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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,为学之道，莫先于穷理；穷理之要，必在于读书；读书之法，莫贵于,循序而致精,；而致精之本，则又在于居敬而持志。朱熹,窥天地之奥而达造化之极。,李时珍,第1页,固体物理,张英,13589030359,ss_zhangy1,第2页,主要参考书,黄昆，韩汝琦.固体物理,高教出版社.,Charles Kittel.Introduction to solid state physics.(汉字版第8版,或直接看英文原版）,方俊鑫，陆栋.固体物理学（上）,上海科学技术出版社.,阎守胜.固体物理基础,北京大学出版社.,第3页,一、固体物理学研究对象,绪 论,固体结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以说明其性能和用途。,固体物理是固体材料和器件基础学科，是,新材料,、,新器件,生长点,。,固体是由大量原子（或离子）组成，10,23,个原子/cm,3,。,固体结构就是指这些原子排列方式。,第4页,固体分类,晶 体:规则结构，分子或原子按一定周期性排列。,长程有序性,，有固体熔点。E.g.水晶,岩盐,非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定周期性。,短程有序性,，没有固定熔点。玻璃 橡胶,准晶体:有长程取向序，有准周期性，但无长程周期性,。,没有缺点和杂质晶体叫做理想晶体。缺点:缺点是指微量不规则性。,第5页,规则网络,无规网络,晶体,非晶体,第6页,准 晶,Al,65,Co,25,Cu,10,合金,无平移同期性但有位置序晶体就被称为准晶体，能够用,Penrose,拼接图案显示其结构特点。,第7页,Penrose拼接图案,准晶体,第8页,二、固体物理学发展历史,18世纪阿羽依，规则几何外形 内部规则性,1850年，布拉伐（Bravais）提出空间点阵学说，提供了经验规律。,20世纪初，在,X射线衍射试验,和量子力学理论基础上，建立了固体电子态理论和晶格动力学。(声子、等离激元、固体磁性、超导、缺点影响半导体电学、发光学等性质、非晶态固体物理、表面物理、准晶固体物理),1912年劳厄发觉X射线经过晶体衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列结构。,1913年布喇格（Bragg）父子建立了晶体结构分析基础。,二次大战后,中子衍射技术,是晶体结构及磁性晶体结构分析主要伎俩。,70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术。,近年来发展扫描隧道显微镜（STM），含有相当高分辨率。,第9页,某种型号扫描隧道显微镜,1993年Eigler等在铜Cu表面上成功地移动了101个吸附铁原子，这是首次用原子写成汉字,。,1994年中科院北京真空物理试验室庞世谨等，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。,第10页,新试验条件和技术日新月异，为固体物理不停开拓出新研究领域。,极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备新技术、同时辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术,等当代化试验伎俩，使固体物理性质研究不停向深度和广度发展。,因为固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科基础，也因为固体物理学科内在原因，,固体物理研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上,。同时，固体物理学成就和试验伎俩对化学物理、催化学科、生命科学、地学等影响日益增加，正在形成新交叉领域。,第11页,三、学科领域,形成许多分支学科。,固体物理,晶格理论,电子理论,输运理论,固体物理分论：,晶格结构,晶格动力学,晶格热力学,实际晶格理论,理想晶格,能带理论（包含电磁场中电子运动）,金属中自由电子气,功函数、接触电势等,：电子与晶格相互作用,半导体、磁学、超导等,第12页,本课程学习内容:,一、晶体结构,二、晶体结合,三、晶格振动与晶体热学性质,四、晶体缺点,五、晶体中电子能带理论,六、自由电子论和电子输运性质（仅1-2节）,第13页,第一章 晶体结构,第14页,晶体所含有自发地形成封闭凸多面体能力称为自限性。（能量最小）,2.晶体解理性:,晶体沿一些确定方位晶面劈裂性质，称为晶体解理性，这么晶面称为,解理面,。,1,a,b,c,d,2,1.自限性:,1.1,晶体共性,长程有序（略）,第15页,晶面交线称为,晶棱,，晶棱相互平行晶面组合称为,晶带,，如右图中,a,，,1,，,b,，,2。,1,a,b,c,d,2,相互平行晶棱共同,方向,称为该晶带,带轴,，,晶轴,是主要带轴。如右图中,OO,第16页,3.晶面角守恒定律：,属于同一品种晶体，两个对应晶面间夹角恒定不变。,石英晶体：,a,、,b,间夹角总是,14147,；,a,、,c,间夹角总是,11308,；,b,、,c,间夹角总是,12000,。,第17页,4.晶体各向异性,在不一样方向上，晶体物理性质不一样。,由右图能够看出，在不一样方向上晶体中原子排列情况不一样，故其性质不一样。,5.晶体对称性:,晶体在某几个特定方向上能够异向同性，这种相同性质在不一样方向上有规律地重复出现，称为,晶体对称性,。,第18页,6.晶体固定熔点:,给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定熔点。,第19页,晶体为何含有这些宏观特征呢?,晶体宏观特征是由晶体内部结构周期性决定,即晶体宏观特征是微观特征反应。(阿羽依),自限性、晶面角守恒、解理性、晶体各向异性、晶体对称性、固定熔点。,晶体宏观特征：,第20页,1.,元素晶体,二维,二维密排,堆积,二维正方,堆积,1.2,密堆积,密堆积：,假如晶体由,完全相同,一个粒子组成，而粒子被看作小圆球，则这些全同小圆球,最,紧密,堆积,称为,密堆积,。,配位数Z：,一个粒子周围,最近邻粒子数,称为,配位数,.,它能够描述晶体中粒子排列紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大。,配位数Z为,配位数Z为,4,6,第21页,a.较涣散堆积,体心立方（body-centered cubic,bcc,）,堆积,简单立方（simple cubic,sc,）堆积,经典晶体：Li、Na、K、,-Fe,三维,（,bcc,）配位数为,8,。,sc配位数为,6,二维正方,堆积,特点：沿体对角线原子相切。,注意原子半径与立方体边长之间关系。,第22页,面心立方（face-centered cubic,fcc,）堆积 排列方式：A,B,C,A,B,C,(立方密堆积),经典晶体：Cu、Ag、Au、Ca、Sr、Al、,b.,密堆积,：,fcc,配位数为,12,；（三种方法）,第23页,经典晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti,密排六方（hexagonal close-packed,hcp,）,堆积,排列方式：,A,B,A,B,A,B,(,六方密堆积),hcp,配位数为,12,；,第24页,第25页,第26页,经典晶体：金刚石、Si、Ge,c.金刚石结构,：,金刚石,配位数为,4,；,金刚石结构,第27页,2.简单化合物晶体,NaCl,结构,经典晶体：NaCl、LiF、KBr,第28页,CsCl结构,经典晶体：CsCl、CsBr、CsI,第29页,闪锌矿结构,许多主要半导体化合物都是闪锌矿结构。,经典晶体：ZnS、CdS、GaAs、-SiC,在晶胞顶角和面心处原子与体内原子分别属于不一样元素。,第30页,1,.2 晶格周期性,一、晶格与布拉伐格子,晶格：,晶体中原子（或离子）排列详细形式。,2.布拉伐格子(空间点阵）,布拉伐格子：一个数学上,抽象,，是,点,在空间中周期性规则排列,。,基元：每一个格点所代表物理实体。,格点：空间点阵中周期排列几何点。全部点在化学、物理和几何环,境上完全相同。,第31页,布拉伐格子一共有14 种。,sc,bcc,fcc,立方晶系布拉伐格子,第32页,实际晶格=布拉伐格子+基元,若格点上基元只包含一个原子，那么晶格为,简单晶格,。,若格点上基元包含两个或两个以上原子（或离子），那么晶格为,复式晶格,。,晶格中,全部原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同。,简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组成晶格却不一定是简单晶格。如,金刚石,和,hcp,晶格都是复式晶格。,第33页,SC +双原子基元,fcc+双原子基元,复式晶格,由同种原子组成金刚石晶格也是复式晶格。,第34页,A类碳原子共价键方向,B类碳原子共价键方向,第35页,hcp也是复式晶格。,复式晶格包含多个等价原子，不一样等价原子简单晶格相同。复式晶格是由等价原子简单晶格嵌套而成。,第36页,R,l,0,a,1,a,2,二、基矢和原胞,第37页,2.基矢：,任一格矢 ，,1.格矢:,假如全部,l,1,、,l,2,和,l,3,均为整数，则称这组坐标基,、,和,为基矢。,对于一个空间点阵，基矢选择不是唯一，能够有各种不一样选择方式。,第38页,R,l,0,a,1,a,2,第39页,原胞体积：,原胞,空间点阵,最小重复单元,每个空间点阵原胞中只含有,一个格点,对于同一空间点阵，原胞有各种不一样取法（,Wigner-Seitz原胞,），但,原胞体积均相等,空间点阵原胞,晶格原胞 空间点阵原胞基元,第40页,Wigner-Seitz原胞（对称原胞）,第41页,引入Wigner-Seitz原胞原因,优点：,（1）Wigner-Seitz原胞本身保持了布拉伐格子对称性；,（2）该取法今后要用到。,缺点,：,（1）Wigner-Seitz原胞体积等计算不方便；,（2）平移对称性反而不直观。,第42页,基元中原子数目能够是一个，也能够是多个。基元中第j个原子中心位置相对于一个格点，能够表示为：,第43页,晶胞,除了周期性外，每种晶体还有自己特殊,对称性,。为了同时反应晶格对称性，往往会取最小重复单元一倍或几倍晶格单位作为原胞。结晶学中惯用这种方法选取原胞，故称为,结晶学原胞，简称晶胞,（也称为单胞）。,例：二维三角晶格,第44页,晶胞三个棱边矢量用 ，表示，称为轴矢（或晶胞基矢），其长度a，b，c称为晶格常数。,下面对结晶学中属于立方晶系布拉格原胞简立方、体心立方和面心立方固体物理原胞进行分析。,sc,晶胞：,基矢,体积,原胞：,基矢,体积,第45页,bcc,原子个数,2,晶胞：,基矢,体积,第46页,原胞：,基矢,体积,原子个数,1,由一个顶点向三个体心引基矢。,第47页,bcc原胞示意图,第48页,原子个数,4,晶胞：,基矢,体积,fcc,第49页,原胞：,基矢,体积,原子个数,1,由一个顶点向三个面心引基矢。,第50页,hcp,二者之间夹角为120,0,第51页,堆积系数,晶 胞 体 积,晶胞中原子所占体积,fcc结构,a,每个晶胞有 81/8+61/2=4个原子,第52页,一、晶列,晶列：相互平行直线系。,1,.3,晶列和晶面指数,晶体性质各向异性，表明晶体结构含有方向性。,第53页,晶列特点,（1）一族平行晶列把全部格点包含无遗。,（2）在一平面中，同族相邻晶列之间距离相等。,（3）经过一格点能够有没有限 多个晶列，其中每一晶列都有一族平行晶列与之对应。,（4）有没有限多族平行晶列。,二、晶向,原子沿晶向到最近邻为,(、为互质整数）,晶向记为,称为晶列指数。,第54页,三、晶面,晶面 晶体内三个非共线结点组成平面。,在一晶面外过其它格点作一系列与原晶面平行晶面，可得到一组等距晶面，各晶面上结点分布情况是相同。这组等距晶面称为一族晶面。,面间距同族晶面中，相邻两晶面距离。,（晶面概念是以格点组成相互平行平面，再组成晶体。）,第55页,通惯用,密勒指数,来标识不一样晶面。,确定密勒指数步骤：,1）选任一结点为原点，作 、轴线。,2）求出晶面族中离原点最近第一个晶面在 、,、轴上截距 、。,3）将 、取倒数并化为互质整数 、,，则 即为密勒指数。,第56页,例：立方晶系几个晶面,第57页,第58页,第59页,第60页,第61页,第62页,1.4 倒格子,为了以后计算上方便，我们引入一个新概念倒格子。,倒格子并非物理上格子，只是一个数学处理方法，它在分析与晶体周期性相关各种问题中起着主要作用。,第63页,一、倒格子定义,假设晶格原胞基矢为 、，原胞体积为 ，建立一个实空间，其基矢为,由这组基矢组成格子称为对应于以 、,为基矢正格子倒易格子(简称倒格子），、称为倒格子基矢。,第64页,从数学上讲，倒易点阵和布喇菲点阵是相互对应傅里叶空间。,倒易空间格矢量：,第65页,例1：简立方格子倒格子。,例2：,二维四方格子，其基矢为 。,此时可假设一个垂直于平面单位矢量,再计算,、。,第66页,二、倒格子基矢性质,1、正倒格子基矢关系,(为倒格子原胞体积。）,2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数(2),3,倍。,3、倒格矢 是晶面指数为 所对应,晶面族法线。,4、倒格矢 与晶面间距 关系为,5、正格矢 与倒格矢 关系,（m为整数）,第67页,推论：,1、假如有一矢量与正格矢点乘后等于2整数,倍，这个矢量一定是倒格矢。,2、假如有一矢量与正格矢点乘后为一个没有量纲,数，这个矢量一定能在倒空间中表示出来。,第68页,倒格矢性质：,1）,是密勒指数为 所对应晶面族法线,。,2）,条件：不包含体心和面心一切晶胞。,3）,其中,所以倒格矢 能够代表 晶面。,第69页,简单三斜,简单单斜,底心单斜,返回,第70页,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,返回,第71页,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,返回,第72页,简单立方,体心立方,面心立方,返回,第73页,返回,第74页,
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