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1、固 体 物 理 学,姚恺新乡学院物理系2011.10,前言,固体物理学的研究对象固体物理学研究特点教材的选择课程内容简介,固体物理学教案 姚恺,一、固体物理学的研究对象,1.1 固体物理学,*固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子（原子、粒子、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。,固体物理学教案 姚恺,研究固体的物理科学叫做固体物理学。,1.2 什么是固体？,1.2.1 宏观定义：,固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。,固体物理学教案 姚恺,固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。,1.2.2 固
2、体的分类,1.晶体(crystal)2.非晶体(amorphous,non-crystalline solids)3.准晶体(quasicrystal),固体物理学教案 姚恺,晶体（晶态）：原子按一定的周期排列规则的固体 长程有序。,例如：天然岩盐、水晶及人工制备的半导体锗、硅单晶都是晶体。,固体物理学教案 姚恺,非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性 短程有序,Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构,例如：玻璃、橡胶、塑料等,固体物理学教案 姚恺,准晶体（准晶态）：结构介于晶体和非晶体之间，具有五重对称的斑点分布。,1984年以色列科学家达尼埃尔谢赫特曼(Shechtman)用快速冷
3、却方法制备了AlMn准晶。,固体物理学教案 姚恺,瑞典皇家科学院5日上午宣布，授予其2011年诺贝尔化学奖，以表彰他在晶体学研究中的突破。称他的发现“彻底改变了化学家们对固体物质的看法”。,1.2.2 固体的微观定义,固体性质既然涉及到原子、电子层次，那么我们在研究时首先必须面对如下的几个问题:a.用经典还是量子方法？b.如何描写这些粒子之间的相互作用多体问题？c.如何应对1029/m3量级的粒子？,固体性质由所组成的原子成分及其排列结构决定,固体物理学教案 姚恺,固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动,固体物理学教案 姚恺,1.3.固体物理学的要点,固体物理学的要点或贯穿固体物理学的主线就是
4、周期性,固体物理学的核心问题是波在周期性结构中的运动,2.1 固体物理学与其他学科关系,*固体物理学是一门涉及物理学很多领域的学科。诸如，力学、原子物理、电子学、光学和磁学等等，需要量子力学、统计力学等的基本知识。,固体物理学教案 姚恺,*固体物理学是凝聚态物理的基础,二、固体物理学的研究特点,固体物理学发展至今，一般包含*固体的结构性质*固体的力学性质*固体的电子性质*固体的输运性质*固体的磁学性质（另有专门的课程）*固体的光学性质（另有专门的课程）,固体物理学教案 姚恺,2.2固体物理学的学科领域,固体物理学的研究范围极广高纯度的完整晶体，杂质、缺陷对金属、半导体、电介质、磁性材料及其他固
5、体材料性能的影响；在一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质、发光材料等的各种性质；金属、半导体、电介质、磁性物质、发光材料在强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下的各种现象；发展新材料新器件，及制备材料和器件的新工艺和新理论；承担着许多重要的理论课题，如超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论、催化的微观理论、断裂微观理论、强光与物质相互作用理论等等,固体物理学教案 姚恺,固体物理学教案 姚恺,随着生产及学科的发展，固体物理领域已形成了像金属物理、半导体物理、晶体物理和晶体生长、磁学、电介质（包括液晶）物理、固体发光、超导体物理、固态电子学、表面物理、介观物理、纳米物理等十多个子学科。这
6、些子学科各自担负着特殊的研究任务，已发展成为相对独立的分支。进入上世纪七十年代以来，学科之间的相互渗透愈益深入，新技术、新方法的综合利用使得新现象层出不穷，固体物理的本身在迅速发展之中。,3.1两种体系的教材：,*加州大学伯克利分校的Kittle(1953年出版，2004年已出到第8版，不断地增、删，重印),固体物理学教案 姚恺,*康奈尔大学的Ashcroft(1976年出版，未再版，不断地重印),三、教材的选择,Kittle*晶体结构*晶格振动*金属电子气*能带理论*输运性质(半导体),Ashcroft*金属电子气*晶体结构*能带理论*晶格振动*输运性质(金属),固体物理学教案 姚恺,3.2
7、两种体系教材编排上的差异,Kittle体系的教材：首先讲解晶体结构，但是在接受周期结构这个固体中最重要的概念之前，我们并不清楚为什么要引入？它的重要性在哪里？晶体周期结构所包含的假定有多少合理性？为什么？等等。,Ashcroft体系的教材首先用简单模型尝试研究固体的电导和热传导，有成功的地方，也有失败的地方追究为什么失败修正模型，引入固体的周期性结构（数学抽象、简化、理想化，也有实验根据）这样就能够在一定的近似程度上研究固体物理性质,固体物理学教案 姚恺,3.2两种体系教材的区别,Kittle体系 直接给出定律、概念，说明这些定律的适用条件、如何应用，给出结果，得到结论,Ashcroft体系*
8、用简单容易接受的模型，得到不完善的定律，即，这个定律已经能够说明某些实验现象，但它不能说明另一些现象*找出问题所在，修正模型、再演绎更准确的定律将复杂还原为简单，再从简单重建复杂,固体物理学教案 姚恺,3.3两种体系教材内容各自的内在逻辑,国内出的固体物理学教材几乎都是Kittle系列的教材，与我国的编写者大都师出同门有关 唯有两本教材可以归于Ashcroft系列*清华大学，顾秉林，1989年第一版，未再版和重印*北京大学，阎守胜，2000年第一版，2004第二版（修改主要在第二部分）,固体物理学教案 姚恺,3.4国内教材情况,3.5 黄昆原著,韩汝琦改编.固体物理学.北京：北京大学出版社，,
9、黄昆：固体物理、半导体物理学家。浙江嘉兴人。1941年毕业于燕京大学。1948年获英国布里斯托尔大学博士学位。1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。1980年当选为瑞典皇家科学院外籍院士。1985年当选为第三世界科学院院士。中国科学院半导体研究所研究员、名誉所长。是国际著名的中国物理学家、教育家、中国固体物理学先驱、中国半导体技术奠基人。2005年病逝。,主要从事固体物理理论、半导体物理学等方面的研究并取得多项国际水平的成果，是中国半导体物理学研究的开创者之一。50 年代与合作者首先提出多声子的辐射和无辐射跃迁的量子理论即“黄-佩卡尔理论”；首先提出晶体中声子与电磁波的耦合振动模式及有关
10、的基本方程(被誉为黄方程)。40年代首次提出固体中杂质缺陷导致 X光漫散射的理论(被誉为黄散射)。证明了无辐射跃迁绝热近似和静态耦合理论的等价性，澄清了这方面的一些根本性问题。获2001年度国家最高科学技术奖。2002年度感动中国十大人物。,韩汝琦 1938年8月生，河北清苑人。中国国民党革命委员会党员。现任第九届北京市政协副主席，民革中央常委、北京市主委，北京大学微电子研究所常务副所长、教授。1960年毕业于北京大学物理学系，后留校任物理系助教，1978年任北京大学计算机科学技术系微电子研究室主任、讲师。1983年晋升为副教授。1985年至1986年，在美国弗吉尼亚大学物理系作访问学者。19
11、87年后任北京大学微电子研究所副所长，教授，博士生导师。是第八届北京市政协常委，第九届全国政协常委。2011.2.16晚，病逝于北京。,撰写出版了固体物理学、非晶态物理学、非导体物理基础、晶体管原理与设计。其中固体物理学一书于1992年获第二届全国高校优秀教材国家级特等奖。1996年获国家科技进步二等奖。先后主持承担了多项国家重点科技攻关任务和国防军工预研项目。发表论文60余篇。1989年获国家技术监督局科学技术进步二等奖。TFT有源矩阵液晶显示技术研究、高温超导材料在微电子技术中应用研究等，通过了省部级技术鉴定，1996年获国家“八五”科技攻关重大成就奖。享受政府特殊津贴。,3.6 参考书：
12、,Kittel C.Introduction to solid state physics(7th ed).New York:John Wiley&Sons Inc.,1996；Ashcroft N.W.,Mermin N.D.Solid state physics.New York:Holt.Rinehart and Winston Inc.,1976；方俊鑫，陆栋.固体物理学（上，下）.上海：上海科学技术出版社，1980,1981；顾秉林，王喜坤.固体物理学.北京：清华大学出版社，1989；阎守胜.固体物理基础.北京：北京大学出版社，2000；陆栋，蒋平，徐至中.固体物理学.上海：上海科学
13、技术出版社，2003；王矜奉.固体物理教程.山东：山东大学出版社，2008；黄昆.固体物理学.北京：北京大学出版社，2009。,固体物理学教案 姚恺,四、课程内容简介,4.1 固体物理学授课计划,固体物理学教案 姚恺,4.2固体物理学的发展过程,十七世纪，惠更斯（试图以椭球堆积的模型来解释方解石的双折射和解理面）；十八世纪，阿羽依认为方解石晶体是由一些坚实的、相同的、平行六面形的小“基石”有规则的重复堆积而成的；十九世纪中叶，布喇菲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，费奥多罗夫在1890年和A.M.熊夫利在1891年以及W.巴洛在1895年各自建立了晶体对称性的群理论。另外
14、，人们还总结了大量的实验规律，如关于晶体比热的杜隆珀替定律，关于金属导热和导电性质的魏德曼-佛兰兹定律。为了进一步了解这些经验规律的实质，出现了一些学说；,固体物理学教案 姚恺,二十世纪初，特鲁兹和洛伦兹建立了经典的金属自由电子论等；1912年，劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论；量子理论使人们能够更加深入和比较正确的描述晶体内部微观粒子的运动过程。爱因斯坦引入量子化的概念来研究晶格振动；索末菲发展了固体量子论；费米发展了统计理论；布洛赫：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；,固体物理学教案 姚恺,二十世纪三十年代，建立了固体电子态理论能带理论和晶格动力学；二十世纪四十年代末、五十年代初，以硅、锗为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管，进而产生了半导体物理；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；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,固体物理学教案 姚恺,
