固体物理基础概论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

固固 体体 物物 理理 基基 础础 主讲教师：孙会元主讲教师：孙会元第1页教学网页教学网页1：学院教学网站：学院教学网站进入方式进入方式2：学校主页学校主页机构设置机构设置党政机构党政机构教务处教务处网络教学平台网络教学平台课程展示课程展示物理科学与信息工程学物理科学与信息工程学院院固体物理固体物理地址：地址：http:/202.206.99.233/gtwl/kcjs.html教学网页教学网页2：教务处网络教学平台：教务处网络教学平台进入方式进入方式1：学校主页学校主页校内资源校内资源网络教学（网络教学（或或学分制选课系统学分制选课系统网络教学网络教学BB平台）平台）课程内容链接地址课程内容链接地址第2页绪绪 论论一、一、固体物理基础内容固体物理基础内容 三、怎样学好固体物理学三、怎样学好固体物理学二、固体物理基础地位二、固体物理基础地位四、参考书目四、参考书目第3页 固体固体通常指在承受切应力时含有一定程度刚通常指在承受切应力时含有一定程度刚性物质，在压强和温度一定，且无外力作用时，性物质，在压强和温度一定，且无外力作用时，它形状和体积保持不变。包含它形状和体积保持不变。包含晶体、准晶体和晶体、准晶体和非晶体非晶体。一、一、固体物理基础内容固体物理基础内容1 1概念概念 固体物理学固体物理学是研究是研究固体性质固体性质、它、它微观结构微观结构及及其各种其各种内部运动内部运动，以及这种微观结构和内部运以及这种微观结构和内部运动同固体宏观性质动同固体宏观性质关系关系学科。学科。第4页 组成组成晶态固体晶态固体粒子在空间粒子在空间周期性周期性排列排列,含含有长程序有长程序,它它对称性是破缺对称性是破缺。非晶体非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间分与晶体相反，其组成粒子在空间分布是布是完全无序完全无序或仅仅含有短程序或仅仅含有短程序,含有含有高度对高度对称性称性。准晶准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间介于晶体和非晶体之间，粒子在空间分布有序，但不含有周期性，仅仅含有长程分布有序，但不含有周期性，仅仅含有长程取取向序向序。固体物理研究对象以晶体为主。固体物理研究对象以晶体为主。第5页第6页准晶准晶第7页 2.固体物理学基本任务：固体物理学基本任务：是企图从微观上去是企图从微观上去解释固体材料宏观物性，并说明其规律。解释固体材料宏观物性，并说明其规律。固体物理固体物理是建立在周期性和单粒子近似下简是建立在周期性和单粒子近似下简单理论。单理论。3.3.固体物理学习目标：固体物理学习目标：1 1）深入熟悉以前所学理论物理（量子力学、热统等）深入熟悉以前所学理论物理（量子力学、热统等）知识作用。知识作用。2 2）固体物理基础强调对固体物理学科学方法、物理）固体物理基础强调对固体物理学科学方法、物理图象以及模型建立了解。要求掌握固体物理学基本概图象以及模型建立了解。要求掌握固体物理学基本概念、基本模型和方法并了解它们在各类技术中应用。念、基本模型和方法并了解它们在各类技术中应用。第8页 3 3）固体物理学是凝聚态物理学、微电子技术、）固体物理学是凝聚态物理学、微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科基础，所以希望经过本课程学习，掌握从事科基础，所以希望经过本课程学习，掌握从事凝聚态物理和材料物理研究工作起码基础，以凝聚态物理和材料物理研究工作起码基础，以及深入学习固体理论和凝聚态物理学所需要基及深入学习固体理论和凝聚态物理学所需要基本概念和知识。本概念和知识。4 4固体物理基本问题和研究内容固体物理基本问题和研究内容1）固体物理学基本问题固体物理学基本问题第9页简单地说，简单地说，固体物理学基本问题有固体物理学基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合？这种结构是怎样形成？在特定固体中，和结合？这种结构是怎样形成？在特定固体中，电子和原子取什么样详细运动形态？它宏观性电子和原子取什么样详细运动形态？它宏观性质和内部微观运动形态有什么联络？各种固体质和内部微观运动形态有什么联络？各种固体有哪些可能应用？怎样设计和制备自然界中不有哪些可能应用？怎样设计和制备自然界中不存在固体材料并含有奇异物性？存在固体材料并含有奇异物性？第10页2）固体物理包括内容有：）固体物理包括内容有：晶体学物理、非晶态物理、金属物理、半晶体学物理、非晶态物理、金属物理、半导体物理、相变物理、电介质物理、磁性物理、导体物理、相变物理、电介质物理、磁性物理、低温物理、高压物理、超导体物理、表面物理、低温物理、高压物理、超导体物理、表面物理、纳米电子学等。纳米电子学等。5 5固体物理建立和发展固体物理建立和发展 固体物理学科建立和发展表达在了下面几固体物理学科建立和发展表达在了下面几个方面：个方面：1 1）晶体结构认知；）晶体结构认知；第11页2 2）晶体结合认知；）晶体结合认知；3 3）晶格振动和固体比热容认识和发展；）晶格振动和固体比热容认识和发展；4 4）缺点认知；）缺点认知；5 5）固体电子论发展；）固体电子论发展；6 6）相变研究；）相变研究；7 7）固体磁性；）固体磁性；8 8）超导现象认识和发展；）超导现象认识和发展；9 9）半导体物理研究及无序系统和一些新进展）半导体物理研究及无序系统和一些新进展等等 第12页 上述不一样方面研究结果造成了固体物理诞上述不一样方面研究结果造成了固体物理诞生。生。1940 1940年，塞兹年，塞兹(Seitz)(Seitz)专著专著近代固体理论近代固体理论为以后固体物理学教材提供了样板。之后，为以后固体物理学教材提供了样板。之后，伴伴随固体物理学迅猛发展，他们从伴伴随固体物理学迅猛发展，他们从19551955年开年开始，几乎每年都要出一本始，几乎每年都要出一本固体物理学固体物理学研研究与应用进展究与应用进展，方便搜集各分支最新进展综，方便搜集各分支最新进展综述，一致连续到今天。述，一致连续到今天。我国老一辈科学家黄昆、程开甲等最早在我国老一辈科学家黄昆、程开甲等最早在国内开展了固体物理课程国内开展了固体物理课程 第13页 从固体物理发展能够看出，固体物理包含从固体物理发展能够看出，固体物理包含内容非常广泛。内容非常广泛。国内外多数固体物理教材都是按照固体物国内外多数固体物理教材都是按照固体物理发展次序编排。理发展次序编排。各章节之间缺乏联络，就好像散落珍珠一各章节之间缺乏联络，就好像散落珍珠一样，缺乏一条根本把它们串起来，这对首次接样，缺乏一条根本把它们串起来，这对首次接触固体物理学生来说，感到很迷惑，摸不着头触固体物理学生来说，感到很迷惑，摸不着头绪。绪。有没有可能找到一条根本，把散落知识点联有没有可能找到一条根本，把散落知识点联络在一起呢？络在一起呢？第14页 以以固体电子论固体电子论发展为根本能够把散落知识点联络发展为根本能够把散落知识点联络在一起。在一起。首先从金属自由电子论讲起，在领会该模型巨大首先从金属自由电子论讲起，在领会该模型巨大成功时也要知道该模型成功时也要知道该模型不足不足。并指出这些不足就是因。并指出这些不足就是因为为忽略了离子实和电子之间相互作用忽略了离子实和电子之间相互作用造成，为此必须造成，为此必须加以加以修正修正。而要考虑离子实和电子相互作用，就必须知道离而要考虑离子实和电子相互作用，就必须知道离子实在晶体中排列方式。由此引入子实在晶体中排列方式。由此引入第二章第二章晶体结构内晶体结构内容。容。有了晶体结构知识以后，就能够修改自由电子模有了晶体结构知识以后，就能够修改自由电子模型了。在周期势单电子近似下，晶体电子能谱展现能型了。在周期势单电子近似下，晶体电子能谱展现能带结构，从而引入带结构，从而引入第三章第三章能带论内容。能带论内容。第15页 在能带论讲述中，经过绝热近似使学生认识到晶在能带论讲述中，经过绝热近似使学生认识到晶格体系和电子体系能够分开处理，为格体系和电子体系能够分开处理，为第四章第四章晶格振动晶格振动打下伏笔。打下伏笔。经过晶格振动讲述引入声子概念，从而能够用电经过晶格振动讲述引入声子概念，从而能够用电子、声子来描述固体中输运问题了，这就是第五章固子、声子来描述固体中输运问题了，这就是第五章固体输运现象内容。体输运现象内容。经过金属、半导体电、热、光输运特征，尤其是经过金属、半导体电、热、光输运特征，尤其是电阻产生机制，为第六章晶体结合、晶体缺点和相图电阻产生机制，为第六章晶体结合、晶体缺点和相图引入做好铺垫。引入做好铺垫。这么，就以固体电子论发展为根本把各个知识点结这么，就以固体电子论发展为根本把各个知识点结合在了一起。合在了一起。第16页 而且从教学进度来说，采取这么体系编排，而且从教学进度来说，采取这么体系编排，科学、有效。科学、有效。因为第一、二两章内容，相对轻易了解，因为第一、二两章内容，相对轻易了解，轻易入门。而第三章能带论作为固体物理最主轻易入门。而第三章能带论作为固体物理最主要且最难内容，恰好处于一个学期中间。此时，要且最难内容，恰好处于一个学期中间。此时，学生对教师讲课格调也已经适应了，而且精力学生对教师讲课格调也已经适应了，而且精力集中，易于消化难点。集中，易于消化难点。到了期末，靠近考试了，此时介绍晶体结到了期末，靠近考试了，此时介绍晶体结合、晶体缺点等学生能够自学内容，自然轻松合、晶体缺点等学生能够自学内容，自然轻松合理。合理。第17页6.6.教材内容和课时分配教材内容和课时分配第一章第一章 金属自由电子费米气体模型金属自由电子费米气体模型(10(10课时课时)第二章第二章 晶体结构晶体结构 (19(19课时课时)第三章第三章 能带论能带论 (23(23课时课时)第四章第四章 晶格振动晶格振动 (10(10课时课时)第五章第五章 输运现象输运现象 (5(5课时课时)第六章第六章 晶体结合、晶体缺点和相图晶体结合、晶体缺点和相图(5(5课时课时)第18页7.7.教学要求教学要求 1)1)掌握金属自由电子模型内容并学会利用该模型对掌握金属自由电子模型内容并学会利用该模型对金属电、热、光等物性进行分析；金属电、热、光等物性进行分析；2)2)掌握晶体结构特点、晶格特征、晶体对称性和掌握晶体结构特点、晶格特征、晶体对称性和分类、倒格子以及分类、倒格子以及X X射线衍射；射线衍射；3)3)掌握固体能带论基本内容、布洛赫定理、会利用近掌握固体能带论基本内容、布洛赫定理、会利用近自由电子近似和紧束缚近似方法讨论能带形成；自由电子近似和紧束缚近似方法讨论能带形成；4)4)掌握一维晶体振动模式色散关系，晶格振动量子掌握一维晶体振动模式色散关系，晶格振动量子化、声子概念、会用爱因斯坦模型和德拜模型解释固化、声子概念、会用爱因斯坦模型和德拜模型解释固体比热性质以及确定振动谱试验方法；体比热性质以及确定振动谱试验方法；第19页5)5)了解固体输运现象；了解固体输运现象；6)6)掌握晶体结合类型和结合性质；掌握晶体结合类型和结合性质；7)7)掌握晶体缺点类型，晶体缺点热力学统计数目；掌握晶体缺点类型，晶体缺点热力学统计数目；8)8)了解热缺点运动、产生和复合以及缺点扩散微观了解热缺点运动、产生和复合以及缺点扩散微观机制，热缺点在外力下运动；机制，热缺点在外力下运动；9)9)了解相图了解相图 8 8 固体物理与当代科技固体物理与当代科技 第20页日本京都大学日本京都大学SPM(Scanning Probe Microscopy)精工制造精工制造第21页美国美国Veeco DI SPM SPM(Scanning Probe Microscopy)第22页第23页第24页不一样放不一样放大倍数下大倍数下蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀第25页AAO模板模板第26页超薄超薄AAO结构色结构色第27页第28页5151岁岁安德烈安德烈海姆海姆3636岁岁诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫 石墨烯石墨烯Graphene 第29页第30页曼彻斯特大学最近公布波纹式石墨烯薄片示意图曼彻斯特大学最近公布波纹式石墨烯薄片示意图这是当前这是当前世界上最世界上最薄材料，薄材料，仅有一个仅有一个原子厚，原子厚，是物理学是物理学和材料学和材料学热门话题热门话题Ultra-Thin Material 第31页超导磁悬浮超导磁悬浮 第32页Magnetic Domains by Magneto-optical Effect第33页包钴氧化铁包钴氧化铁铁合金铁合金钡铁氧体钡铁氧体CrOCrO2 20.2m第34页计算机硬盘计算机硬盘第35页计算机硬盘计算机硬盘第36页德国科学家德国科学家彼得彼得格林贝格尔格林贝格尔法国科学家法国科学家阿尔贝阿尔贝费尔费尔诺贝尔物理学奖-巨磁电阻效应（GMR)第37页第38页磁涡旋核结构磁涡旋核结构（Magnetic Vortex core)第39页Quantum Design Magnetic Property Measurement System(MPMS).第40页电子束刻蚀设备电子束刻蚀设备EB第41页 因为因为固体物理固体物理本身是本身是微电子技术、光电子微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学学技术、能源技术、材料科学等技术学科基础等技术学科基础，也因为固体物理学科内在原因也因为固体物理学科内在原因，固体物理研究固体物理研究论文已占物理学中研究论文论文已占物理学中研究论文三分之一三分之一以上以上。同同时时，固固体体物物理理学学成成就就和和试试验验伎伎俩俩对对物物理理化化学学、催催化化学学科科、生生命命科科学学、地地学学等等影影响响日日益益增加，正在形成新增加，正在形成新交叉领域交叉领域。第42页 大学物理类专业、材料类专业基础课。它大学物理类专业、材料类专业基础课。它是理论物理基础之上普通物理；是理论物理基础之上普通物理；凝凝聚聚态态物物理理专专业业主主要要基基础础课课程程；硕硕士士硕硕士和博士硕士入学必考课程；士和博士硕士入学必考课程；二、固体物理基础地位二、固体物理基础地位 是是了了解解物物体体导导电电、发发光光、发发烧烧、超超导导、磁性等基础；磁性等基础；第43页 1.1.课上认真听讲；课上认真听讲；2.2.课下注意梳理；课下注意梳理；4.4.适看成些习题适看成些习题三、怎样学好固体物理学三、怎样学好固体物理学?3 3.概念及时掌握；概念及时掌握；5.5.充分利用网络资源充分利用网络资源第44页四四、参考书目、参考书目2.2.黄黄昆昆原原著著、韩韩汝汝琦琦改改编编；固固体体物物理理学学-高高等等 教育出版社教育出版社,198819883.3.方俊鑫，陆栋；固体物理学（上册、下册）方俊鑫，陆栋；固体物理学（上册、下册）上海科技出版社，上海科技出版社，198119814.4.基泰尔（基泰尔（C.Kittel 5C.Kittel 5thth edition edition）著，杨顺著，杨顺华等译，固体物理导论，科学出版社，华等译，固体物理导论，科学出版社，197919791.1.孙会元主编，固体物理基础，科学出版社，孙会元主编，固体物理基础，科学出版社，第45页 5.5.方可方可,胡述楠胡述楠,张文彬张文彬 主编主编;固体物理学固体物理学,重重庆大学出版社庆大学出版社,199319936.6.陈陈金金福福 主主编编 固固体体物物理理学学学学习习参参考考书书 高高等教育出版社等教育出版社,198619867.7.宗宗祥祥福福，翁翁渝渝民民 编编著著，材材料料物物理理基基础础，复复旦大学出版社，旦大学出版社，.12.128.8.阎守胜阎守胜.固体物理基础固体物理基础.北京：北京大学北京：北京大学出版社出版社9.9.韦丹韦丹著，著，固体物理固体物理-清华大学出版社清华大学出版社,.6,.6第46页10.Yuri M.Galperin ，Introduction to Modern Solid State Physics，Department of Physics,P.O.Box 1048 Blindern,0316 Oslo,Room 427A Phone:[phone],11.Joseph Callaway,Quantum theory of the Solid State(student edition),AP New Yok(1976)第47页1固体物理习题详解 吴代鸣 解答kittlel，1980年，吉林人民出版社(130)2固体物理学习题指导 刘友之 等编，1988年，高等教育出版社（575）3固体物理学问题和习题 黄波 等编，1988年，国防工业出版社(530)4固体物理学习题解答 徐至中 编，1989年，上海科学技术文件出版社(方俊鑫、陆栋 上册)5固体物理概念题和习题指导 王矜奉 等编，山东大学出版社6.课后习题参考解答和自测试题解答，孙会元，学校教务处BB平台习题解答类：习题解答类：第48页 作业要按时完成。作业要按时完成。辅导地点辅导地点:田家炳楼一层最西边和旧生物楼田家炳楼一层最西边和旧生物楼106,106,时间：每七天四下午时间：每七天四下午3 3：30-30-5 5：3030物理学词典，固体物理学分册物理学词典，固体物理学分册，19881988年，科年，科学出版社（学出版社（705705）概念解答类：概念解答类：联络方式：联络方式：第49页