固体物理教程.ppt

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1、固体物理学SolidStatePhysics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：非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。短程有序性，

2、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（RenéJustHaüy，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

3、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

4、)，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

5、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。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

6、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。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五、晶体中电子能带理论四、晶体的缺陷六、自由电子论和电子的输运性质学习方法：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Carrollite硫铜钴矿Wulfenite钼铅矿蓝铜矿和孔雀石AzuritewithMalachite鱼眼石辉沸石ApophylliteandStilbiteQuartz石英Fluori

7、te萤石Dioptase绿铜矿Malachite孔雀石水砷铜铝矿和橄榄铜矿石LiroconiteandOlivenite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)RobertF.CurlH.W.KrotoR.E.Smalley富勒烯(Fullerenes)1996年R.BuckminsterFuller(1895

8、-1983)C60C70C6012个5边形20个六边形C7012个5边形20个六边形碳纳米管(CarbonNanotubes)S.Ijima,Nature358,220(1991)石墨烯(Graphene)A.K.Geim,Science306,666(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