固体物理学基础new

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1、固体物理学基础FundamentalofSolidStatePhysicsQing-YuZhangStateKeyLaboratoryforMaterialsModificationbyLaser,IonandElectronBeams学习与思考一个深夜，担任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的卢瑟福，披着外衣来检查实验室，发现一位学生还在做实验。卢瑟福就问他：“你上午干什么了？”学生回答：“在做实验。”卢瑟福又问：“那你下午做什么了？”学生回答：“做实验。”卢瑟福提高嗓门问：“那你晚上又做什么呢？”学生挺直了胸脯回答：“我还在做实验。”卢瑟福对他说：“你整天做实验，还有什么时间用于思考呢？

2、”学习与思考学而不思则罔，思而不学则殆。⎯⎯孔子《论语·为政》物质的组成-1∑物质的概念∑原子中的电子分布-s电子Znr1σ=α=r=nρ2a03/2⎛Z⎞−1/2−σψ=ψ=π⎜⎟e1001s⎜⎟a⎝0⎠3/2−⎛Z⎞−111/2⎜⎟2σψ=ψ=(2π)(2−σ)e2002s4⎜⎟a⎝0⎠物质的组成-2∑原子中的电子分布-p电子3/2⎛Z⎞11−1/2⎜⎟−2σψ=ψ=(2π)σesinθcosϕ21cosϕ2px4⎜a⎟⎝0⎠3/2⎛Z⎞11−1/2⎜⎟−2σψ=ψ=(2π)σesinθsinϕ21sinϕ2py4⎜a⎟⎝0⎠3/2⎛Z⎞11−1/2⎜⎟−2σψ=ψ=(2π)σeco

3、sθ2102pz4⎜a⎟⎝0⎠ψ=d=h(r)sinθcosϕh(r)=const.2px物质的组成-3∑原子中的电子分布-d电子作业-1：f电子?原子的结合–物质的结合类型是为了研究物质结合性质而采用的一种分类方法，其物理根据是结合力的性质。–化学键类型：•离子键•共价键•金属键•分子键•氢键作业-2：成键态、非键态、反键态？固体的组成—固体是由原子组成，因此固体的性质取决于组成固体的原子及其电子的运动状态。固体的结构—周期结构：晶体—非周期结构：非晶体、准晶体20nmx20nma)b)c)IcosahedralphaseinAl-Cu-Ru;晶体的划分—从广义上讲，固体的结构包括相结

4、构、相比例、相界、相特征尺度、缺陷、晶界、晶粒尺度分布、取向关系等等。—对于特定的晶体相，晶体的结构是指空间点阵和基元的集合；—晶系：根据晶体的对称性，晶体划分为7个晶系；—点阵：对应于不同晶系，晶体有14种不同点阵类型；•三斜晶系：简单三斜•单斜晶系：简单单斜、底心单斜•正交晶系：简单正交、底心正交、体心正交、面心正交•三方晶系：三角•正方晶系：简单正方、体心正方•六方晶系：六角•立方晶系：简单立方、体心立方、面心立方晶体的对称–点对称操作作业-3：证明点阵对旋转的限制•旋转对称轴：1、2、3、4、6•旋转反演轴：4度旋转反演轴•反演中心及镜面：i、m–空间对称操作•螺旋轴：2、3、3

5、、4、4、4、4、6、…6112123315•滑移面：轴向滑移a、b、c，对角线滑移n，金刚石滑移d–晶体的宏观对称性：32点群–晶体对称性的完全描述：230空间群•点对称操作+空间点阵=73中心对称空间群•空间对称操作+空间点阵=157非中心对称空间群多粒子体系的薛定谔方程222h21'ZeH=∑−∇p+∑p2Mp8πε0p,qRp−Rq22h21'e+∑−∇i+∑i2m8πε0i,jri−rj21Ze−∑4πε0i,pri−Rp多粒子体系的简化方案—价电子和内层电子的分离：内层电子与原子核一起运动，构成离子实。离子实的质量和电荷量做相应调整；—Born-Oppenheimer绝热近似

6、：由于电子的响应速度极快，因此可以将离子的运动与电子的运动分离；—对于有电子运动与离子实运动相互耦合和离子实电子向价电子转移的情况，绝热近似不成立。离子实（原子）体系—离子实（原子）体系决定着材料中声波的传播、热膨胀、晶格比热、晶格热导率、结构缺陷等性能。—在离子（原子）体系中，粒子的运动行为是通过经典的Newton运动方程所描述。—周期排列的离子实（原子）体系的行为可以通过晶格动力学理论处理，通过晶格振动中能量量子⎯声子描述晶体的物理特性。电子体系—电子体系的薛定谔方程决定着材料的电导率、金属的热导率、超导电性、能带结构、磁学性能等等。22h21'eH=∑−∇i+∑i2m8πε0i,j

7、ri−rj21Ze−∑4πε0i,pri−Rp单电子近似—电子在周期势场中的运动h21Ze2—Hartree自洽场近似2H0=−∇−∑2m4πε0pr−Rp—密度泛函理论2—局域密度近似h2=−∇+V(r)2m—准粒子近似—能带—金属、半导体、绝缘体不完整晶体∑多晶固体—晶界∑晶体的内部缺陷—点缺陷：空位、添隙原子、替位杂质、极化子—线缺陷：刃型位错、螺旋位错—面缺陷：层错、孪晶晶界、小角晶界∑复相固体—结构相：多相混合—成分相：固