固体物理学

物理与材料科学学院本科课程教学大纲1固体物理课程教学大纲课程名称：固体物理学课程编号：ZH32009英文名称：SolidStatePhysics学时：72学时学分：4学分开课学期：第五学期适用专业：材料物理、应用物理、电子科学、信息显示与光电技术、材料化学课程类别：专业核心预修课程：量子力学、数学物理方法、热力学与统计物理、大学物理。教材：《IntroductiontoSolidStatePhysics》，C.M.Kittel著，John-wiley一、课程的性质及任务《固体物理学》是国内外物理类、材料类、微电子类专业的专业核心课程。它在大学前期所学全部物理专业基础课－－普通物理学、理论物理学、高等数学、量子力学、热力学统计物理等基础上，学习晶体结构、晶格振动、能带理论等基础知识。固体物理还是整个物理学中最大的研究领域，它包括半导体、超导体、激光器件、磁记录薄膜、纳米材料等所有材料的研究。通过《固体物理学》的学习，使学生掌握研究固体物理的基本方法和理论，为学习后续的一些专业主干课程，如《半导体物理》、《凝聚态物理》、《光电子材料》、《固体理论》等奠定必要的基础。同时，《固体物理学》课程也是培养和提高学生科学素质、科学思维方法、科技创新能力的重要途径。二、课程内容及学习方法固体物理课程教学大纲2内容提要：基本内容有两大部分:一是晶格理论,二是固体电子理论。晶格理论包括:晶体的基本结构；晶体结构的测试方法；晶体中原子间的结合力和晶体的结合类型；晶格的热振动及热容理论。固体电子论包括:固体中电子的能带理论；金属中自由电子理论。1、晶体的结构晶体的特征，空间点阵，晶格周期性、基矢，密堆积，晶向、晶面、密勒指数，晶体对称性。2、晶体结构的测定倒格子空间、布拉格方程、布里渊区、结构因子、X光衍射方法及应用。3、晶体的结合原子的电负性，晶体的结合类型，结合力的—般性质，分子晶体的结合能，离子晶体的结合能、离子半径，原子晶体的结合。4、晶格振动与晶体的热学性质一维原子链的振动，简正振动、声子，长波近似，晶格振动的热容理论、固体比热，非简谐效应。5、能带理论基础能带理论的基本假设，周期场中单电子状态的一般性质，近自由电子近似，紧束缚近似，能带计算的近似方法，费米面的构造。6、金属电子论基础电子运动的半经典模型，恒定电场和磁场作用下电子的运动，费米面的测量，光电子谱研究能带结构，一些金属的能带结构。金属自由电子气体模型，电子比热的量子理论，逸出功、接触电势差，电场中的自由电子，光学性质，霍耳效应，金属热导率。物理与材料科学学院本科课程教学大纲3三、课程的教学要求1、晶体的结构要求：了解晶体的特征、空间点阵、空间群。掌握晶格周期性、原胞、基矢。掌握典型的晶格结构、密堆积以及配位数计算。掌握晶向、晶面、密勒指数。掌握原胞体积、面间距的计算。掌握晶体对称性，以及七大晶系和14种布拉菲格子。重点：立方晶系的三种格子、金刚石结构的特点和面间距的计算。难点：密堆积结构、金刚石结构沿111晶向的双层原子面排列。说明：结晶学理论是后续各章内容学习的基础2、晶体结构的测定要求：掌握倒格子空间的概念和基本性质。掌握布拉格方程、劳厄方程的本质及联系。掌握布里渊区的概念和画法和结构因子的计算。了解X光衍射方法及应用。重点：倒格子和布里渊区性质的掌握、布拉格方程的应用、结构因子的计算。难点：倒格子基本性质及其证明、结构因子的计算、说明：晶体结构与当前蛋白质科学以及物性关联间的关系。3、晶体的结合要求：固体物理课程教学大纲4了解原子的电负性。理解晶体的结合类型，了解元素和化合物结合的规律性。掌握结合力的—般性质。掌握分子晶体结合的特点，掌握分子轨道法电子波函数、电离度、sp杂化等。掌握离子晶体的结合，能够计算马德隆常数、结合能，能够计算晶格常数，离子半径。了解原子晶体的结合特点。重点：共价键的饱和性和方向性以及sp3杂化轨道理论。难点：离子堆积与泡利规则；混合晶体与电离度。说明：与“晶体结构”部分的内容结合紧密，能够根据原子负电性和原子半径的差异解释晶体结构的特点。4、晶格振动与晶体的热学性质要求：掌握一维原子链的振动。掌握简正振动，了解声子、长波近似。理解晶格振动的热容理论、固体比热。理解非简谐效应。重点、难点重点：格波、波矢，声学波和光学波，色散关系，谐振子和声子，晶格振动模式密度，晶格热容，热传导。难点：晶格振动模式密度，能量量子化，U过程，非简谐效应。说明：晶格振动理论是固体物理学重点内容之一，通过本章的学习可以从原子级的角度加深对晶体热学性质的理解。物理与材料科学学院本科课程教学大纲55、能带理论基础要求：掌握能带理论的基本假设。掌握周期场中单电子状态的一般性质。理解近自由电子近似、紧束缚近似。能够应用能带计算的近似方法。理解费米面的构造。理解电子运动的半经典模型。了解恒定电场和磁场作用下电子的运动。重点：固体中电子的共有化运动，Bloch定理的特点、证明及其推论，近自由电子近似微扰论，费密统计分布与费米能级，能态密度。难点：动量空间的薛定鍔方程，微扰论；布里渊区中的等能面。说明：固体能带理论是本课程学习的重点，也是后续专业课程的必备基础。6、金属电子论基础要求：掌握金属自由电子气体模型。掌握电子比热的量子理论。了解逸出功和接触电势差。了解电场中的自由电子、光学性质、霍耳效应和金属热导率。重点：金属自由电子气体模型和电子比热的量子理论。难点：电子比热的量子理论。固体物理课程教学大纲6四、课程学时分配讲课内容学时1、晶体的结构82、X光衍射与倒易空间83、晶体的结合44、晶格振动与晶体的热学性质125、能带理论基础146、金属电子论基础107、习题答疑及实验8合计72五、课程习题要求为了帮助学生掌握课程基本内容，培养学生分析问题和解决问题的能力，建议习题总量不少于10套。六、课程的实验内容与要求1.“多模式扫描探针显微镜”实验结合晶体表面结构的理论教学，我们开设了“多模式扫描探针显微镜”实验。利用“扫描隧道显微镜”（STM）和“原子力显微镜”（AFM），两探头分别用于观察导体、半导体和绝缘体材料样品的表面形貌。要求学生学会样品的制备、了解扫描探针显微镜的原理结构、掌握扫描探针显微镜的操作和调试、观察样品的形貌、验证隧道效应。2.“材料晶体结构的X光衍射”实验在晶体结构学习的基础上，结合我院X光衍射仪（日本MAC物理与材料科学学院本科课程教学大纲7公司MXP18HF），我们设计了“材料晶体结构的X光衍射”实验。利采用Jade和Fullprof软件，同时对样品进行物相标定、晶面标定、粒度测量，加深学生对晶体结构的认识，也使学生体会到微观分析方法和手段对晶体结构研究的重要性和必要性，同时也提高了学生学习的积极性和主动性。3.“能带、态密度计算”实验在晶体结构和和能带结构理论学习的基础上，采用MaterialsStudio、abinitio及VASP等计算软件，构建一些典型的晶体结构，并对某些特定晶体进行电子态密度、电子能带、光学性质及电子声子输运性质等属性的计算。4.“热导率的测量”实验通过材料热导率的测量，让学生了解热传导现象的物理过程，掌握热导率的测量方法，深刻理解材料的导热机理取决于其微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中以晶格振动为主导作用。七、主要参考书目1.自编多媒体英文版配套讲义《固体物理学》；2.《SolidStatePhysics》，NeilW.Ashcroft，N.DavidMermin，世界图书出版公司，2004-04版3.《固体物理学》，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社出版，2005，4.《固体物理概念题和习题指导》，王矜奉，山东大学出版社，2001年，5.《固体物理学习辅导与习题解答》，韦丹，清华大学出版社，2007年，第2版，固体物理课程教学大纲86.《固体物理学》（上），方俊鑫、陆栋，上海科技出版社，1980年，7.《热力学与统计物理》，汪志诚，高等教育出版社，2006年4月第3版。8.专题文献综述。八、考核方式笔试（闭卷）各教学环节占总分的比例：平时测验及作业：30%、课程论文集文献阅读情况：10%、期末考试：60%。制定人：吴明在审定人：马永青批准人：孙兆奇2008年5月