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1、固体物理(第1课)晶体结构 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date铜表面原子的重构：铜表面原子的重构： 4 8 个铁原子构成围栏，內部形成电子驻波。个铁原子构成围栏，內部
2、形成电子驻波。 基于利用基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子，没原子为为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！量，将能够
3、存入人类有史以来的全部知识！ 19981998年年IBMIBM公司公司用用原子排成的世界原子排成的世界上最小的广告上最小的广告-IBM 固体物理教师：富容国电子工程与光电技术学院光电技术系电话：84314969，13813388950邮箱：QQ（微信）：365060575furonguo电光学院 A501室有关本课的注意事项有关本课的注意事项v 教材和参考资料 朱建国,郑文琛等.固体物理学.科学出版社,2005 讲课内容 ： 章，v 作业两个作业本，每周一交v考勤 平时出勤率（缺一次课扣3分）和作业，占10%，v考试闭卷、笔试v实验占10%一、 本课程的作用n 固体物理是物理学的一个重要分支，
4、在现代科学技术的发展中，它起着及其重要的基础作用，特别是对材料科学、电子物理、电子器件、微电子学等专业方面的研究，固体物理为它们提供了科学依据和理论指导；而固体物理所发展起来的一整套科学概念、理论和实验技术，对于其它新兴科学技术也同样产生了重要而深远的影响。二、课程的教学目标与基本要求n1通过本课程的教学，掌握固体物理中的基本概念和基本理论，从而为学习半导体物理等一些后续课程打下扎实的理论基础。n2学习固体物理中分析、解决问题的方法和手段，提高思维能力和分析、解决实际问题的能力。三、课程的教学内容n 晶体的结构(说明)；n 晶体结合类型和结合的物理性质；n 晶格振动和晶体的热学性质；n 晶体中
5、的缺陷与运动；n 金属中电子的运动规律和能量状态；n 能带理论，即周期性势场中电子的 运动规律和能态研究；原子电子前前 言言n1 固体研究历史n 固体结构的基础是原子结构和电子结构。n “万物是什么构成的”3000年前n 古希腊：水、空气、火、土。n 中国：金、木、水、火、土（商周五行说）。n 公元前450年：巴门尼德球，即永恒不变。n 同时期希腊：物质无限可分。n 毕达格拉斯学派：四元素是由形状为规则立方体的基 本粒子构成的。 前前 言言n原子论提出：一个整体由无数粒子构成，每个粒子都是一个巴门尼德球，刚硬、立体、不可分割。nAtom：希腊语中不可分割的意思。n希腊德谟克里特：物质由原子组成
6、。n希腊哲学家柏拉图：广泛宣传原子论。n十七世纪自然科学开始成熟，牛顿等建立的力学、天文学、光学的基础。n1840年，Maxwell建立了电磁学理论，确立了经典电动力学。n19世纪末，Bolzman奠定了统计物理基础。前前 言言n20世纪初，普朗克、洛伦兹、爱因斯坦、玻尔等建立了狭义相对论、原子物理，初步建立了量子统计和量子理论。普朗克因创立量子论、发现基本量子获1918年诺贝尔物理学奖。 n后来薛定谔、海森堡、费米、狄拉克等人建立了量子力学。n上述都是对自然界事物认识并理解的一个过程。n人类也用实验手段研究原子及更深的物质结构。n1897年，汤姆逊发现电子。n卢瑟福建立了原子核理论。(粒子散
7、射实验)n劳厄：X射线衍射。n布拉格父子建立的X射线衍射理论。前前 言言v1. 固体物理学：v 研究固体物质物理性质的学科；v 通过对固体微观结构和组成固体的微观粒子之间相互作用及运动机制的研究来阐明和揭示固体的宏观性质及用途。v2. 固体的结构：v 从微观角度上来说，是指组成固体的微观粒子在空间的排列方式。前前 言言n3 微观世界基本规律规律v包括力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学等。n4 固体的宏观性质v力学性质、热性质、电性质、声性质、磁性质、光性质等。v固体物理是连接宏观世界和微观世界的桥梁。前前 言言v5. 固体的分类：v晶体： 一般有规则的几何外形，组成晶体的微观粒子在空间排列
8、是长程有序的(晶体演示) (石英分子结构)v准晶体：是一类不具备晶格周期性、却显现长程有序性的固体材料。所谓长程有序性，在某个方向上往往以无理数序列的方式表达，而序列则像无理数一样无限不循环。 1984年，实验发现（2011年诺贝尔，见后）v非晶体：一般没有规则的几何外形，组成非晶体的微观粒子在空间排列是长程无序的v晶体图片晶体与非晶体内部结构示意图常见的宝石晶体 合成刚玉（白宝石） 原料 Al 2 O 3 ，另加致色元素如下 合成红宝石 Cr 2 O 3 ， 1-3% 合成蓝宝石 Fe ， Ti ； 0.3-0.5% 合成黄色蓝宝石 Ni ， Cr 合成紫色蓝宝石 Cr Fe ， Ti 合成
9、变色蓝宝石 Cr 2 O 3 ， V 2 O 5 ， 3-4% 合成星光红宝石 TiO 2 0.1-0.3% ， Cr 2 O 3 1-3% 合成星光蓝宝石 FeO+TiO 2 ： 0.3-0.5% ； TiO 2 ： 0.1-0.3% 第第1章晶体结构章晶体结构v1.1 晶体的宏观特征(说明)n长程有序：微米范围内的规则排列。n自限性：晶体会自发地成长为表面为平面的凸多面体（示意图）。n晶面角守恒定律：同一种晶体在相同的温度和压力下，其对应晶面之间的夹角恒定不变（示意图）。n解理性：当晶体受到敲打、剪切、撞击等外界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方位的晶面劈裂开来的性质。劈裂的晶面称为解理
10、面 （示意图） (云母)。n各向异性：晶体的物理性质随观察方向而变的现象（示意图） 在不同带轴上，晶体的物理性质不一样。 其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率不再是常数，需要用张量来表示。6 均匀性：晶体的物理性质不随晶体的部位而改变（示意图）7 对称性：晶体宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现象（示意图）v几何外形v物理性质：异向同性8 最低内能和固定熔点：与同种化学成分的气体、液体或非晶体相比，晶体的内能最小。晶体在熔化过程中保持温度不变。（示意图）v1) 1) 布喇菲（布拉伐布喇菲（布拉伐 BravaisBravais）的空间点阵学说）的空间点阵学说v 晶体的内部结构可以概括为是由一
11、些相同的点子晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点子的总在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点子的总体称为点阵。体称为点阵。 （示意图示意图）v 点子可以是原子，分子，分子团，点子代表其重点子可以是原子，分子，分子团，点子代表其重心位置，这些点称为格点。晶体由多种原子构成时，心位置，这些点称为格点。晶体由多种原子构成时，其基本结构单元（基元）也由这数种原子构成（其基本结构单元（基元）也由这数种原子构成（示意示意图图）。）。v2) 2) 晶格：布喇菲点阵基元晶格：布喇菲点阵基元1.2 空间点阵空间点阵3) 空间任意格点的位置表示空间任意格点的位置表示
12、Z、n、nnan321332211ananr量为：向则空间任意格点的位置点，以某一个格点为坐标原置则A、B点处于等价位Zm、n、papanamRR若的位置向量，为空间任意两点R、R设321BABAv 1) 原胞：原胞： 初基原胞，固体物理学原胞初基原胞，固体物理学原胞v原胞是为描述晶体周期性选取的体积最小的平原胞是为描述晶体周期性选取的体积最小的平行六面体行六面体（示意图示意图）v原胞的选取不唯一，但体积唯一（原胞的选取不唯一，但体积唯一（示意图示意图）v对于布喇菲格子，原子只出现在原胞的顶点上，对于布喇菲格子，原子只出现在原胞的顶点上，每个原胞中只含有一个原子；对于复式格子，每个原胞中只含有
13、一个原子；对于复式格子，原胞和对应的布喇菲格子一样选取，但在原胞原胞和对应的布喇菲格子一样选取，但在原胞的体内或面内包含基元中其它种类的原子每种的体内或面内包含基元中其它种类的原子每种各一个（各一个（示意图示意图）v原胞的基矢常用原胞的基矢常用 表示表示3. 原胞和晶胞原胞和晶胞*321aaa、v晶胞：是为描述晶体对称性而选取的平行六面体，其体积应尽可能小（不一定最小）v原子不仅出现在晶胞的顶点上，也能出现在其面心、体心或其它位置上v晶胞基矢一般沿晶轴方向，常用 表示，三基矢尽可能长度相等、彼此相垂直。cba、2)晶胞：晶胞： 结晶学原胞，惯用晶胞，单胞结晶学原胞，惯用晶胞，单胞1.3 晶格周
14、期性晶格周期性布喇菲格子和复式格子布喇菲格子和复式格子*n1) 布喇菲(Bravais )格子： （示意图）l晶格只有一种原子构成，基元就是一个原子，原子中心与阵点重合。n 2) 复式格子： （示意图）l由相同的布喇菲格子互相套构而成。两种以上原子，每种原子各组成与格点相同的晶格，即布喇菲晶格，它们相对移动一定距离，套构而成复式晶格。l复式晶格中基元的原子团中心与格点重合。复式晶格中格点不等价的原因：n格点本身代表不同的原子（见图）。n格点附近空间结构不对称（见图） 。v 简立方晶格（sc）（示意图）(演示) 原胞 晶胞 Li、Na、K、Rb、Cs、Fv体心立方晶格（bcc）（示意图） (演示
15、1) (演示2) 晶胞 原胞 体积 Li、Na、K、Rb、Cs、Fev面心立方晶格（fcc） （示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 Fe、Au、Ag、Cu、Al Cu 1s22s22p63s23p63d104s11.3.5 三维布拉菲晶格三维布拉菲晶格简立方晶格（简立方晶格（sc）示意图）示意图1返回返回原子铺排方式：AAA晶胞体积a3, 原子体积aR2136a简立方晶格（简立方晶格（sc）示意图）示意图2返回返回自然界中不存在此种结构的晶体kaacj aabi aaa321体心立方晶格（体心立方晶格（bcc）示意图）示意图1返回返回原子铺排方式：ABAB体心立方晶格（体心立方晶格（
16、bcc）示意图）示意图2kacj abi aaLi、Na、K、Rb、Cs、Fe晶胞中含两个原子原胞中含一个原子返回返回)(2)(2)(2321kjiaakjiaakjiaa原胞的体积原胞的体积Vna是晶胞的边长，又称晶格常数。n可见原胞体积是晶胞体积的一半，一个晶胞对应两个格点，一个原胞只对应一个格点。2/)(3321aaaaV返回返回体心立方晶格（体心立方晶格（bcc）示意图）示意图3由于晶胞中含两个原子，因此晶胞体积为a3，两个原子占据体积为aR43383a3316334aRV单个原子体积面心立方晶格（面心立方晶格（fcc）示意图）示意图1返回返回原子铺排方式：密排面，ABCABC面心立方
17、晶格（面心立方晶格（fcc）示意图）示意图2kacj abi aa返回返回Au、Ag、Cu、Al晶胞中含4个原子原胞中含一个原子)(2)(2)(2321jiaakiaakjaa面心立方晶格中原胞的体积V原胞体积是晶胞体积的1/4，一个晶胞对应4个格点，一个原胞只对应一个格点。4/)(3321aaaaV面心立方晶格（面心立方晶格（bcc）示意图）示意图3由于晶胞中含4个原子，因此晶胞体积为a3，其中4个原子占据体积为aR42362a3324234aRV单个原子体积原胞示意图原胞示意图1返回返回晶胞晶胞返回返回原胞原胞原胞示意图原胞示意图2返回返回晶胞示意图晶胞示意图返回返回宏观特性固体物理力学、
18、电磁学、热力学、电磁学、热学、统计物理、量学、统计物理、量子力学子力学原子晶格返回返回黄铁矿（黄铁矿（FeS2） 滑石中的黄铁矿滑石中的黄铁矿返回返回n石英分子结构返回返回晶体与非晶体内部结构示意图晶体与非晶体内部结构示意图返回返回自范性示意图自范性示意图返回返回解理性返回返回晶面角守恒定律示意图晶面角守恒定律示意图na、b：14147nb、c：12000na、c：11308返回返回各项异性和对称性示意图各项异性和对称性示意图nx znx=y返回返回均匀性示意图均匀性示意图返回返回固定熔点示意图固定熔点示意图返回返回空间点阵和晶格示意图空间点阵和晶格示意图点点 阵阵晶晶 格格结点、格点结点、格
19、点返回返回晶体结构示意图晶体结构示意图基基 元元复式晶格复式晶格布喇菲晶格布喇菲晶格一组基元包含两个离子，构成NaCl。顶角的格点和处于4个化学键中心的格点不等价，故一组基元中包含两个原子。v作业1：v1. 下列说法是否正确，为什么？n如果晶体由一种原子构成，则晶体一定属于布喇菲格子；n如果晶体由两种原子构成，则晶体一定属于复式格子；v 2. 计算体心立方和面心立方原胞的体积以色列人达尼埃尔谢赫特曼以发现准晶体赢得2011年度诺贝尔化学奖，一人独享1000万瑞典克朗(约合146万美元)奖金。n准晶体异于常规晶体。准晶体是一类不具备晶格周期性、却显现长程有序性的固体材料。所谓长程有序性，在某个方
20、向上往往以无理数序列的方式表达，而序列则像无理数一样无限不循环。n谢赫特曼率先在铝镁合金中发现准晶体“现象”。1982年4月8日上午，谢赫特曼借助电子显微镜获得一幅晶体衍射图，即日后所确认的“准晶体”。迫使同行重新认识固体材料迫使同行重新认识固体材料n诺贝尔化学奖评审委员会2011年10月5日认定，谢赫特曼发现准晶体，“根本上改变了化学家们对固态物质的构想”。n谢赫特曼1941年出生。现在以色列北部城市海法任以色列工学院教授。他当年的发现和坚持，迫使同行重新考虑并认识固体材料。n科学界对准晶体的理解和描述，需要借助数学，同时从中世纪阿拉伯风格马赛克镶嵌装饰艺术中汲取灵感。第三十四回第三十四回蔡夫人隔屏听密语刘皇叔跃马过檀溪蔡夫人隔屏听密语刘皇叔跃马过檀溪n原来蔡夫人素疑玄德，凡遇玄德与表叙论，必来窃听。是时正在屏风后，闻玄德此言，心甚恨之。玄德自知语失，遂起身如厕。因见己身髀肉复生，亦不觉潸然流涕。少顷复入席。表见玄德有泪容，怪问之。玄德长叹曰：备往常身不离鞍，髀肉皆散；分久不骑，髀里肉生。日月磋跎，老将至矣，而功业不建：是以悲耳！表曰：吾闻贤弟在许昌，与曹操青梅煮酒，共论英雄；贤弟尽举当世名士，操皆不许，而独曰天下英雄，惟使君与操耳，以曹操之权力，犹不敢居吾弟之先，何虑功业不建乎？”嫦娥n云母屏风烛影深，长河渐落晓星沉；n嫦娥应悔偷灵药，碧海晴天夜夜心。n云母的解理性