【5A文】名校名师之《固体物理学》综述教学课程.ppt

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1、【5A文】名校名师之《固体物理学》综述课程目录晶体的结构晶体的结合晶格振动和晶体的热学性质晶体中的缺陷金属电子论能带理论与能带结构第1章晶体的结构固体物质是由大量的原子、分子或离子按照一定方式排列而成的，这种微观粒子的排列方式称为固体的微结构。按照微结构的有序程度，固体分为晶体、准晶体和非晶体三类。其中，晶体的研究已经非常成熟，而非晶体和准晶体则是固体研究的新领域。晶体的结构和特性决定了它在现代科学技术上有着及其广泛的应用，因此，固体物理学以晶体作为主要的研究对象。上节下节目录§1.1晶体的基本性质一、晶体的特征1.长程有序虽然不

2、同的晶体具有各自不同的特性，但是，在不同的晶体之间仍存在着某些共同的特征，这主要表现在以下几个方面。具有一定熔点的固体，称为晶体。实验表明：在晶体中尺寸为微米量级的小晶粒内部，原子的排列是有序的。在晶体内部呈现的这种原子的有序排列，称为长程有序。长程有序是所有晶体材料都具有的共同特征，这一特性导致晶体在熔化过程中具有一定的熔点。晶体分为单晶体和多晶体。在单晶体内部，原子都是规则地排列的。单晶体是个凸多面体，围成这个凸多面体的面是光滑的，称为晶面。*单晶体(SingleCrystal)由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。多晶

3、体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内的原子排列是不同的。*多晶体(MultipleCrystal)晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们不是晶体品种的特征因素。例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所示。（a）立方体（b）八面体(c)立方和八面混合体解理面通常是那些面与面之间原子结合比较脆弱的晶面。晶体具有沿某一个或数个晶面发生劈裂的特征，这种特征称为晶体的解理。解理的晶面，称为解理面。有些晶体的解理性比较明显，例如，NaCl晶体等，它们的解理面常显现为晶体外观的表面。有些晶体

4、的解理性不明显，例如，金属晶体等。晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义，例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂发生，以保证成品率。2.解理(Cleavage)发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶体内部分子或原子之间有序排列的反映。例如，对于石英晶体，在下图中所示的mm两面间的夹角总是60º0',mR两面间的夹角总是38º13',mr两面间的夹角总是38º13'。尽管由于生长条件的不同，

5、会使同一晶体外型产生一定的差异。但是对同一种晶体，相应两个晶面之间的夹角却总是恒定的。即：每一种晶体不论其外形如何，总具有一套特征性的夹角。3.晶面角守恒定律(a)理想石英晶体（b）人造石英晶体属于同一品种的晶体，两个对应晶面之间的夹角恒定不变，这一规律称为晶面角守恒定律。显然，晶面之间的相对方位是晶体的特征因素，因而常用晶面法线的取向来表征晶面的方位，而以法线间夹角来表征晶面间的夹角（两个晶面法线间的夹角是这两个晶面夹角的补角）。二、晶体的基本性质1.周期性(Periodicity)晶体的外形、结构及性质在不同方向和位置有规律地

6、重复出现，这种现象称为晶体的对称性。晶体中原子的规则排列可以看作是由一个基本结构单元在空间重复堆砌而成，晶体结构的这一性质称为周期性。2.对称性(Symmetry)3.各向异性(Anisotropy)晶体的物理性质，常随方向不同而有量的差异。晶体所具有的这种性质，称为各向异性。晶体的晶面往往排列成带状，晶面间的交线（称为晶棱）互相平行，这些晶面的组合称为晶带，晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。晶体的物理性质沿不同带轴方向具有差异，呈现出各向异性。物理性质这种差异来源于晶体结构的各向异性，例如，晶体的解理在有些晶轴上明显，而在其它晶轴

7、方向不明显；又如，某些晶体的电阻值在一个特定晶轴方向上显著地高于其它晶轴方向；再如，一些晶体的折射率在不同晶向数值不同等。对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小，所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之，晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最小内能性。4.最小内能性由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内能也必不相同。即，晶体是一种稳定的物态形式。晶体中

8、的原子总是围绕其平衡位置作振动，且相互联系。晶体中原子的这种集体振动，称为晶格振动。5.晶格振动(LatticeVibration)晶格振动不仅对晶体的热学性质有直接的重要影响，而且对晶体的其它一些物理性质，例如光学性质、电学性质、超导电性、结构相