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《固体物理》教师：朱泉峣学生专业：材料学院06级¾绪论固体物理的研究对象固体物理的发展固体物理的基本研究方法本课程基本内容¾绪论固体物理的研究对象固体物理的发展固体物理的基本研究方法本课程基本内容¾绪论固体物理的研究对象固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与运动规律，以阐明其性能与用途的学科。¾绪论固体物理的研究对象高纯度的完整晶体，杂质、缺陷对金属、半导体、电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响；一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质等材料的各种性质；强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下材料表现出的各种现象；发展制备材料和器件的新工艺和新理论；固体物理学负担着重多的新的理论课题；超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论、光与物质相互作用；固体物理领域金属物理半导体物理晶体物理磁学电介质物理液晶物理固体发光超导体物理固态电子学固态光电子学固体光谱强关联物理纳米物理表面物理介观物理¾绪论固体物理的研究对象固体物理固体化学材料工程学现代固体科学与技术¾绪论横向比较固体物理：强调各类物质的共同规律性；研究固体中性质的连续变化；探索固体性质与结构之间的定量关系。固体化学：注重固体物质随组成变化的特性；关心的是由于化学反应产生的突变；着重于对固体性质的定性认识。¾绪论纵向比较固体物理：侧重研究构成固体物质的原子、离子及电子的运动和相互作用，提出各种模型和理论，阐明固体的结构和物性——物理模型；固体化学：着重研究实际固体物质的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和晶体结构，研究固体中缺陷及其对物质的物理及化学性质的影响等，探索固体物质作为材料实际应用的可能性——化学反应；材料工程学：是解决如何将固体物质制成可以实际使用的结构和功能材料或器件，使之具有指定的形态（如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块等）和规定的结构和性能，如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化学活性等功能——工艺过程。¾绪论材料的分类规则固体—晶体：分子或原子排布具有一定周期性结构的固体（长程有序）。例天然岩盐、水晶（SiO2）、半导体硅（单晶硅）、各种金属等不规则固体—非晶体：或非晶态固体。原子的排列没有明确的周期性（短程有序）例玻璃、橡胶、塑料等。固体晶体理想晶体—完整晶体：内在结构完全规则的固体。——根据规则程度划分实际晶体—近乎完整晶体：在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体。如：单晶硅→半导体性质→掺杂；Al2O3单晶→光学性质→色心→掺杂¾绪论ShapeofBaTiO3Crystal¾绪论ShapeofSnowCrystal¾绪论ShapeofSiO2Crystal¾绪论Be2O3CrystalandGlassofBe2O3¾绪论材料的分类准晶体—介于晶体和非晶体之间的新的状态——准晶态1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金，电子衍射图中具有五重对称的斑点分布。¾绪论固体物理的研究对象固体物理的发展固体物理的基本研究方法本课程基本内容¾绪论固体物理的发展17世纪：惠更斯（C.Huygens）以椭球堆积的模型来解释方解石的双折射性质和解理面;18世纪:阿羽依（RJHaüy）认为晶体由一些坚实、相同的平行六面形的小‘基石”有规则地重复堆集而成的晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间有一定联系;晶体外形的规则性是内部规则性的反映¾绪论固体物理的发展19世纪：费多洛夫（фидоров）、熊夫利斯（AShoenflies）、巴罗（WBarlow）等独立地发展了关于微观几何结构的理论体系;布喇菲（Bravais）发展了空间点阵学说概括了晶格周期性的特征；描述晶体比热的经验定律——Dulong—Petit定律;描述金属导电和导热性质的定律——Wiedemann—Franz定律（1885）;1912年劳厄（MVonLaue）提出晶体可以作为X射线的衍射光栅（X射线衍射定律）；量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程；爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动¾绪论固体物理的发展20世纪：索未菲A.Sommerfeld固体量子论；费米（EFermi）统计理论；布洛赫Bloach周期场中电子的运动理论；布里渊周期性结构中波的传播的理论提出了经典的自由电子理论——Drude-Lorentz自由电子理论（1900-1904）；建立了固体电子态理论——能带理论和晶格动力学在准确把握固体内部电子运动规律的基础上，深入研究固体的性质TeLσ2=¾绪论固体物理的发展提出了固体物理的发展方向：如固体中的元激发及其能谱、相变、超极限条件下的固体物性、表面与界面物理、非晶态物理等。→以诸、硅为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管——产生了半导体物理→1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器件不断地提出新要求¾绪论固体物理的研究对象固体物理的发展固体物理的基本研究方法本课程基本内容固体物理的基本研究方法¾绪论固体物理是一门实验性学科——为阐明固体表现出的现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论固体是一个复杂的客体——每一立方米中包含有约1029个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强固体的宏观性质——就是大量粒子之间的相互作用和集体运动的总表现固体物理的基本研究方法¾绪论晶体结构：在其研究方法中都借助于晶体最基本的性质——周期性，来分析固体中微观粒子的排布（结构），原子、电子的运动规律及相互作用、将复杂的多体问题予以近似和简化。晶格振动:将原子在其平衡位置附近的振动看成格波，即振幅具有周期变化规律的“延展态的波”（指波在整个晶体中传播，其振幅不衰减，对晶格中大量原子振动的描述则可简化，例一维二元晶格可选择在第一布里渊区讨论晶格振动状况）能带理论:引入假设条件①绝热近似；②单电子近似；③周期性近似。¾绪论固体物理的研究对象固体物理的发展固体物理的基本研究方法本课程基本内容本课程基本内容绪论晶体结构晶体中原子的结合晶体中原子的运动晶体中的缺陷与运动晶体中电子的运动状态周期性倒格子对称性结合力的性质结合方式热振动的一般性质热振动的有关现象缺陷的分类缺陷的产生与运动金属中自由电子周期势场中运动的电子基本的能带理论电子运动动力学性质教材及参考书教材:方俊鑫、陆栋，固体物理学（上、下），上海科学技术出版社参考书:苟清泉，固体物理学简明教程，人民教育出版社，1979年黄昆著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社[美]C基泰尔著，项金钟译，固体物理导论，化学工业出版社第一章晶体结构晶体的周期性晶面与晶面指数倒格子晶系、布喇菲格子、对称性密堆积、致密度晶体衍射的基本知识第一章晶体结构晶体的周期性晶面与晶面指数倒格子晶系、布喇菲格子、对称性密堆积、致密度晶体衍射的基本知识晶体结构的周期性晶胞的选取布拉菲格子和复式格子第一章晶体结构晶体的周期性晶面与晶面指数倒格子晶系、布喇菲格子、对称性密堆积、致密度晶体衍射的基本知识晶体结构的周期性晶胞的选取布拉菲格子和复式格子¾晶体的周期性周期性：晶体中微粒的排列按照一定的方式不断地做周期性重复的性质，称为晶体结构的周期性。基本概念基本概念¾晶体的周期性在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体时对应一定的熔点最显著的特点是晶面有规则、对称地配置一个理想完整的晶体，相应的晶面的面积相等晶体的晶面组合成晶带晶面的交线是晶棱——相互平行方向OO’称为该晶带的带轴重要的带轴通常称为晶轴晶格：晶体中微粒重心做周期性的排列所组成的骨架，称为晶格。格点：微粒重心所处的位置称为晶格的格点。点阵：格点的总体称为点阵。晶体结构=周期性+对称性平移矢量：在晶体结构中，代表重复单元的三个棱边之长及其取向的矢量，称为平移矢量。点阵加平移矢量就构成了晶格。基本概念¾晶体的周期性Bravais空间点阵学说：晶体是由一些相同的点在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点的总体称为点阵。基本概念¾晶体的周期性平移矢量构成的重复单元称为晶胞，其基本特性为：9晶胞平行堆积在一起，可以充满整个晶体9任何两个晶胞的对应点上，晶体的物理性质相同，即：()()112233aaaQrQrnnn=+++vvvvv其中为晶胞中任一点的位置矢量。Q代表晶体中某一种物理性质，n1、n2、n3为整数。rv第一章晶体结构晶体的周期性晶面与晶面指数倒格子晶系、布喇菲格子、对称性密堆积、致密度晶体衍射的基本知识晶体结构的周期性晶胞的选取布喇菲格子和复式格子晶胞的选取固体物理学晶胞结晶学晶胞¾晶体的周期性固体物理学晶胞晶胞的选取①选取体积最小的晶胞，称为元胞；②格点只在顶角上，内部和面上都不包含其他格点，整个元胞只包含一个格点；③元胞三边的三个平移矢量称为基本平移矢量，或称基矢。元胞：一个晶格中的最小重复单元。¾晶体的周期性固体物理学晶胞晶胞的选取基本平移矢量：能反映晶体周期性的最小的平移矢量。仅反映平移对称性即周期性。固体物理学晶胞：仅仅反映晶体结构周期性的最小结构单元，只包含一个格点，且格点全部在顶角上。★固体物理学晶胞突出反映了晶体结构的周期性。¾晶体的周期性晶胞的选取①通常选取体积较大的晶胞；②格点不仅在顶角上，同时可以在体心或面心上；③晶胞的棱称为晶轴，边长称为晶格常数或晶胞常数。结晶学晶胞：不仅反映晶体结构周期性，同时反映晶体对称性的最小体积单元，可包含多个格点，格点不仅在顶角上，同时可以在体心或面心上。结晶学晶胞★结晶学晶胞同时反映了晶体结构的周期性和对称性。¾晶体的周期性晶胞的选取简单立方晶胞kajaia321vvvvvvaaa===3123()Vaaaa=⋅×=vvv原胞的体积顶角8个格点→8×1/8=1个原子；→平均包含1个原子¾晶体的周期性晶胞的选取面心立方晶胞()()()ji2aik2akj2a321vvvvvvvvv+=+=+=aaa31231()4Vaaaa=⋅×=vvv3()Vabca=⋅×=vvv原胞的体积晶胞的体积顶角8个格点→8×1/8=1个原子；面心6个原子→6×½=3个原子；→平均包含4个原子¾晶体的周期性晶胞的选取体心立方晶胞)(2)(2)(2321→→→→→→→→→→→→−+=+−=++−=kjiaakjiaakjiaa顶角8个格点→8×1/8=1个原子；体心1个原子；→平均包含2个原子原胞的体积晶胞的体积31231()2Vaaaa=⋅×=vvv3()Vabca=⋅×=vvv¾晶体的周期性第一章晶体结构晶体的周期性晶面与晶面指数倒格子晶系、布喇菲格子、对称性密堆积、致密度晶体衍射的基本知识晶体结构的周期性晶胞的选取布喇菲格子和复式格子布喇菲格子和复式格子布喇菲格子：晶体由完全相同的原子组成，原子与晶格的格点相重合，而且每个格点周围的情况都一样。（Bravais格子）（就是前面提到的等同点系）复式格子：晶体由两种或两种以上的原子构成，而且每种原子都各自构成一种相同的布喇菲格子，这些布喇菲格子相互错开一段距离，相互套构而形成的格子称为复式格子。复式格子是由若干相同的布喇菲格子相互位移套构而成的。¾晶体的周期性★由上述定义可知，布喇菲格子中均是同种原子，即基元只有一个原子。而那些基元不止一个原子的晶格叫做复式格子。布喇菲格子和复式格子¾晶体的周期性简单晶格，任一原子A的位置矢量112233lRlalala=++vvvv1223lRaa=+vvv1233lRaaa=++vvvv9布喇菲格子包含一种等价的原子且原子周围环境相同——一组l1，l2，l3的取值可以囊括所有的格点布喇菲格子和复式格子¾晶体的周期性9晶体可以看作是在布拉菲格子（Lattice）的每一个格点上放上一组原子（Basis基元）构成的注意：基元是一种物理实体，不包括周期性，点阵概括了周期性，是一种数学抽象，它们的逻辑关系为：点阵+基元=晶体结构布喇菲格子和复式格子¾晶体的周期性复式晶格：任一原子A的位置矢量112233,1,2,3laRrlalalaα=+++=……vvvvv——金刚石晶格——碳1位置——碳2位置112233lalala++vvv112233lalalaτ+++vvvv对角线位移1/4τ=vrαv是原胞中各种等价原子之间