固体物理课件.ppt

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1、固体物理固体晶体非晶体准晶理想晶体实际晶体晶体中缺陷晶格振动与晶体的热学性质能带理论晶体中电子在电场和磁场中的运动金属电子论半导体电子论晶体结构固体的结合电子原子实原子晶格的周期性晶格共同特点——周期性，可以用原胞和基矢来描述原胞——一个晶格中最小重复单元基矢——原胞的边矢量简单晶格——由完全等价的一种原子构成的晶格复式晶格——复式晶格包含两种或两种以上的不等价原子晶格分类——三维晶格的重复单元是平行六面体第一章晶体结构1)简单立方晶格基矢原胞体积2)面心立方晶格3)体心立方晶格基矢基矢简单晶格复式格子的特点：不

2、等价原子各自构成相同的简单晶格（子晶格），复式格子由它们的子晶格相套而成NaCl晶格——Na+和Cl－各有一个相同的面心立方晶格原胞的基矢选取和面心立方相同，在每个原胞中只含一个NaCl分子。——复式格子的原胞，一个原胞中包含各种不等价原子各一个晶格周期性的描述之二——布拉伐格子简单晶格，任一原子A的位矢——布拉伐格子由确定的空间格子——晶体可以看作是在布拉伐格子（Lattice）的每一个格点上放上一组原子（Basis基元）构成的晶向、晶面和它们的标志——沿晶向到最近的一个格点的位矢——一组互质整数晶向指数——最

3、靠近原点的晶面在坐标轴上的截距——整数晶面晶向密勒指数———标记这个晶面系根据原胞基矢定义三个新的矢量——倒格子基矢量以为基矢构成一个倒格子倒格子每个格点的位置——倒格子矢量倒格子基矢的性质倒格子——倒格子与正格子间的关系1)正格子原胞体积反比于倒格子原胞体积2）正格子中一簇晶面和正交简立方晶格的倒格子是简立方;体心立方晶格的倒格子是面心立方；面心立方晶格的倒格子是体心立方.第二章固体的结合固体结合的类型——离子性结合、共价结合、金属性结合、范得瓦尔斯结合。固体结合的物理本质固体结合的基本形式与固体材料的结构

4、、物理和化学性质有密切联系原子间有相互作用，这种相互作用有吸引力和排斥力。无引力原子结合不到一起，无斥力就都聚到一起了。形成稳定晶体结构时一定是两者的平衡。结合能和内能1)概念内能（Ｕ）：所有原子相互吸引库仑能和重叠排斥能之和结合能（Ｗ）：分散原子结合成晶体放出的能量2)晶体平衡时的体积和晶格常数3)晶体的结合能晶体的结合能晶体中有N个原胞，系统的内能第三章晶格振动与晶体的热学性质晶格振动的研究——晶体的热学性质固体热容量——热运动是晶体宏观性质的表现杜隆－珀替经验规律——一摩尔固体有N个原子，有3N个振动自由度

5、，按能量均分定律，每个自由度平均热能为kT，摩尔热容量3Nk＝3R——实验表明在较低温度下，热容量随着温度的降低而下降原子的振动——晶格振动在晶体中形成了各种模式的波——简谐近似下，系统哈密顿量是相互独立简谐振动哈密顿量之和这些模式是相互独立的，模式所取的能量值是分立的用一系列独立的简谐振子来描述这些独立而又分立的振动模式，这些谐振子的能量量子，称为声子,晶格振动的总体可看作是声子的系综模型运动方程试探解色散关系波矢q范围一维无限长原子链，m，a，晶格振动波矢的数目=晶体的原胞数B--K条件波矢q取值——h为整

6、数一维晶格振动原子的振动——晶格振动在晶体中形成了各种模式的波能量本征值声子——晶格振动的能量量子；或格波的能量量子当这种振动模处于时，说明有个声子晶格振动——声子体系系统能量本征值声子数遵从玻色-爱因斯坦统计当电子或光子与晶格振动相互作用时，交换的能量以为单位，声子不是真实的粒子，称为“准粒子”，它反映的是晶格原子集体运动的激发单元。多体系统集体运动的激发单元称为元激发，声子是一种典型的元激发。金属的电阻率随着温度的升高而增大，对于金属，电阻率主要来自声子系统对电子的散射作用。晶格的热传导就是声子的扩散。一维双

7、原子链振动2n-22n2n+12n+22n-1Mma——h为整数3nN种声子3N种声学波，(3n-3)N种光学波。3nN个振动模式晶格振动的波矢数目=晶体的原胞数N，独立的振动模式数=晶体的自由度数3Nn。N是晶体的原胞个数，n是原胞内原子个数声子：晶格振动的能量量子。能量为准动量为。三维晶格振动、声子三维晶格振动长波极限下声学波代表晶体原胞的整体运动，光学波代表原子之间的相对运动晶体热容的量子理论固体的定容热容——固体内能包括晶格振动的能量和电子热运动的能量实验结果：低温下，金属的热容晶体中有3N个振动模1）爱

8、因斯坦模型假设N个原子构成的晶体，所有的原子以相同的频率0振动2）德拜模型以连续介质的弹性波来代表格波，将晶格看作是各向同性的连续介质晶格振动模式密度晶格振动模式密度——单位频率间隔，振动模式的数目2）二维1）一维第一步简化——绝热近似：离子实质量比电子大，离子运动速度慢，讨论电子问题，认为离子是固定在瞬时位置上第二步简化——利用哈特里一福克自治场方法，多电子问题简