固体物理学固体物理学湘潭大学物理系湘潭大学物理系E-mail：lijinxtu.edu.cnPhone：15573237949平时成绩平时成绩（30%）成绩成绩考试成绩考试成绩（70%）作业完成情况作业完成情况20%课堂回答问题课堂回答问题5%到课情况到课情况5%作业每个星期五下午作业每个星期五下午6点之前交到物理楼点之前交到物理楼515固体物理学1.固体物理学固体物理学 黄昆黄昆 韩汝琪，高等教育出版社韩汝琪，高等教育出版社2. Introduction to Solid State PhysicsSeventh Edition CHARLES KITTEKL, John Wiley3. 固体物理学固体物理学 方俊鑫方俊鑫 陆栋陆栋, 上海科学技术出版社上海科学技术出版社 4. 固体物理学固体物理学 顾秉林顾秉林 王喜昆，清华大学出版社王喜昆，清华大学出版社 5. 固体物理学固体物理学学习参考书学习参考书 陈金富，高等教育出版社陈金富，高等教育出版社6. 固体物理基础固体物理基础 阎守胜，北京大学出版社阎守胜，北京大学出版社7. 固体能带理论固体能带理论 谢希德谢希德 陆栋，复旦大学出版社陆栋，复旦大学出版社绪绪 论论 一、一、 固体物理的研究对象固体物理的研究对象 研究固体结构及其组成粒子研究固体结构及其组成粒子( (原子、离子、电子原子、离子、电子) )之间之间 相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科固体分类固体分类 晶体晶体 原子按一定的原子按一定的周期排列周期排列规则的固体（长程有序）规则的固体（长程有序）天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶非晶体非晶体 原子的排列没有明确的周期性（短程有序）原子的排列没有明确的周期性（短程有序）玻璃、橡胶、塑料玻璃、橡胶、塑料 物质存在状态：固态、液态、气态和等离子态等物质存在状态：固态、液态、气态和等离子态等固体的分类固体的分类长程有序：周期性，理想的晶体可以看成是由一些基本结构单元(基元原子、原子团)在空间重复排列而成。晶体的共性晶体的共性不同原子构成的晶体，性质不同不同原子构成的晶体，性质不同 硅硅(半导体半导体)和铜和铜(导体导体)都是面心立方结构，但是电子性质完全不同都是面心立方结构，但是电子性质完全不同同种原子组成的不同结构的晶体，性质不同同种原子组成的不同结构的晶体，性质不同 (同素异构体同素异构体)在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体时对应一定的熔点在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体时对应一定的熔点石墨石墨金刚石金刚石C:1s22s22p21.553.56导电导电 疏松疏松范德瓦尔斯范德瓦尔斯sp2杂化杂化sp3绝缘体绝缘体 硬度高硬度高共价键共价键自限性：晶体所具有的自发形成封闭多面体的能力自限性：晶体所具有的自发形成封闭多面体的能力晶体的解理性：晶体沿着某些确定方位晶体的解理性：晶体沿着某些确定方位 晶面劈裂的性质晶面劈裂的性质(解理面解理面)。 晶体在外力作用晶体在外力作用(如敲打、挤压如敲打、挤压)下沿特定的结晶下沿特定的结晶 方向裂开成较光滑断面。方向裂开成较光滑断面。 解理性主要决定于晶体结构，若晶体内结合力不止解理性主要决定于晶体结构，若晶体内结合力不止 一种，解理时断裂的是最弱的化学键或结合力。一种，解理时断裂的是最弱的化学键或结合力。赤铜矿晶体赤铜矿晶体(八面体和菱形十二面体聚八面体和菱形十二面体聚形形) 产地法国产地法国绿色柱状祖母绿绿色柱状祖母绿晶体产地摩洛晶体产地摩洛哥哥晶面角守恒性晶面角守恒性晶晶体体具具有有固固定定的的熔熔点点：当当给给某某种种晶晶体体加加热热，当当加加热热到到一一定定温温度度的的时时候候，晶晶体体才才是是熔熔化化，并并且且在在熔熔化化的的过过程程中中其其温温度度不不变变，直直到到晶晶体体全全部部熔熔化化，温度才开始上升。温度才开始上升。各向异性：各向异性： 对称性：对称性： 晶体在某些特定的方向具有晶体在某些特定的方向具有 各向异性，但这些性质在不同各向异性，但这些性质在不同 的方向上有规律地重复出现。的方向上有规律地重复出现。扶手型扶手型锯齿型锯齿型雪花具有六角对称性石墨烯：2004年发现 2010年诺贝尔物理学奖H 非晶体非晶体 不具备长程有序特点不具备长程有序特点 在凝结过程中不经过结晶的阶段，非晶体中分子与在凝结过程中不经过结晶的阶段，非晶体中分子与 分子的结合是无规则的分子的结合是无规则的 Be2O3晶体与晶体与Be2O3玻璃的内部结构玻璃的内部结构H 多晶体多晶体 由两个以上的同种或异种单晶组成的由两个以上的同种或异种单晶组成的 结晶物质，各单晶通过晶界结合在一起结晶物质，各单晶通过晶界结合在一起 准晶体准晶体 1984 年年Shechtman用快速冷却方法制备的用快速冷却方法制备的 AlMn准晶，结构有别于晶体和非晶体准晶，结构有别于晶体和非晶体 多多晶晶由由成成千千上上万万的的晶晶粒粒构构成成，尺尺寸寸大大多多在在厘厘米米级级至至微微米级范围内变化，没有单晶所特有的米级范围内变化，没有单晶所特有的各向异性各向异性特征特征H 单单晶晶体体 晶晶体体形形成成过过程程首首先先要要成成核核，然然后后生生长长，这这个个过过程程叫叫晶晶粒粒的的成成核核长长大大。晶晶粒粒内内分分子子、原原子子都都是是有有规规则则地地排列的，所以一个晶粒就是单晶。排列的，所以一个晶粒就是单晶。准晶体准晶体 1984年年Shechtman用用快速冷却方法制备的快速冷却方法制备的AlMn合金合金理想晶体理想晶体 内在结构完全规则的固体内在结构完全规则的固体_完整晶体完整晶体实际晶体实际晶体 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则固体中或多或少地存在有不规则性，在规则 排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体 电子衍射图中具有五重对称电子衍射图中具有五重对称 的斑点分布的斑点分布 介于晶体和非晶体之间的新介于晶体和非晶体之间的新 的状态的状态 准晶态准晶态二二 固体物理的发展过程固体物理的发展过程 晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间 有一定联系有一定联系; ;晶体外形的规则性是内部规则性的反映晶体外形的规则性是内部规则性的反映 十七世纪，十七世纪，惠更斯惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的以椭球堆积的模型来解释方解石的 双折射性质和解理面双折射性质和解理面 十八世纪，十八世纪，阿羽依阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平认为晶体由一些坚实、相同的平 行六面形的小行六面形的小基石基石”有规则地重复堆集而成的有规则地重复堆集而成的 十九世纪中叶，十九世纪中叶，布拉伐布拉伐发展了空间点阵学说发展了空间点阵学说 概括了晶格周期性的特征概括了晶格周期性的特征 十九世纪末叶，十九世纪末叶，费多洛夫费多洛夫，熊夫利熊夫利、巴罗巴罗等独立地发等独立地发 展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据究晶体结构的规律提供了理论依据,并积累了大量的并积累了大量的 实验事实和经验规律。实验事实和经验规律。 描述晶体比热描述晶体比热_杜隆珀替杜隆珀替定律定律 描述金属导热和导电性质的描述金属导热和导电性质的魏德曼佛兰兹魏德曼佛兰兹定律定律 二十世纪初，二十世纪初，特鲁德特鲁德和和洛伦兹洛伦兹建立了经典金属自由电子建立了经典金属自由电子 论，对固体认识进入一个新的阶段论，对固体认识进入一个新的阶段 1912年，年，劳厄劳厄指出晶体可以作为指出晶体可以作为X射线的衍射光栅，射线的衍射光栅， 证实了空间群理论。证实了空间群理论。 爱因斯坦爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论 费米费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向过程指出了方向 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学 量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间一类固体，其导电性质介于两者之间_半导体半导体 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管出现并制成了晶体三极管_ 产生了半导体物理产生了半导体物理 1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器 件不断地提出新要求件不断地提出新要求人们对固体的认识：由表及里，由宏观到微观，人们对固体的认识：由表及里，由宏观到微观， 由定性到定量，由现象到本质。由定性到定量，由现象到本质。三三 固体物理的学科领域固体物理的学科领域 高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体 电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响 一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质 发光等材料的各种性质发光等材料的各种性质 强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下 材料表现出的各种现象材料表现出的各种现象 探索新材料和设计新器件探索新材料和设计新器件 超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论、超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论、 光与物质相互作用等光与物质相互作用等 发展制备材料和器件的新工艺和新理论发展制备材料和器件的新工艺和新理论 固体物理学负担着众多的理论课题固体物理学负担着众多的理论课题固体物理领域固体物理领域金金属属物物理理半半导导体体物物理理晶晶体体物物理理磁磁学学电电介介质质物物理理液液晶晶物物理理固固体体发发光光超超导导体体物物理理固固态态电电子子学学固固态态光光电电子子学学固固体体光光谱谱强强关关联联物物理理纳纳米米物物理理表表面面物物理理介介观观物物理理四四 固体物理的研究方法固体物理的研究方法 固固体体物物理理是是一一门门实实验验性性学学科科 为为阐阐明明固固体体表表现现出出的的现现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论固固体体是是一一个个复复杂杂的的客客体体 每每一一立立方方米米中中包包含含有有约约10102929个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强固体的宏观性质固体的宏观性质 就是大量粒子之间的相互作用和集就是大量粒子之间的相互作用和集体运动的总表现体运动的总表现1. 根根据据晶晶体体中中原原子子规规则则排排列列的的特特点点，建建立立晶晶格格动动力力学学理理论论，引入声子概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱引入声子概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱2. 金金属属的的研研究究 抽抽象象出出电电子子公公有有化化的的概概念念，再再用用单单电电子近似的方法建立子近似的方法建立能带理论能带理论3. 物物质质的的铁铁磁磁性性 研研究究了了电电子子与与声声子子的的相相互互作作用用，阐阐明低温磁化强度随温度变化的规律明低温磁化强度随温度变化的规律4. 超导超导的理论的理论 研究电子和声子的相互作用，形成库研究电子和声子的相互作用，形成库柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变固体物理学固体物理学主要内容：主要内容：主要内容回顾：主要内容回顾：1、固体的分类、固体的分类2、晶体的概念、晶体的概念3、晶体的特征、晶体的特征 4、初步了解固体物理、初步了解固体物理