《固体物理课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体物理课件.ppt（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、刘书华 15133225167 liush_hebau,固体物理学,Solid State Physics,主要参考书,黄昆，韩汝琦，固体物理，高教出版社； 黄昆，固体物理学(北京大学物理学丛书.理论物理专辑) ，北京大学出版社 ，2009年9月； 方俊鑫，陆栋，固体物理学，上海科学技术出版社，2005； 吴代鸣，固体物理学，高等教育出版社，2007； 王矜奉，固体物理教程，山东大学，第四版，2004； 韦丹，固体物理，清华大学出版社，2003； 陈长乐，固体物理学第二版 ， 科学出版社，2006； 房晓勇，刘竞业，杨会静主编， 固体物理学 ，哈尔滨工业大学出版社，2004； 陆栋,蒋平。固体
2、物理学，高教出版社. Charles Kittel. Introduction to solid state physics. (中文版第8版）,一、固体物理学的研究对象,绪 论,固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。,固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原子/cm3。 固体结构就是指这些原子的排列方式。,固体的分类,晶 体: 规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。 长程有序性，有固体的熔点。 金属，半导体，食盐，极低温度下的惰性气体，冰，水晶，等。,非晶体：非规则
3、结构，分子或原子排列没有一定的周期性。 短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃，橡胶，石蜡等。,准晶体: 有长程的取向序，有准周期性，但无长程周期性 。,没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微量的不规则性。,规则网络,无规网络,晶体,非晶体,准 晶,Al65Co25Cu10合金,无平移周期性但有位置序的晶体就被称为准晶体，可以用Penrose拼接图案显示其结构特点。,Penrose拼接图案,准晶体,17世纪，法国晶体学家、矿物学家勒内茹斯特阿羽依（Ren Just Hay，1743年1822年）晶胞学说以及晶面在晶胞轴上的截距之比为整数比的关系。 世纪阿羽依，规则几何外形 内部规则性
4、,19世纪40年代，德国人弗兰根海姆(Frankenheim,M.L.1801-1869)和法国人布拉伐(Bravais,A.1811-1863)发展前人的工作，奠定了晶体结构空间点阵理论(即空间格子理论)的基础。布拉维于1848年指出，弗兰根海姆的15种空间点阵形式中有两种实质上是相同的，由此确定了空间点阵的14种形式。,二、固体物理学的发展历史,在1805-1809年间,德国学者魏斯(Weiss,C.S.1780-1856)开始研究晶体外形的对称性。1830年德国人赫塞尔(Hessel, J.F.Ch.1796-1872)，1867年俄国人加多林分别独立地推导出,晶体外形对称元素的一切可能
5、组合方式(也就是晶体宏观宏观对称类型)共有32种(称为32种点群)，人们又按晶体对称元素的特征将晶体合理地分为立方晶系，六方晶系等七个晶系。,在1885-1890年间，俄国结晶学家弗多罗夫完成了230个空间群的严格的理论推导工作，至此几何晶体学理论已基本全部完成了。,二、固体物理学的发展历史,20世纪初，在X射线衍射实验和量子力学理论的基础上，建立了固体的电子态理论和晶格动力学。(声子、等离激元、固体磁性、超导、缺陷影响半导体的电学、发光学等性质、非晶态固体物理、表面物理、准晶固体物理),1895年伦琴发现了X射线，1912年劳厄发现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
6、。,1913年布喇格（Bragg）父子建立了晶体结构分析的基础。,二次大战后的中子衍射技术是晶体结构及磁性晶体结构分析的重要手段。 70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术。 近年来发展的扫描隧道显微镜（STM），具有相当高的分辨率。,某种型号的扫描隧道显微镜,1993年Eigler等在铜Cu表面上成功地移动了101个吸附的铁原子，这是首次用原子写成的汉字。,1994年中科院北京真空物理实验室庞世谨等，使用STM针尖在Si表面连续移走Si原子，形成沟槽，写成中国和毛泽东等字。,新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能
7、谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。,由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。 现代固体物理学大致建立于本世纪三十年代，在此之前，已经在下述四个方面为固体物理学的创建作了准备： 1、有悠久历史的晶体学的研究
8、； 2、固体比热理论的建立； 3、关于金属导电的自由电子理论； 4、关于铁磁性的研究,本课程学习内容:,一、晶体结构,二、晶体的结合,三、晶格振动与晶体的热学性质,四、能带理论,五、晶体中电子在电场和磁场中的运动,六、金属电子论,学习方法： 强调物理概念的清晰性 强调物理逻辑的准确性 先模型再理论回到固体性质,第一章 晶体结构,非洲之星2号,http:/www.crystalclassics.co.uk,Carrollite 硫铜钴矿,Wulfenite 钼铅矿,蓝铜矿和孔雀石 Azurite with Malachite,鱼眼石 辉沸石 Apophyllite and Stilbite,Qu
9、artz 石英,Fluorite 萤石,Dioptase 绿铜矿,Malachite 孔雀石,水砷铜铝矿和橄榄铜矿石 Liroconite and Olivenite,认识晶体,“凡草木花多五出,雪花独六出” - 韩诗外传西汉,雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 - 六角雪花论J. Kepler （1611）,碳 - 奇妙的家族,Carbon: 1s22s22p2,石墨 (Graphite),金刚石 (Diamond),富勒烯(Fullerenes ),1996年,R. Buckminster Fuller (1895-1983),C60,C70,C6012个5边形20个六边形,C701
10、2个5边形20个六边形,碳纳米管(Carbon Nanotubes),S.Ijima, Nature 358, 220 (1991),石墨烯(Graphene),A. K. Geim, Science 306, 666 (2004),晶体的共性,晶体中的原子都是按一定顺序规则排列，至少在微米量级范围内是有序排列 长程有序是晶体材料具有的共同特征 在熔化过程中，晶体长程有序解体时对应着一定熔点,1 长程有序性,多晶体：由许多晶粒组成，在每个晶粒范围内规则排列,单晶体：在整个范围内原子都是规则排列的,单晶体不见得是由同种元素组成,晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为自限性。（能量最小）,3
11、. 解理性:,晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的解理性，这样的晶面称为解理面。,2.自限性:,晶面的交线称为晶棱，晶棱互相平行的晶面的组合称为晶带，如右图中a，1，b，2。,互相平行的晶棱的共同方向称为该晶带的带轴，晶轴是重要的带轴。如右图中OO,4.晶面角守恒定律：,属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。,石英晶体：,a、b 间夹角总是14147； a、c 间夹角总是11308； b、c 间夹角总是12000。,5.晶体的各向异性,在不同方向上，晶体的物理性质不同（石墨）。,由右图可以看出，在不同的方向上晶体中原子排列情况不同，故其性质不同。,晶体的物理性质在不同方向
12、上存在着差异，这种现象称为晶体的各向异性 在力学量上具有各向异性性 如：解理性（解理面）、弹性模量等 在热学上具有各向异性特征 如：热膨胀系数、导热系数等 在电学量上也具有各向异性 如：电导率 光学各向异性 如：双折射现象,晶体的各项异性是晶体的平移对称性在晶体物理性质上的反映，是晶体区别于非晶体的主要性质！,光学特性：晶体折射率的各向异性。,解理面： 晶体易于沿某些特定方向的晶面发生劈裂， 解理面是 能量相对较低的稳定面,物理常数的各项异性： 弹性常数、压电常数、介电常数、 电导率等，采用张量表示,6.晶体的对称性:,晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重
13、复出现，称为晶体的对称性。,7.晶体固定的熔点:,给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。,晶体为什么具有这些宏观特性呢?,晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。(阿羽依),自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的对称性、固定的熔点。,晶体的宏观特性：,1-1一些晶格的实例,晶格：晶体中原子排列的具体形式,一维,二维,二维密排堆积,二维正方堆积,简单立方（simple cubic, sc）堆积,三维,sc配位数为 6，晶格中与任一个原子相距最近且距离相
14、等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。,二维正方堆积,两个基本概念：,致密度：在结构单元中硬球所占的体积比。,配位数：一个硬球最紧邻的硬球的数目。,配位数：,一个原子最近邻的原子数,晶体中粒子排列的紧密程度，可以用配位数来表述 粒子排列的越紧密，配位数就越大 最大的配位数为12，其次是8、6、4（四面体，共价晶体） 配位数是3是层状结构，2为链状结构,体心立方（body-centered cubic, bcc）堆积,典型晶体：Li、Na、K、-Fe ,（bcc）配位数为 8 。,特点：沿体对角线原子相切。 注意原子半径与立方体边长之间的关系。,密堆积结构特点： 常见于金属晶体 只存
15、在于由一种原子组成的晶体 可以最有效地占据空间 在几何处理上，可以将原子看成是刚性的小球,3、 密堆积结构,如果晶体是由同种原子组成， 且原子被视为刚性小球，则这些全同小球 组成的堆积称为密堆积。,密排面：原子球在同一面内最紧密的排列方式。,面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积),典型晶体： Cu、Ag 、Au、Ca、Sr、Al、,fcc的配位数为12；,典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti ,密排六方（ hexagonal close-packed, hcp ）堆积 排列方式： ABABAB (六方密堆积),hcp的配位数
16、为12；,典型晶体：金刚石、Si、Ge ,c. 金刚石结构：,金刚石的配位数为 4；,金刚石结构,2. 简单化合物晶体,NaCl结构,典型晶体：NaCl、LiF、KBr ,CsCl结构,典型晶体：CsCl、CsBr、CsI ,闪锌矿结构,许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、CdS、GaAs、-SiC ,在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。,密堆积特点：结合能低，晶体结构稳定；配位数最大为12。,配位数的可能值,配位数的可能值为：12(密堆积)，8(氯化铯型结构)，6(氯化钠型结构)，4(金刚石型结构)，3(石墨层状结构)，2(链状结构)。,致密度：,如果把等体积的硬球放置在晶体结构中原子所在的位置上，球的体积取得尽可能大，以使最近邻的球相切，我们把一个晶胞中被硬球占据的体积和晶胞体积之比称为致密度(堆积比率或最大空间利用率)。,堆积系数 ,晶
