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1、1固体物理学固体物理学任课教师：陈晓明陕师大物理学与信息技术学院2教材与参考书目教材与参考书目：Introduction to Solid State PhysicsIntroduction to Solid State Physics Eighth Edition Eighth Edition CHARLES KITTEKL, John Wiley CHARLES KITTEKL, John Wiley固体物理学固体物理学黄昆、韩汝琦，高等教育出版社黄昆、韩汝琦，高等教育出版社固体物理简明教程固体物理简明教程蒋平蒋平 徐至中，复旦大学出版社徐至中，复旦大学出版社固体物理基础固体物理基础阎守胜
2、阎守胜 编著，北京大学出版社编著，北京大学出版社固体物理学固体物理学方俊鑫、陆栋主编，上海科学技术出版社方俊鑫、陆栋主编，上海科学技术出版社固体物理基础固体物理基础 韦丹，清华大学出版社韦丹，清华大学出版社 固体物理教程固体物理教程王矜丰，山东大学出版社王矜丰，山东大学出版社3 固体物理的研究对象固体物理的研究对象 研究固体结构及其组成粒子研究固体结构及其组成粒子( (原子、离子、原子、离子、电子电子) )之间相互作用与运动规律以阐明其性能之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科与用途的学科固体分类固体分类 晶体、非晶、准晶晶体-原子按一定的周期排列规则的固体Be2O3 CrystalS
3、hape of Snow Crystal4 晶体的晶体的三大特征三大特征 晶体的规则外形晶体的规则外形 最显著的特点是晶面有规则，对称地配置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一个理想完整的晶体，相应的晶面的面积相等原子排列有序：原子排列有序：长程有序长程有序有固定的熔点：有固定的熔点：在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体时对应一定时对应一定 的熔点的熔点各向异性：各向异性：包括力学、电学、磁学、热学和光学等性能包括力学、电学、磁学、热学和光学等性能在微米量级的范围是有序排列的在微米量级的范围是有序排列的5晶体例子晶
4、体例子又如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶又如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶6非晶体 不具备长程有序特点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的结合是无规则的 各向同性各向同性石石英英晶晶体体 非晶体非晶体( (石石英玻璃英玻璃) )： 没没 有 规 则有 规 则的 外 形 ，的 外 形 ，各向同性，各向同性，没 有 固 定没 有 固 定的熔点。的熔点。 又如：橡胶、塑料、非晶硅又如：橡胶、塑料、非晶硅7准晶体1974 年，年，R. Penrose 用两种菱形单元完成用两种菱
5、形单元完成一种二维拼图角度一种二维拼图角度（72 ，108 ），），（36，144 ） 1984 年年Shechtman用用快速冷却方法制备的快速冷却方法制备的准晶，结构有别于晶准晶，结构有别于晶体和非晶体体和非晶体存在存在5重对称轴重对称轴Penrose 图案图案(1974)1984年年Shechtman用用快速冷却方法快速冷却方法制备的制备的AlMn合金合金准晶体- 介于晶体和非晶体之间的新的状态。组成粒子的排列呈有序结构，但不具有晶体的平移对称性。8 多晶体多晶体 由两个以上的同种或异种单晶组成的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结晶物质，各单晶通过晶界
6、结合在一起 多晶由成千上万的晶粒构成，尺寸大多在厘米级至微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米级范围内变化，没有单晶所特有的各向异性特征多晶和液晶 液晶液晶 一些晶体当加热至一些晶体当加热至某一温度某一温度T1时转变为介于固体与时转变为介于固体与液体之间的物质，在一维或二维液体之间的物质，在一维或二维方向上具有长程有序方向上具有长程有序 当继续加热至温度当继续加热至温度T2时，转变时，转变为液体，用于显示器件为液体，用于显示器件 u 理想晶体：内在结构完全规则的固体 (完整晶体)u 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
7、景中尚存在微量不规则性的晶体9十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的解理面和十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的解理面和双折射性质双折射性质 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小“基石基石”有规则地重复堆集而成有规则地重复堆集而成十九世纪中叶，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性的特征方解石 (石灰)CaCO3：解理面 (如钟乳石、大理岩等); 双折射性质 (光束入射到物体上分解为两束光而沿不同方向折射的现象) 固体物理的发展过程 二十世纪初
8、特鲁德和洛伦兹建立了经典金属自由电子论，对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固体认识进入一个新的阶段 描述晶体比热：杜隆描述晶体比热：杜隆- -珀替定律珀替定律 描述金属导热和导电性质：魏德曼描述金属导热和导电性质：魏德曼- -佛兰兹定律佛兰兹定律10十九世纪末，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 1912年，劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅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
9、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11 固体物理的学科领域 杂质、缺陷对金属、半导体、电介质、磁性材料以杂质、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、一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物
10、质、 发光等材料的各种性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材料表现出的各种现象 探索新材料和设计新器件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、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固体物理学负担着重多的理论课题12固体物理领域固体物理领域金金属属物物理理半半导导体体物物理理晶晶体体物物理理磁磁学学电电介介质质物物理理液液晶晶物物理理
11、固固体体发发光光超超导导体体物物理理固固态态电电子子学学固固态态光光电电子子学学固固体体光光谱谱强强关关联联物物理理纳纳米米物物理理表表面面物物理理介介观观物物理理13本课程学习内容：晶体结构晶体结构(晶体的周期结构、布拉维格子、晶系、典型的晶体结构、晶面、晶体的对称性、倒空间等)晶体结合晶体结合(离子、共价、金属、氢键、范德瓦尔斯结合)晶格振动和晶体的热学性质晶格振动和晶体的热学性质缺陷缺陷晶体中电子能带理论晶体中电子能带理论电磁场中的电子行为电磁场中的电子行为 金属自由电子气体模型金属自由电子气体模型14本课程-考试及成绩计算：期末考试期末考试 考试成绩考试成绩 70%+平时成绩平时成绩30%平时成绩计算：专题平时成绩计算：专题+随机点名随机点名