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1、合肥工业大学电物学院第 1 页固体物理学教学课件高高 峰峰 合肥工业大学电物学院合肥工业大学电物学院20092009年年1010月月合肥工业大学电物学院第 2 页从微观上去解释固体材料的宏观性质，并阐明其规律性从微观上去解释固体材料的宏观性质，并阐明其规律性一、为什么学固体物理学？一、为什么学固体物理学？基本任务基本任务研究研究固体物质固体物质的的物理性质物理性质、微观、微观结构结构、构成物质、构成物质的各种粒子的的各种粒子的运动运动形态及其相互形态及其相互关系关系的的科学科学。它是。它是物物理学理学中内容极丰富、应用极广泛的分支中内容极丰富、应用极广泛的分支学科学科合肥工业大学电物学院第 3
2、 页n n 前面所学课程的综合前面所学课程的综合n n 固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法n n 最时髦的科学进展与固体物理紧密相连最时髦的科学进展与固体物理紧密相连特点特点几十年来，以固体物理的能带理论为基础，科学家在半导体、激光几十年来，以固体物理的能带理论为基础，科学家在半导体、激光、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破，有关研究成果已经、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破，有关研究成果已经迅速形成生产力，并带动了整个现代信息科学技术群的高速发展。迅速形成生产力，并带动了整个现代信息科学技术群的高速发展。 固体物理固体物理 是微电子
3、技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础技术学科的基础合肥工业大学电物学院第 4 页前面所学课程的综合前面所学课程的综合n n 分析力学分析力学采用广义坐标体系从能量的角度来研究经典力学采用广义坐标体系从能量的角度来研究经典力学n n 统计物理统计物理近独立电子的统计分布 玻耳兹曼统计 玻色统计 费米统近独立电子的统计分布 玻耳兹曼统计 玻色统计 费米统计计n n 量子力学量子力学 波函数 薛定谔方程 微扰理论波函数 薛定谔方程 微扰理论合肥工业大学电物学院第 5 页固体物理是能够处理现固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法代复杂系
4、统的好方法简单性与复杂性简单性与复杂性物理学家习惯于所谓还原论的思维方法：将复杂还原为简单、然后再从简单重建复杂。合肥工业大学电物学院第 6 页尺度上最微小尺度上最微小 但能量最高的但能量最高的 世界，对应的世界，对应的 学科为粒子物学科为粒子物 理学理学( (高能物高能物 理学理学) )最宏大的世界最宏大的世界 ，即天体与宇，即天体与宇 宙，对应的学宙，对应的学 科为天体物理科为天体物理 学与宇宙论。学与宇宙论。合肥工业大学电物学院第 7 页还原论的应用还原论的应用l l 气体、液体、与固体分解为分子或原子的聚集体；气体、液体、与固体分解为分子或原子的聚集体；l l 原子又被分解为原子核与电
5、子；原子又被分解为原子核与电子；l l 原子核被分解为质子和中子；原子核被分解为质子和中子；l l 这些再被分解为夸克、胶子。这些再被分解为夸克、胶子。合肥工业大学电物学院第 8 页在物质结构相邻层次间的耦合被证明是促进在物质结构相邻层次间的耦合被证明是促进2020世世纪科学进步的重要驱动力。纪科学进步的重要驱动力。uu 原子结构的阐明导致了化学的革命； 原子结构的阐明导致了化学的革命；uu 核酸与蛋白质分子结构的测定导致了生物学的革命 核酸与蛋白质分子结构的测定导致了生物学的革命uu 物质结构的微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁 物质结构的微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、铁电体
6、、超导体）中蕴含的异乎寻常的物性。体、铁电体、超导体）中蕴含的异乎寻常的物性。合肥工业大学电物学院第 9 页层展现象：层展现象：每一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，每一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，可以被称为层展性质。可以被称为层展性质。近年来粒子物理学的重大进展，如顶夸克的发现对凝聚态近年来粒子物理学的重大进展，如顶夸克的发现对凝聚态物理学没有任何影响。物理学没有任何影响。还原论的局限性：还原论的局限性：诸多不同层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从而使诸多不同层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从而使得从简单构筑复杂并不象过去还原论者设想的那么容易。得从简单构筑复杂并不象过去还原论者
7、设想的那么容易。合肥工业大学电物学院第 10 页最时髦的科学进展与固体物理紧密相连最时髦的科学进展与固体物理紧密相连固体物理学学科领域铁 磁 学固 态 电 子 学电 介 质 物 理高 分 子 物 理半 导 体 物 理超 导 体 物 理固 态 光 电 子 学自 旋 电 子 学介 观 物 理金 属 物 理非 晶 态 物 理合肥工业大学电物学院第 11 页固体物质的微观结构、运动状态、物理性质及其相互关系固体物质的微观结构、运动状态、物理性质及其相互关系二、固体物理主要研究内容二、固体物理主要研究内容基本问题主要有以下七个方面：基本问题主要有以下七个方面：n n 固体是由什么原子组成？ 固体是由什么
8、原子组成？n n 它们是怎样排列和结合的？ 它们是怎样排列和结合的？n n 这种结构是如何形成的？ 这种结构是如何形成的？合肥工业大学电物学院第 12 页n n 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？ 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？n n 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？ 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？n n 各种固体有哪些可能的应用？ 各种固体有哪些可能的应用？n n 探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。 探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。合肥工业大学电物学院第 13 页主题纷纭繁杂主题纷纭繁杂理论处理花
9、样繁多理论处理花样繁多综合性强综合性强基本概念、实验规律、曲线、推导基本概念、实验规律、曲线、推导注意交叉学科注意交叉学科笔记笔记三、固体物理学课程特点三、固体物理学课程特点Page 13合肥工业大学电物学院第 14 页四、固体物理学的研究方法四、固体物理学的研究方法理论上：理论上：是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要引是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要引入假说、模型和近似。入假说、模型和近似。合作现象、平均场近似合作现象、平均场近似固体磁性理论固体磁性理论基于用量子力学处理交换相互作用基于用量子力学处理交换相互作用理想的周期性理想的周期性晶格动力学晶格动力学基于
10、统计物理和量子论来研究固体的热性质基于统计物理和量子论来研究固体的热性质单电子近似单电子近似固体能带理论固体能带理论基于量子力学与统计物理来研究固体导电性基于量子力学与统计物理来研究固体导电性合肥工业大学电物学院第 15 页固体物理学的研究方法固体物理学的研究方法实验上：实验上：大量的实验是固体理论的形成基础（验证），并且是新材料、新器件诞生的主要来源。几十年来，新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段。合肥工业大学电物学院第 16 页固体物理学新的实验条件和技术同 步 辐 射 技 术超 高 真 空 技 术光 散 射 效 应激 光 技 术穆 斯 堡 尔 效 应表 面 能 谱 术各 种 粒 子
11、 束 技 术核 物 理 技 术磁 共 振 技 术电 子 显 微 术超 高 压 极 低 温 强 磁 场合肥工业大学电物学院第 17 页固体物理学发展简史合肥工业大学电物学院第 18 页固体物理学发展简史合肥工业大学电物学院第 19 页固体物理学发展简史合肥工业大学电物学院第 20 页固体物理学发展简史合肥工业大学电物学院第 21 页一、王矜奉 编 固体物理教程 山东大学出版社一、王矜奉 编 固体物理教程 山东大学出版社二、方俊鑫、陆栋主编二、方俊鑫、陆栋主编固体物理学固体物理学上海科学技术出版社上海科学技术出版社三、黄昆、韩汝琦主编三、黄昆、韩汝琦主编固体物理学固体物理学高等教育出版社高等教育出
12、版社四、阎守胜编著四、阎守胜编著固体物理基础固体物理基础北京大学出版社北京大学出版社五、美基泰尔 固体物理导论（原著第八版） 化学工业出版社五、美基泰尔 固体物理导论（原著第八版） 化学工业出版社固体物理学参考教材固体物理学参考教材合肥工业大学电物学院第 22 页考试 7 7平时（作业、考勤） 3 3固体物理学课程成绩评定固体物理学课程成绩评定合肥工业大学电物学院第 23 页1.1 1.1 晶体的共性晶体的共性固体分为两大类：固体分为两大类：晶态和非晶态。非晶态：非晶态：又叫过冷液体，没有长程序，无固定的熔点。 晶态：晶态：内部原子和分子的排列是有规则的，长程有序长程有序。晶体分单晶体和多晶体
13、。单晶体：单晶体：单晶体中原子排列的周期性是在整个固体内部存在的；无限大的严格的单晶体可以看成是完美的晶体。多晶体：多晶体：是由很多不同取向的单晶体的晶粒组成的固体。长程序解体时对应一定的温度，有一定的熔点。第一章 晶体的结构合肥工业大学电物学院第 24 页l l 晶体的形态给出了晶晶体的形态给出了晶体中原子排列的线索体中原子排列的线索。l l 晶体形态的形成取决晶体形态的形成取决于多种因素：温度、压于多种因素：温度、压力、化学环境等力、化学环境等。l l 确定晶体的结构需要确定晶体的结构需要更为精确的方法，最常更为精确的方法，最常用的就是用的就是X-X-rayray衍射衍射。l l 为什么为
14、什么X-X-rayray衍射能衍射能确定晶体结构确定晶体结构？合肥工业大学电物学院第 25 页晶体结构：晶体结构：质粒在固体中的空间排列方式称为晶体结构，这质粒在固体中的空间排列方式称为晶体结构，这是研究固体的宏观性质首选要解决的问题。是研究固体的宏观性质首选要解决的问题。材料的宏观物理性质、化学性质取决于材料的宏观物理性质、化学性质取决于: :l l 构成材料的元素种类构成材料的元素种类l l 组成元素的原子以何种质粒形态组成元素的原子以何种质粒形态( (原子、分子、离子、或原子、分子、离子、或它们的集团它们的集团) )、何种方式排列于材料之中。、何种方式排列于材料之中。各向异性：各向异性：
15、在不同的带轴方向上晶体的物理性质不同。如介在不同的带轴方向上晶体的物理性质不同。如介电常数、压电常数、弹性常数等。电常数、压电常数、弹性常数等。合肥工业大学电物学院第 26 页晶体（单晶）具有解理晶体（单晶）具有解理性：性：沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，这样的晶面称为解理面。 离子晶体沿特定方向被解理离子晶体沿特定方向被解理石膏沿特定方向被切开石膏沿特定方向被切开合肥工业大学电物学院第 27 页晶带：晶带：单晶体的晶面排列成带单晶体的晶面排列成带状，晶面的交线（称为晶棱）状，晶面的交线（称为晶棱）互相平行，这些晶面的组合称互相平行，这些晶面的组合称为晶带。为晶带。晶轴：晶轴：重要的带轴，互相
16、平行重要的带轴，互相平行的晶棱（晶面的交线）的共同的晶棱（晶面的交线）的共同方向。方向。合肥工业大学电物学院第 28 页Page 28自限性：自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性，称之晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性，称之为晶体的自限性。为晶体的自限性。同一品种的晶体，由于生长条件的不同，其外形不是一同一品种的晶体，由于生长条件的不同，其外形不是一样的。这不重要，重要的是晶面的相对方位。样的。这不重要，重要的是晶面的相对方位。合肥工业大学电物学院第 29 页晶面角守恒定律：晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面（或属于同一品种的晶体，两个对应晶面（或晶棱）间的夹角不变。例如下图石英晶体。晶棱）间的夹角不变。例如下图石英晶体。合肥工业大学电物学院第 30 页Page 301.2 1.2 密堆积密堆积合肥工业大学电物学院第 31 页1.2 1.2 密堆积密堆积配位数配位数: : 在布喇菲格子中，离某一格点最近的格点，称为该格点的
