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1、固体物理学,主讲：李 金,湘潭大学物理系E-mail：Phone：,固体物理学,1.固体物理学 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社2.Introduction to Solid State PhysicsSeventh Edition CHARLES KITTEKL,John Wiley3.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,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
2、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,物质存在状态：固态、液态、气态和等离子态等,固体的分类,长程有序：周期性，理想的晶体可以看成是由一些基本结构单元(基元原子、原子团)在空间重复排列而成。,晶体的共性,不同原子构成的晶体，性质不同 硅(半导体)和铜(导体)都是面心立方结构，但是电子性质完全不同同种原子组成的不同结构的晶体，性质不同(同素异构体)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,石墨,金刚石,C:1s2
3、2s22p2,1.55,3.56,导电 疏松范德瓦尔斯,sp2杂化,sp3,绝缘体 硬度高共价键,晶面角守恒性晶体具有固定的熔点：当给某种晶体加热，当加热到一定温度的时候，晶体才是熔化，并且在熔化的过程中其温度不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升。,非晶体 不具备长程有序特点,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,Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构,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,准晶体 1984 年Shechtman用快速冷却方法制备的 AlMn准晶，结构有别于晶体和非晶体,多晶由成千上万的晶粒构成，尺寸大多
4、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,单晶体 晶体形成过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。,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_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,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
5、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,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,并积累了大量的 实验事实和经验规律。,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，证实了空间群理论。,爱因斯
6、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,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,人们对固体的认识：由表及里，由宏观到微观，由定性到定量，由现象到本质。,三 固体物理的学科领域,高纯度的
7、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,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,固体物理学负担着众多的理论课题,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,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
8、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,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,固体物理学主要内容：,主要内容回顾：1、固体的分类2、晶体的概念3、晶体的特征 4、初步了解固体物理,
