固体物理学1晶体结构.docVIP

绪 论 固体物理学 Solid state physics 固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的粒子的运动形态及其相互关系的科学。 固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。 固体物理学研究和发展 简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。 在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体。早在18世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。后来，布喇菲在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。 20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了 X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。 晶体内部的微观运动：经典的金属电子论，维德曼-夫兰兹定律量子统计理论 在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带：能带理论 固体比热容问题：点阵动力学 相变：相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。 缺陷：控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。 非晶态固体 超导电现象：超导物理学。 本课程的内容结构 晶体的结构 晶体的结合 晶体振动与晶体热力学 晶体的缺陷 晶体中电子能带理论 自由电子论 电子的输运性质 参考资料 1 《固体物理基础》 阎守胜 北京大学出版社 2000 2 《固体物理学》 黄昆 韩汝琦 高等教育出版社 1988 3 《固体物理学》 陈长乐 西北工业大学出版社 1998 4 《固体物理基础》 王淑华 济南大学出版社 1998 5《Introduction to Solid Physics》C.H. Kittel 6th Ed 1986 第一章 晶体的结构 1-1 晶体的共性 一 固体的分类 晶体: 长程有序 单晶体 多晶体 非晶体: 不具有长程序的特点,短程有序。 长程有序:至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。 固体分类(按结构) 晶体的分类 按晶胞分: 立方晶系 六方晶系 四方晶系 三方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系 二 晶体的共性 1.长程有序: 至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。 2.自限性(自范性)：晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为自限性。 晶面角守恒定律： 属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。 例如：石英晶体 a、b 间夹角总是141o47′； a、c 间夹角总是113o08′； b、c 间夹角总是120o 3.晶体的各向异性： 在不同方向上，晶体的物理性质不同。 晶体的均匀性:在晶体内部平行方向上质点的物理性质相同。 晶体的解理性:晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，这样的晶面称为解理面。 4.固定的熔点: 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，即晶体有固定的熔点。 熔解热用来破坏长程有序。 晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。 1-2 密堆积 1.密堆积 把原子视为刚性小球，在一个平面内最简单堆积形成正方排列，把他们层层重合堆积就构成简单立方结构。 若简单立方结构空隙内放入同样的原子球与最近邻的八球相切，就构成体心立方结构单元。 以上两种堆积不是最紧密的，最紧密的堆积原子球必须与同一平面内相邻的6个原子球相切。这样的原子面称为密排面。 如果晶体由完全相同的一种粒子组成，而粒子被看作小圆球，则这些全同的小圆球最紧密的堆积称为密堆积。 密堆积中，原子球必须与同一平面内相邻的6个原子球相切构成密排面，相邻原子层也必须是密排面，原子球心必须与相邻原子层空隙重合。 (1)六角密积 第三层原子球心落在第二层的空隙上，且与第一层球平行对应，形成ABABAB······排列方式。 (2)立方密积 第三层原子球心落在第二层空隙上，且该空隙也与第一层空隙重合，而第四层又恢复成第一层的排列，即按ABCABCABC······方式排列，形成面心立方结构，称为立方密积。 第一层：每个球与6个球相切，有6个空隙，如编号为,2,3,4,5 第二层：占据1，3，5空位中心。 第三层：占据2，4，6空位中心，按ABCABCAB