基缺陷：当晶体中的原子脱离格点位置后不在晶体内部形成填隙原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置产生一个空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，这种缺陷称为线缺陷。位错就是线缺陷。2.线缺陷刃型位错：刃型位错的位错线与滑移方向垂直。螺旋位错：螺旋位错的位错线与滑移方向平行。刃位错：刃位错的滑移方向与晶体受力方向平行。螺位错：螺位错的滑移方向与晶体受力方向垂直。第五章能带理论总结布洛赫定理近自由电子近似平面波方法紧束缚近似布里渊区电子有效质量能态密度导体半导体和绝缘体重点：三个近似布洛赫定理紧束缚方法布里渊区能带电子的平均速度有效质量能态密度电子在固体中的运动问题处理第一步简化——绝热近似：离子实质量比电子大，离子运动速度慢，讨论电子问题，认为离子是固定在瞬时位置上第二步简化——单电子近似：每个电子是在固定的离子势场以及其它电子的平均场中运动第三步简化——所有离子势场和其它电子的平均场是周期性势场复杂的多体问题转化为周期场中的单电子运动问题布洛赫定理在晶格周期性势场中运动的电子的波函数是按晶格周期调幅的平面波。具有此形式的波函数称为布洛赫波函数。rurkrkikenkkRruru,rRrnRkin)(e)()()(rrhKkk)321(22，，，ibkbiii在此范围内k共有N个值(N为晶体原胞数),可容纳2N个电子。——简约布里渊区(第一布里渊区)在倒格空间中以任意一个倒格点为原点，做原点和其他所有倒格点连线的中垂面(或中垂线)，这些中垂面(或中垂线)将倒格空间分割成许多区域，这些区域称为布里渊区。布里渊区第一布里渊区(简约布里渊区)：围绕原点的最小闭合区域；布里渊区的形状由晶体结构的布喇菲晶格决定；布里渊区的体积(或面积)等于倒格原胞的体积(或面积)。0)2(nnKkK晶体中的电子在某个原子附近时主要受该原子势场的作用，其他原子的作用视为微扰来处理，以孤立原子的电子态作为零级近似。)(nRrVmRmatnatRrVRrVrV)()('2.势场紧束缚近似1.模型nnRnatRkiRrNr,k)(e1)(3.波函数nsnRsnRRkissatJ'JEkE)(e)(4.能量表达式：5.能带宽度：minmaxEEE近邻nnRRkisatsseJCEkE)(电子的平均速度加速度和有效质量电子的平均速度：)(1kEvkk平均加速度：FEakk21kkEm22有效质量的分量为：有效质量m*是固体物理学中的一个重要的概念。（1）m*不是电子的惯性质量，而是能量周期场中电子受外力作用时，在外力与加速度的关系上相当于牛顿力学中的惯