第一章-晶体结构-《固体物理学》黄昆-韩汝琦

01_00_绪论——固体物理_黄昆《固体物理学》1.《固体物理学》——黄昆韩汝琪，高教育出版社2.《IntroductiontoSolidStatePhysics》SeventhEdition——CHARLESKITTEKL,JohnWiley3.《固体物理学》——方俊鑫陆栋,上海科学技术出版社4.《固体物理学》——顾秉林王喜昆，清华大学出版社5.《固体物理学》学习参考书——陈金富，高等教育出版社6.《固体物理基础》——阎守胜，北京大学出版社7.《固体能带理论》——谢希德陆栋，复旦大学出版社Version2005092001_00_绪论——固体物理_黄昆绪论一固体物理的研究对象——研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科固体分类晶体——原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序）天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶非晶体——原子的排列没有明确的周期性（短程有序）玻璃、橡胶、塑料01_00_绪论——固体物理_黄昆CrystalStructureofCaCO301_00_绪论——固体物理_黄昆CrystalStructureofYBaCuO01_00_绪论——固体物理_黄昆ShapeofSnowCrystal01_00_绪论——固体物理_黄昆Be2O3CrystalandGlassofBe2O301_00_绪论——固体物理_黄昆准晶体——1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金理想晶体——内在结构完全规则的固体____做完整晶体实际晶体——固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体——电子衍射图中具有五重对称的斑点分布——介于晶体和非晶体之间的新的状态—准晶态01_00_绪论——固体物理_黄昆二固体物理的发展过程——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——十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的双折射性质和解理面——十八世纪，阿羽依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——十九世纪中叶，布拉伐发展了空间点阵学说概括了晶格周期性的特征01_00_绪论——固体物理_黄昆——十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地发展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研究晶体结构的规律提供了理论依据——描述晶体比热___杜隆－珀替定律描述金属导热和导电性质的魏德曼－佛兰兹定律——二十世纪初特鲁德和洛伦兹建立了经典金属自由电子论，对固体认识进入一个新的阶段——1912年，劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅01_00_绪论——固体物理_黄昆——爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动——索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论——费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的过程指出了方向——20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学——量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程01_00_绪论——固体物理_黄昆——固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体——20世纪四十年代末，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01_00_绪论——固体物理_黄昆三固体物理的学科领域——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、磁性物质发光等材料的各种性质——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01_00_绪论——固体物理_黄昆——探索新材料和设计新器件——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等——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理论课题01_00_绪论——固体物理_黄昆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01_00_绪论——固体物理_黄昆四固体物理的研究方法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01_00_绪论——固体物理_黄昆1.根据晶体中原子规则排列的特点，建立晶格动力学理论，引入声子的概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱2.金属的研究——抽象出电子公有化的概念，再用单电子近似的方法建立能带理论3.物质的铁磁性——研究了电子与声子的相互作用，阐明低温磁化强度随温度变化的规律4.超导的理论——研究电子和声子的相互作用，形成库柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变01_01_一些晶体的实例——晶体结构第一章晶体结构晶体：在微米量级的范围是有序排列的——长程有序晶体的规则外形——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——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01_01_一些晶体的实例——晶体结构——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不同生长条件下NaCl晶体的外形___b,c,d01_01_一些晶体的实例——晶体结构——六角形白色结晶体雪花结晶花样——空气中所含水汽多少及温度高低等不同，所形成的雪花的形状也不同01_01_一些晶体的实例——晶体结构非晶体——不具备长程有序特点,短程有序Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构——在凝结过程中不经过结晶的阶段，非晶体中分子与分子的结合是无规则的01_01_一些晶体的实例——晶体结构多晶体——由两个以上的同种或异种单晶组成的结晶物质，各单晶通过晶界结合在一起液晶——一些晶体当加热至某一温度T1时转变为介于固体与液体之间的物质，在一维或二维方向上具有长程有序准晶体——1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn准晶，结构介于晶体和非晶体，长程取向有序，无长程平移对称性——多晶由成千上万的晶粒构成，尺寸大多在厘米级至微米级范围内变化，没有单晶所特有的各向异性特征——当继续加热至温度T2时，转变为液体，用于显示器件01_01_一些晶体的实例——晶体结构Latticeimageofwater-quenchedAl72Ni20Co8obtainedbytheHighAngleAnnularDarkField(HAADF)存在5重对称轴01_01_一些晶体的实例——晶体结构晶格——晶体中原子排列的具体形式1.简单立方晶格——原子球在一个平面内呈现为正方排列——平面的原子层叠加起来得到简单立方格子原子、原子间距不同，但有相同排列规则，这些原子构成的晶体具有相同的晶格____如Cu和Ag；Ge和Si等等§1.1一些晶体的实例01_01_一些晶体的实例——晶体结构用圆点表示原子的位置——得到简单立方晶格结构01_01_一些晶体的实例——晶体结构2.体心立方晶格体心立方晶格结构原子球排列形式体心立方原子球排列方式表示为ABABAB……01_01_一些晶体的实例——晶体结构体心立方晶格中，A层中原子球的距离等于A－A层之间的距离，A层原子球的间隙————原子球的半径——体心立方晶格结构的金属Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等01_01_一些晶体的实例——晶体结构体心立方晶格结构金属——Iron01_01_一些晶体的实例——晶体结构3.六角密排晶格原子在晶体中的平衡位置，排列应该采取尽可能的紧密方式——结合能最低的位置配位数——一个原子的周围最近邻的原子数——描写晶体中粒子排列的紧密程度密堆积——晶体由全同一种粒子组成，将粒子看作小圆球这些全同的小圆球最紧密的堆积密堆积所对应的配位数——晶体结构中最大的配位数01_01_一些晶体的实例——晶体结构——全同小圆球平铺在平面上，任一个球都与6个球相切。每三个相切的球的中心构成一等边三角形每个球的周围有6个空隙这样构成一层——A层第二层是同样的铺排——B层第三层是同样的铺排——C层六角密排01_01_一些晶体的实例——晶体结构B层原子球排列A层原子球排列01_01_一些晶体的实例——晶体结构C层原子球排列之一——六角密排晶格C层原子球排列01_01_一些晶体的实例——晶体结构原子球排列为：ABABAB……六角密排晶格结构晶体Be、Mg、Zn、Cd01_01_一些晶体的实例——晶体结构C层原子球排列之二——面心立方晶格4.面心立方晶格B层原子球排列C层原子球排列01_01_一些晶体的实例——晶体结构原子球排列——ABCABCABC……——层的垂直方向是对称性为3的轴，是立方体的空间对角线面心立方晶格结构晶体Cu、Ag、Au、Al01_01_一些晶体的实例——晶体结构5.金刚石晶格结构——碳原子构成的一个面心立方原胞内还有四个原子，分别位于四个空间对角线的1／4处——金刚石结构的半导体晶体Ge、Si等——一个碳原子和其它四个碳原子构成一个正四面体01_01_一些晶体的实例——晶体结构Diamond01_01_一些晶体的实例——晶体结构Graphite01_01_一些晶体的实例——晶体结构Silicon01_01_一些晶体的实例——晶体结构6.几种化合物晶体的晶格1)NaCl晶体的结构氯化钠由Na+和Cl－结合而成——一种典型的离子晶体Na+构成面心立方格子；Cl－也构成面心立方格子01_01_一些晶体的实例——晶体结构2)CsCl晶体的结构CsCl结构——由两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间对角线位移1／2的长度套构而成01_01_一些晶体的实例——晶体结构CsCl晶体01_01_一些晶体的实例——晶体结构3)ZnS晶体的结构——闪锌矿结构立方系的硫化锌——具有金刚石类似的结构化合物半导体——锑化铟、砷化镓、磷化铟01_01_一些晶体的实例——晶体结构4)钙钛矿结构钙钛矿结构——钛酸钙（CaTiO3）结构——重要介电晶体钛酸钡（BaTiO3）锆酸铅（PbZrO3）铌酸锂（LiNbO3）钽酸锂（LiTaO3）等晶格——由Ba、Ti、OI、OII、OIII各自组成的简立方结构子晶格套构而成01_01_一些晶体的实例——晶体结构钙钛矿结构——氧八面体的排列钙钛矿型的化学式可写为ABO3——A代表二价或一价的金属——B代表四价或五价的金属——BO3称为氧八面体基团,是钙钛矿型晶体结构的特点01_02_晶格的周期性——晶体结构§1.2晶格的周期性1.晶格周期性的描述——原胞和基矢晶格共同特点——周期性，可以用原胞和基矢来描述原胞——一个晶格中最小重复单元321,,aaa基矢——原胞的边矢量——三维晶格的重复单元是平行六面体——重复单元的边长矢量01_02_晶格的周期性——晶体结构单胞——为了反映晶格的对称性，常取最小重复单元的几倍作为重复单元单胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期——代表单胞三个边的矢量称为单胞的基矢单胞基矢c,b,a一些情况下，单胞就是原胞一些情况下，单胞不是原胞简单立方晶格—单胞是原胞面心立方晶格—单胞不是原胞01_02_晶格的周期性——晶体结构面心立方晶格123()2()2()2aajkaakiaaij332141)(aaaaV,,aaibajcak3)(acbaV原胞基矢原胞的体积单胞基矢单胞的体积01_02_晶格的周期性——晶体结构1)简单立方晶格——原胞为简单立方晶格的立方单元基矢原胞体积——原胞中只包含一个原子kaajaaiaa321,,3321)(aaaaV2.简单晶格——由完全等价的一种原子构成的晶格01_02_晶格的周期性——晶体结构2)面心立方晶格立方体的顶点到三个近邻的面