固体物理学课件.pdf

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1、前言一、固体是物质存在的基本形式之一按照物理学分类，在常温常压下,物质存在的状态分为液态、气态、固态、等离子态，对应的物资形态称为液体、气体、固体、等离子体：液态固态液体固体等离子态气态等离子体气体一定条件下,物资状态可以互相转化。近代科学研究表明，固体由大量的原子（或离子）组成，每立方厘米中大约有1023个原子。巨大数量的原子以一定的方式排列，其排列方式称为固体的微结构。微结构是研究固体材料的宏观性质和微观过程的基础。按照晶体中原子、分子微结构的有序程度，人们将固体进行以下分类：原子有序排列尺度在原子尺度（1埃=10-8厘米=0.1纳米=10-10米）（短程序）。

2、非晶体例：非晶硅晶体中的原子（离子）在整个固体中有序排列；单晶体例：单晶硅原子有序排列尺度≥10-6米（微米），长程序（远程序）固体晶体晶体中的原子（离子）在微米量级范围有序排列，形成单晶粒，整个多晶体晶体由单晶粒随机堆积而成。晶粒一种介于晶态和非晶态之间的与晶粒之间存在晶粒间界；准晶体状态。特点：具有五次旋转对例：多晶硅称轴，但没有周期性。原子（离子）在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不接触，微晶体“悬浮”在非晶组织中；例：纳米晶体、超晶格硅单晶体金刚石型结构的四面体单元：中心硅原子与周围四个最近邻硅原子各出一个电子组成共价键，组成正四面体结构。该结构是硅

3、单晶体的基本结构单元。最近邻原子（顶角）电子键长：近邻原子之间的距离中心硅原子最近邻原子顶角）键角：近邻共价键的夹角共价键最近邻原子（顶角）最近邻原子（顶角）单晶硅：原子在整个晶体中排列有序多晶硅：原子在微米数量级排列有序非晶硅：原子在原子尺度上排列有序短程序包含：1、近邻原子的种类和数目；2、近邻原子之间的距离（键长）；3、近邻原子的几何方位（键角）；第一章晶体结构晶体具有三个主要共同性质：1、原子排列长程有序（周期性）；2、外在形状的规则性（对称性）；3、各向异性；§1.1晶体结构的周期性及其分析方法一、晶体结构的周期性晶体结构的最显著特点是周期性。理想情况下，

4、晶体可以看成是由一“基本结构单元”——基元（基元：由一种原子或原子团构成的组成晶体的基本结构单元）在空间无限重复排列构成的，这种性质称为晶体结构的周期性。举例：例1：分子分子分子分子基元一种实际晶体结构示例Na+Cl-Na+周期性排列和Cl-周期性排列相间交替形成氯化钠晶体结构基元由相距半个晶格常数的氯化钠晶体结构正离子和负离子构成Cl-Cl-Cs+Cs+基元由相距1/2对角线长度的一个Cs+和Cl-组成。氯化铯晶体结构二、晶体结构周期性的描述晶体结构周期性可以用空间点、线、面、体等方式描述：1、点描述格点（基点、节点）：对基元进行数学抽象，用几何点代表基元的任一

5、点（如重心），将基元的空间周期性分布转化为几何点的空间周期性分布（点阵）。这种几何点称为格点。例1：基元格点分子分子分子分子点阵基元周期性分布例2：基元格点基元周期性分布点阵晶格：格点在空间3个方向上的周期性排列形成与晶体几何特征相同、但没有任何物理实质的三维空间网络，称为晶格或布拉菲格子（或布拉菲点阵）。a3a2a1周期：某一方向上相邻两格点的距离。基矢：从晶格中任意格点出发，沿空间任意三个不同方向的三个最小平移矢量。aaa123基矢的选择是多样的例：aa22a1223aa1a11布拉菲点阵的数学定义确定基矢后，晶格中任一格点都可

6、以用矢量：Ra2a1,0,213Rnananan112233(n,n,n,0,1,2,3,)123表示。由于格点周期性排列，从任一格点出发平移R后必然得到另一个格点，所以由上式确na3a2定的点的集合等价为布拉非格子。(0,0,0)a1R称为晶格平移矢量n2、单元体描述：固体物理学原胞定义：由基矢a,a,a为3个棱边组成的平行六面体。123a3a2a3a2a1a1性质：1、原胞有八个顶点，每个原胞包含一个格点，是最小的周期重复单元。可以平行、无交叠堆积，形成整个晶体。2、原胞体积：va(a

7、a)（矢量的混合积）1233、不同原胞中对应点物理性质V(r)相同，称为平移对称性，用晶格平移矢量表示为：V(rR)V(r)n4、原胞的选择是多样的，但体积相同。aa2122a32aa1a11威格纳-赛兹原胞（WS原胞）定义：选定一格点为中心，作该点与最邻近格点的中垂面，中垂面所围成的多面体。性质：只包含一个格点，其体积与固体物理学原胞体积相等，也是最小的周期性单元。WS原胞避免了对基矢的选择问题，与布拉菲点阵具有完全相同的对称性。WS原胞晶胞（结晶学原胞、单胞）定义：选取晶体三个不共面的对称轴（晶轴）矢量a,b,c作为坐标轴（基矢）