固体物理一 绪论(2014-2015-2)
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固体理论讲义0-绪论
固体理论讲义一序论1.什么是固体固体是由大量原子所结合而成的不会流动的宏观体系。
从导电性讲：导体、半导体、绝缘体。
从晶格结构讲：晶态、准晶、非晶态、无系玻璃态。
3.元激发的概念T=0 K时，固体的基态不仅是能量最低的状态，而且还是某种有序态。
从微观角度分析，实验上所测得的宏观属性是固体在外扰动作用下从基态跃迁到激发态时所产生的响应。
对于能量靠近基态的低激发状态，往往可看作成是一些独立基本激发单元的集合，它们具有确定的能量和波矢，这些基本激发单元就是元激发，有时也称为准粒子。
4.元激发的分类元激发大体可分为两类：一类是集体激发的准粒子：声子、磁振子、等离激元等，表现为序参量的微小涨落。
这类元激发一般为波色子。
另一类元激发是个别激发：极化子、金属中的屏蔽电子或准电子。
4．固体理论的基本任务在于从微观上解释固体的各种特性，阐明其规律。
固体理论的主要方法为量子场论的方法。
借助于元激发的引入，可以使复杂的多体问题简化为接近于理想气体的准粒子系统，从而使低激发态的描述变得十分简单。
解释固体的实验测量特性问题归结为求解在给定外扰动作用下互作用系统的元激发问题，这是固体量子论的中心课题。
5.固体理论的讲授内容（1）周期性结构：正格矢、倒格矢、布里渊区。
（2）声子：晶格动力学、声学模、光学模、极化激元。
（3）磁振子：海森伯模型、铁磁自旋理论、反铁磁自旋理论。
（4）等离激元：等离激元和准电子、介电函数。
（5）电声子相互作用：（6）超导电性的微观理论：BCS理论。
（7）氧化物高温超导体（8）能带理论：（9）极化子理论：大极化子与小极化子。
（10）激子理论：瓦尼尔-莫特激子、夫伦克耳激子。
（11）强关联电子体系（12）无系系统连续介质近似：连续介质近似是将整个固体系统看作一宏观意义下的均匀介质，不考虑原子及晶格结构的具体细节。
绝热近似：考虑到离子实的质量比较大，离子运动速度相对慢，位移相对小，在讨论电子问题时，可以认为离子是固定在瞬时的位置上，这样，多种粒子的问题就简化成多电子问题。
固态电子论-绪论
绪 论 23
克里斯蒂安· 惠更斯
(Christiaan Huygens)
1629—1695, 荷兰物理学家、天文学家、数学家，对力学 的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方 面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。 他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。 惠更斯出生于海牙，父亲是大臣和诗人，与笛卡儿等学界 名流交往甚密。他自幼聪慧，13岁时曾自制一台车床，表 现出很强的动手能力，善于把科学实践和理论研究结合起 来，透彻地解决问题，因此在摆钟的 发明、天文仪器的 设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。 他一心致力于科学事业，终生未婚。
12
（3）光学特性
CdS光敏电阻
（4）磁敏感特性
霍尔效应 磁阻效应 （5）压阻特性
B
Q
V
绪 论
13
4、半导体科学发展史
二十世纪三十年代以前：经验科学
1833年
法拉第发现ZnS电阻变化负温度系数 1874年 德国布劳恩发现PbS整流效应 1904年 点接触二极管检波器用于高频电磁接收
绪 论
8
固体物理学的发展历程：
二十世纪近代物理学的发展，使对固体的认识进 入了新阶段：
1912年，劳厄提出晶体可作为X射线的衍射光栅，实验
证明了阿羽衣、布喇菲等的“空间点阵学说”的正确； 同时，量子理论的发现使对晶体内部微观粒子的运动 研究更深入。如，爱因斯坦引进了量子化概念来研究 晶格振动；索末菲发展了固体量子论；费米发展了统 计理论。 三-四十年代，固体物理领域开始形成多个学科分支： 金属物理、半导体物理、晶体物理和晶体生长、磁学 等。
6
三、固态电子论发展历程
克里斯蒂安· 惠更斯
(Christiaan Huygens)
1629—1695, 荷兰物理学家、天文学家、数学家，对力学 的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方 面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。 他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。 惠更斯出生于海牙，父亲是大臣和诗人，与笛卡儿等学界 名流交往甚密。他自幼聪慧，13岁时曾自制一台车床，表 现出很强的动手能力，善于把科学实践和理论研究结合起 来，透彻地解决问题，因此在摆钟的 发明、天文仪器的 设计、弹性体碰撞和光的波动理论等方面都有突出成就。 他一心致力于科学事业，终生未婚。
12
（3）光学特性
CdS光敏电阻
（4）磁敏感特性
霍尔效应 磁阻效应 （5）压阻特性
B
Q
V
绪 论
13
4、半导体科学发展史
二十世纪三十年代以前：经验科学
1833年
法拉第发现ZnS电阻变化负温度系数 1874年 德国布劳恩发现PbS整流效应 1904年 点接触二极管检波器用于高频电磁接收
绪 论
8
固体物理学的发展历程：
二十世纪近代物理学的发展，使对固体的认识进 入了新阶段：
1912年，劳厄提出晶体可作为X射线的衍射光栅，实验
证明了阿羽衣、布喇菲等的“空间点阵学说”的正确； 同时，量子理论的发现使对晶体内部微观粒子的运动 研究更深入。如，爱因斯坦引进了量子化概念来研究 晶格振动；索末菲发展了固体量子论；费米发展了统 计理论。 三-四十年代，固体物理领域开始形成多个学科分支： 金属物理、半导体物理、晶体物理和晶体生长、磁学 等。
6
三、固态电子论发展历程
固体物理教学大纲课程名称固体物理课程性质专业必修课
固体物理教学⼤纲课程名称固体物理课程性质专业必修课《固体物理》教学⼤纲⼀、课程名称：固体物理⼆、课程性质：专业必修课三、课程教学⽬的：（⼀）课程⽬标：通过固体物理学课程的学习，使学⽣树⽴起晶体内原⼦、电⼦等微观粒⼦运动的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒⼦的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系，深刻理解晶体宏观性能的微观物理本质，为进⼀步学习和研究固体物理学各种专门问题及相关领域的内容建⽴初步的理论基础。
（⼆）教学⽬标：第⼀章晶体结构【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶格结构的实例、⾮晶态和准晶态的特征；理解和掌握晶体结构的周期性特征及其描述⽅法；理解和掌握晶体结构的对称性特征及其描述⽅法；理解和掌握倒格⼦的定义及其与正格⼦的关系；熟悉有关晶体结构的基本分析与计算。
借助于多媒体展⽰，使学⽣建⽴起晶体结构特征的直观图像。
第⼆章晶体的结合【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶体结合⼒的⼀般性质；掌握晶体的结合类型与特征；理解元素和化合物晶体结合的规律性；掌握离⼦晶体的结合能、体积弹性模量的计算；掌握范德⽡⽿斯晶体的结合能、体积弹性模量的计算。
在教学中，能够使学⽣认识到吸引与排斥的⽭盾的差别和对⽴统⼀是认识与理解固体的结合规律与性质的关键，培养学⽣的辩证思维能⼒。
第三章晶格振动与晶体的热学性质【教学⽬标】通过本章的教学，能够使学⽣理解简谐近似、格波概念、声⼦概念；理解玻恩-卡曼边界条件；了解三维格波的⼀般规律、晶格振动的⾮简谐效应；了解确定晶格振动谱的实验⽅法；掌握⼀维单原⼦、双原⼦晶格振动的格波解与⾊散关系；掌握晶格振动模式密度的计算⽅法；理解晶格热容量的量⼦理论、掌握爱因斯坦模型与德拜模型；理解格林爱森近似、掌握晶格状态⽅程。
结合例题分析和习题训练，提⾼学⽣分析问题和解决问题的能⼒。
第四章能带理论【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解布洛赫定理及其推论的证明，掌握晶体能带的基本特征；熟悉克龙尼克—潘纳模型的求解与结论；熟悉布⾥渊区、费⽶⾯等基本概念；了解平⾯波⽅法、赝势⽅法；掌握近⾃由电⼦近似⽅法及其结论；掌握紧束缚近似⽅法的运⽤；掌握能态密度的计算⽅法。
固体物理第一讲 绪论PPT课件
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，
在于晶体结构的观察方面有所进步。近年来发展
的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表
面的原子结构。
• 晶体的结构以及它的物理、化学性质 同晶体结合的基本形式有密切关系。通常 晶体结合的基本形式可分成：离子键合、 金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳 斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分 析晶体的物理、化学性质，或者依据晶体 价电子的局域密度分布的自洽理论计算， 人们可以准确地判定该晶体具有何种键合 形式。
(二)、固体物理的发展史
几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开
始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术， 人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质， 并用之于绘画、装饰等。
1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角 形；
1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着 温度的升高而下降；
阿拉克西曼德：万物是由无数的原始物质构成的。 阿拉克西美尼：万物的本质是空气。 赫拉克里特：万物的本质是火，火与其他物类的混合物，一
般都以我们可以感知气味的其他物类来命名，但是火本身 是不变的因素。 埃姆毕多克拉斯：万物是由水、气、火、土组成。
• 巴门尼德： 宇宙中只有一个永恒的存在，像一个充实的
固体物理学
第一讲 绪论
• 一：固体物理学 • 二：发展史 • 三：当前研究的热点和前沿 • 四：本课程的主要讲解内容 • 五、参考书籍
一：固体物理学
固体物理学是研究固体物质的物理 性质、微观结构、构成物质的各种粒 子的运动形态，及其相互关系的科学。 它是物理学中内容极丰富、应用极广 泛的分支学科。
融汇了力学、热力学与统计物理学、 电动力学、量子力学和晶体学等多学 科的知识。
固体物理绪论
9. 混沌现象
10. 同步辐射
11. 原子显微镜、原子探针
12. 金属氢〔T<20k,液态； T<14k，固态；常温下加压也 可为固态〕——储氢材料
13. 氧化物超导体〔86年诺贝尔奖〕〔中国的最高温超导 为90K〕
14. 分形和分维〔自相似〕 15. 准晶〔晶体——长程有序，准晶——有短程序、无长
艾尔伯·费尔
皮特·克鲁伯格
2021年：日本科学家南部阳一郎，表彰他发现了亚 原子物理的对称性自发破缺机制。日本物理学家小 林诚，益川敏英提出了对称性破坏的物理机制，并 成功预言了自然界至少三类夸克的存在。
小林诚 益川敏英 南部阳一郎
2021年：英国籍华裔物理学家高锟因为“在光学通信领域 中光的传输的开创性成就〞 而获奖；美国物理学家韦拉 德·博伊尔〔Willard S.Boyle〕和乔治·史密斯〔George E.Smith〕因“创造了成像半导体电路——电荷藕合器件图 像传感器CCD〞 获此殊荣。
理物理
物 理 光 物 子 电 谱物
理
理
理学 子
理
学
外介纳
表观米
物物物
理理理
四、近10年来的诺贝尔物理学奖情况
2000年：阿尔费罗夫〔俄国〕、克罗默〔德国〕提出异层构造
理论，并开发了异层构造的快速晶体管、激光二极管；杰
克·基尔比〔美国〕创造集成电路 阿尔费罗夫用克罗默的理论，
于 1966 年 研 制 出 第 一 个 实 用 的
2. 金属的研究 —— 抽象出电子公有化的概念，再用单电 子近似的方法建立能带理论
3. 物质的铁磁性 —— 研究了电子与声子的相互作用，说 明低温磁化强度随温度变化的规律
4. 超导的理论 —— 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
孙会元主编固体物理基础序言PPT学习教案
第1页/共10页
热导系数K 、扩散系数D 、电导系数取决于 晶体的内禀性质.输运理论的任务就是要从微观 上揭示这些唯象系数与内禀性质的关系.
Ju KT Jn Dn
Je E
唯象关系
上述唯象关系的形式意味着输运过程是一个 扩散过程.因而,输运过程中粒子会在漂移的过 程中不断受到碰撞,不会简单的从一端径直到达 另一端.
第5页/共10页
非平衡分布函数 fn(r,k ,t) 的定义是在t时刻 ，在单位体积晶体内位置r 附近找到一个波矢k为 的电子的几率。也就是说， 对于单位体积的样
品，fn (r , k ,t)drdk / 8 3 为时刻t, 在第n个能带
中，在r , k处drdk 相空间体积内一种自旋的平均
电子数。在本章中仅考虑一个能带，也就是导带
中的情况。因而可以去掉带指标n. 借助于分布函数，电流密度(单位时间内垂
直通过单位面积的载流子(电子或空穴)数)可以 表示为更普遍的一种形式。
第6页/共10页
则电流密度借助于分布函数的表达式：
Je
2e
f
1
8 3
dt
drdk
2e
dr dt
f
1
8 3 dk
1
4
3
ev(k ) fdk;
其中v(k )相当于群速度。
数、电荷数等广延量的流动.
假设沿晶体的某个方向存在温度梯度T、浓
度梯度n 、电势梯度 =-E,则输运过程中的热
流通量Ju、粒子流通量Jn 、电流通量Je 等与相 应的梯度之间存在如下的唯象关系:
Ju KT
--热导现象,K为热导系数
Jn Dn
--扩散现象,D为扩散系数
Je E --电导现象,为电导系数
固体物理I绪论
固体物理 I
朱满康
王 波
zhumk@ wangbo@
什么是固体物理学?
固体物理学(凝聚态物理学)
研究固体的结构及其物理性质的物理学分支学科 主要研究固体的原子结构以及固体中电子与原子、 电子与电子、原子与原子之间的各种相互作用和由 这些相互作用决定的固体材料的各种性质。
石 墨 金刚石 石墨烯
They are all just carbon!
通过学习，了解为什么一种碳物质(石墨) 是金属性，一种碳物质 (金刚石) 是绝缘性的，而另一种碳(石墨烯)呈现半导体特性 通过学习，理解这些差别产生的物理起源---物质结构
5
学习意义与方法
理解课程的重要性
固体物理是基础理论学科与应用学科之间的桥梁，是一门实验与 理论相结合的科学 固体材料的性质是现代社会和技术的核心 IT技术(计算机、通讯等)和电子工业的发展是基于对一些特殊材 料的调制而取得的
《辞海》
凝聚态物理学，相对于固体物理学，是更为合适的 名称
许多与固体相关的一些概念也可适用于液体.
2
固体物理学的目的
了解固体材料的性质及发生相互作用，人们通 过薛定谔(Schrö dinger)方程，预测固体材料的性质.
了解决定固体行为的基本定律.
晶体结构↔衍射行为 晶格振动↔ Debye热容理论 导电性能↔能带理论
3
研究对象
课程主要讨论的对象是晶态固体：
具有有序重复排列原子结构的固体
许多重要的固体是晶态的.
晶态材料的计算和表征更为容易，理解晶态 固体的行为获得的进展远大于非晶态固体.
朱满康
王 波
zhumk@ wangbo@
什么是固体物理学?
固体物理学(凝聚态物理学)
研究固体的结构及其物理性质的物理学分支学科 主要研究固体的原子结构以及固体中电子与原子、 电子与电子、原子与原子之间的各种相互作用和由 这些相互作用决定的固体材料的各种性质。
石 墨 金刚石 石墨烯
They are all just carbon!
通过学习，了解为什么一种碳物质(石墨) 是金属性，一种碳物质 (金刚石) 是绝缘性的，而另一种碳(石墨烯)呈现半导体特性 通过学习，理解这些差别产生的物理起源---物质结构
5
学习意义与方法
理解课程的重要性
固体物理是基础理论学科与应用学科之间的桥梁，是一门实验与 理论相结合的科学 固体材料的性质是现代社会和技术的核心 IT技术(计算机、通讯等)和电子工业的发展是基于对一些特殊材 料的调制而取得的
《辞海》
凝聚态物理学，相对于固体物理学，是更为合适的 名称
许多与固体相关的一些概念也可适用于液体.
2
固体物理学的目的
了解固体材料的性质及发生相互作用，人们通 过薛定谔(Schrö dinger)方程，预测固体材料的性质.
了解决定固体行为的基本定律.
晶体结构↔衍射行为 晶格振动↔ Debye热容理论 导电性能↔能带理论
3
研究对象
课程主要讨论的对象是晶态固体：
具有有序重复排列原子结构的固体
许多重要的固体是晶态的.
晶态材料的计算和表征更为容易，理解晶态 固体的行为获得的进展远大于非晶态固体.
固体物理绪论
25
4.布拉菲 “空间点阵”学说。 布拉菲 空间点阵”学说。 十九世纪中叶，布拉菲发展了“空间点阵” 十九世纪中叶，布拉菲发展了“空间点阵”学说概 括了晶格周期性的特征。 括了晶格周期性的特征。 5.特鲁德 洛伦兹经典自由电子模型 特鲁德—洛伦兹经典自由电子模型 特鲁德 洛伦兹经典自由电子模型(1900年)。 年。 二十世纪初特鲁德和洛伦兹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。 子论，对固体认识进入一个新的阶段。 特鲁德—洛伦兹模型成功的解释了描述晶体比热的 特鲁德 洛伦兹模型成功的解释了描述晶体比热的 杜隆－珀替定律。 杜隆－珀替定律。 6.晶体微观结构及对称性。 晶体微观结构及对称性。 晶体微观结构及对称性 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地 发展了关于晶体微观几何结构的理论体系， 发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。
16
(3)气体 气体 气体没有一定的形状和体积， 气体没有一定的形状和体积，粒子排列没有一定的 规律。 规律。 (4)固体 固体 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状，粒子间 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状， 作用力很大，粒子间的排列可分为两种情况： 作用力很大，粒子间的排列可分为两种情况：长程有序 和短程有序。 和短程有序。 长程有序是指 是指10 量级以上排列有序； ①长程有序是指 2～103nm量级以上排列有序； 量级以上排列有序 短程有序是指 是指10 以下量级排列有序。 ②短程有序是指 1 nm以下量级排列有序。 以下量级排列有序
18
例如：自然界中的盐岩(NaCl晶体 、 金刚石 、 水晶 、 晶体)、 例如 ： 自然界中的盐岩 晶体 金刚石、水晶、 白宝石(Al 刚玉晶体)等 人工拉制的硅单晶、 白宝石 2O3刚玉晶体 等 。 人工拉制的硅单晶 、 铜单晶 等。 近乎完整的晶体有： 红宝石(Al 近乎完整的晶体有 ： 红宝石 2O3 晶体中掺有少量 的铬离子Cr 。 的铬离子 3+)。 (2)非晶体 非晶体 原子(离子或分子 的排列没有一定的周期性的固体 原子 离子或分子)的排列没有一定的周期性的固体 离子或分子 称为非晶体，又称为非晶态。其结构是长程无序 长程无序而 称为非晶体 ， 又称为非晶态 。 其结构是 长程无序 而 短程 有序。 有序。 例如：玻璃、塑料、 例如：玻璃、塑料、橡胶和人工生产的非晶态金属 材料。 材料。
4.布拉菲 “空间点阵”学说。 布拉菲 空间点阵”学说。 十九世纪中叶，布拉菲发展了“空间点阵” 十九世纪中叶，布拉菲发展了“空间点阵”学说概 括了晶格周期性的特征。 括了晶格周期性的特征。 5.特鲁德 洛伦兹经典自由电子模型 特鲁德—洛伦兹经典自由电子模型 特鲁德 洛伦兹经典自由电子模型(1900年)。 年。 二十世纪初特鲁德和洛伦兹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。 子论，对固体认识进入一个新的阶段。 特鲁德—洛伦兹模型成功的解释了描述晶体比热的 特鲁德 洛伦兹模型成功的解释了描述晶体比热的 杜隆－珀替定律。 杜隆－珀替定律。 6.晶体微观结构及对称性。 晶体微观结构及对称性。 晶体微观结构及对称性 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地 发展了关于晶体微观几何结构的理论体系， 发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。
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(3)气体 气体 气体没有一定的形状和体积， 气体没有一定的形状和体积，粒子排列没有一定的 规律。 规律。 (4)固体 固体 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状，粒子间 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状， 作用力很大，粒子间的排列可分为两种情况： 作用力很大，粒子间的排列可分为两种情况：长程有序 和短程有序。 和短程有序。 长程有序是指 是指10 量级以上排列有序； ①长程有序是指 2～103nm量级以上排列有序； 量级以上排列有序 短程有序是指 是指10 以下量级排列有序。 ②短程有序是指 1 nm以下量级排列有序。 以下量级排列有序
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例如：自然界中的盐岩(NaCl晶体 、 金刚石 、 水晶 、 晶体)、 例如 ： 自然界中的盐岩 晶体 金刚石、水晶、 白宝石(Al 刚玉晶体)等 人工拉制的硅单晶、 白宝石 2O3刚玉晶体 等 。 人工拉制的硅单晶 、 铜单晶 等。 近乎完整的晶体有： 红宝石(Al 近乎完整的晶体有 ： 红宝石 2O3 晶体中掺有少量 的铬离子Cr 。 的铬离子 3+)。 (2)非晶体 非晶体 原子(离子或分子 的排列没有一定的周期性的固体 原子 离子或分子)的排列没有一定的周期性的固体 离子或分子 称为非晶体，又称为非晶态。其结构是长程无序 长程无序而 称为非晶体 ， 又称为非晶态 。 其结构是 长程无序 而 短程 有序。 有序。 例如：玻璃、塑料、 例如：玻璃、塑料、橡胶和人工生产的非晶态金属 材料。 材料。
固体物理学 绪论
2
绪论
固体物理
固体物理学 固体物理学的发展历史
阿羽依 规则几何外形 ↔ 内部规则性 十九世纪中叶，布拉伐（Bravais）提出空 间点阵学说，提供了经验规律。 1912年劳厄发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部 原子周期性排列的结构。 1913年布喇格（Bragg）父子建立了晶体结构分析的基础。
固 体 物 理
晶格动力学 理想晶格 晶格理论 晶格热力学 实际晶格理论 能带理论（包括电磁场中的电子运动） 电子理论 金属中的自由电子气 功函数、接触电势等 输运理论 ：电子与晶格的相互作用 固体物理分论: 半导体、磁学、超导、非线性光学
7
固体物理
固体物理学
本课程学习内容
1、描述晶体周期性的基本方法，典型的晶格结构。 2、固体的结合力（四种）
3
固体物理
固体物理学 魏德曼-弗兰兹定律表征金属导电率和导热率之间的关系。
为金属电子论打下了基础。 20世纪初，在X射线衍射实验和量子力学理论的基础上，建 立了固体的电子态理论和晶格动力学。 二次大战后的中子衍射技术是晶体结构及磁性晶体结构分析的 重要手段。
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术。
固体物理
固体物理学
固体物理学
1
固体物理
固体物理学
研究对象： • 固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、 电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能 和用途。固体性质：力学、电学、磁学、热学、光 学。 固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原 子 /cm3 。固体结构就是指这些原子的排列方式。晶 体特点：有序。 • 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新 材料、新器件的生长点。
3、晶格动力学
4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气）
绪论
固体物理
固体物理学 固体物理学的发展历史
阿羽依 规则几何外形 ↔ 内部规则性 十九世纪中叶，布拉伐（Bravais）提出空 间点阵学说，提供了经验规律。 1912年劳厄发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部 原子周期性排列的结构。 1913年布喇格（Bragg）父子建立了晶体结构分析的基础。
固 体 物 理
晶格动力学 理想晶格 晶格理论 晶格热力学 实际晶格理论 能带理论（包括电磁场中的电子运动） 电子理论 金属中的自由电子气 功函数、接触电势等 输运理论 ：电子与晶格的相互作用 固体物理分论: 半导体、磁学、超导、非线性光学
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固体物理
固体物理学
本课程学习内容
1、描述晶体周期性的基本方法，典型的晶格结构。 2、固体的结合力（四种）
3
固体物理
固体物理学 魏德曼-弗兰兹定律表征金属导电率和导热率之间的关系。
为金属电子论打下了基础。 20世纪初，在X射线衍射实验和量子力学理论的基础上，建 立了固体的电子态理论和晶格动力学。 二次大战后的中子衍射技术是晶体结构及磁性晶体结构分析的 重要手段。
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术。
固体物理
固体物理学
固体物理学
1
固体物理
固体物理学
研究对象： • 固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、 电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能 和用途。固体性质：力学、电学、磁学、热学、光 学。 固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原 子 /cm3 。固体结构就是指这些原子的排列方式。晶 体特点：有序。 • 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新 材料、新器件的生长点。
3、晶格动力学
4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气）
固体物理基础学：第一讲 绪论
第一讲 绪论
前言-固体物理的伟大成就
固体物理领域获得诺贝尔奖的工作
1.
1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究
2.
1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论
3.
1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论
4.
1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电
流的性质，即约瑟夫森效应
5.
1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究
6.
1985年：冯·克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术
固体物理基础
课程特点
理解基本的物理概念 弄清基本的物理图像 以上课所讲PPT内容为主 不管公式的推导，强调物理的逻辑 考试：
期末70％＋作业20％＋考勤10％
授课安排
绪论及晶体结构（3次课） 固体的结合 （1次课） 晶格振动 （2次课） 能带论（1次课） 半导体电子论（4次课） 固体的磁性和超导电性（2次课） 量子霍尔效应专题（1次课） 固体物理前沿热点研究讲座（1次课） 复习答疑（1次课）
19世纪中叶，布拉菲：空间点阵学说，概括晶格周 期性
19世纪末，费多洛夫，熊夫利等独立发展晶体微观 几何结构理论体系
固体物理发展历程
物理规律
19世纪末，经验规律：杜隆-珀替定律（晶体比热） ，魏德曼-佛兰兹定律（金属导热导电）
20世纪初，特鲁德 &洛仑兹:金属自由电子论 1912，劳厄：X射线衍射研究晶体结构，证实空间群
(完整版)固体物理学绪论
➢ 准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向 有准周期性，但无长程周期性
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
晶
非
体
晶 体
规则网络
无规网络
准晶
Al65Co25Cu10合金
二、固体物理学的发展历史
阿羽依
规则几何外形 ↔ 内部规则性
十九世纪中叶，布拉伐（Bravais） 提出空间点阵学说，提供了经验规律。
2） Ghkl
2
d hkl
条件：不包括体心和面心的一切晶胞。
3） Rl Ghkl 2 m
其中
Rl
ma
nb
lc
所以倒格矢 Ghkl 可以代表（h，k，l）晶面。
简单三斜
简单单斜
底心单斜
返回
简单正交 底心正交
体心正交
面心正交
返回
简单六方 简单四方
2 ij
2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数的 (2π)3 倍。
* (2 )3
( * b1 (b2 b3 ) 为倒格子原胞体积。）
3、倒格矢
Kh
是晶面指数为（h1，h2，h3）所对应的
晶面族的法线。
4、倒格矢
Kh
与晶面间距
d 关系为 h1h2h3
dh1h2h3
第一章 晶体结构
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
晶
非
体
晶 体
规则网络
无规网络
准晶
Al65Co25Cu10合金
二、固体物理学的发展历史
阿羽依
规则几何外形 ↔ 内部规则性
十九世纪中叶，布拉伐（Bravais） 提出空间点阵学说，提供了经验规律。
2） Ghkl
2
d hkl
条件：不包括体心和面心的一切晶胞。
3） Rl Ghkl 2 m
其中
Rl
ma
nb
lc
所以倒格矢 Ghkl 可以代表（h，k，l）晶面。
简单三斜
简单单斜
底心单斜
返回
简单正交 底心正交
体心正交
面心正交
返回
简单六方 简单四方
2 ij
2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数的 (2π)3 倍。
* (2 )3
( * b1 (b2 b3 ) 为倒格子原胞体积。）
3、倒格矢
Kh
是晶面指数为（h1，h2，h3）所对应的
晶面族的法线。
4、倒格矢
Kh
与晶面间距
d 关系为 h1h2h3
dh1h2h3
第一章 晶体结构
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
固体物理
固体物理学之所以重要，因为它还是自然科学和现代工 业技术之间的桥梁。 在固体物理学 固体物理学的基础下，发展了半导体学 磁学 衍射 半导体学、磁学 固体物理学 半导体学 磁学和衍射 学，酝酿了新的技术革命的核心，成为了现代电子工业的基 础。 固体物理的实验和理论研究， 固体物理的实验和理论研究，是20世纪电子革命的科学 世纪电子革命的科学 基础。 基础
1960年7月出现的红宝石激光器就是由红宝石脉冲改造而 成的。 激光技术的发展又对固体的电光、声光和磁光器件不断 地提出新要求。 光纤通讯技术的出现又提出了发展集成光路的要求，预 计集成光路的发展又将引导光电子计算技术和光信息处 理的新方向。
固体物理学、尖端技术和其他学科的发展相互推动、相辅 相成的作用，反映在上述的固体新材料与新元件的发展和 使用上。 新技术和其他学科的发展，也为固体物理学提供了空前的 研究条件。
金属晶格结构在周期表中的分布
1-1 晶格及其周期性
一个平面内原子规则排列的一种最简单的形式，可以 形象地称为正方排列 正方排列。 正方排列 如果把这样的原子层叠起来。各层的球完全对应，就 形成所谓简单立方晶格 简单立方晶格。 简单立方晶格
例如：高速飞行火箭导弹、原子反应堆等需要耐高温、 耐辐射、强度高、质地轻的固体材料，人们通过对钛、 钒、锆、钼、钽等的研究，研制出了耐熔合金。 为了获得高纯度、高熔点的材料，相应地发展了真空感 应熔炼、区域熔炼技术。 为了获得性能优异的单晶，发展了晶体生长技术。
为了获得超硬材料，发展了超高压技术，制备了人造金刚 石和立方氮化硼晶体。 超快速、超小型电子计算技术、遥感技术等对固体元件不 断地提出了新要求，促使人们利用固体内部电子运动的复 杂规律，制造出了许多新的元件，例如：半导体元件、铁 氧体元件、磁膜、磁泡、铁电元件、超导元件等集成电路 等。
固体物理 绪论
(三)固体物理的学科领域 随着生产及科学的发展,固体物理领域已经形成了象金属物 理,半导体物理,晶体物理和晶体生长,磁学,电介质(包括液 晶)物理,固体发光,超导体物理,固态电子学和固态光电子学 等十多个子学科.同时固体物理的本身(内核)又在迅速发展中. 主要有: (1)研究固体中的元激发及其能谱以更深入,更详细地分析 固体内部的微观过程,揭示固体内部的微观奥妙. (2)研究固体内部原子间结合力的综合性质与复杂结构的关 系,掌握缺陷形成和运动以及结构变化(相变)的规律,从而发 展多功能的复合材料以适应新的需要. (3)研究在极低温,超高压,强磁场,强辐射条件下固体的 性质. (4)表面物理----在研究体内过程的基础上进入了固体表面 (界面)的研究. (5)非晶态物理----在研究晶态的基础上开始进入非晶态的研 究,即非晶体中原子,电子的微观过程.
绪论 (一)固体物理学的研究对象 固体物理是研究固体的结构及其组成粒子(原 子,离子,电子等)之间相互作用与运动规律以阐 明其性能与用途的学科. 固体按结构分类: 体按结构分类: 1,晶体(晶态):规则结构,长程有序 2,非晶体(非晶态):无明确周期性,短程有序 3,准晶体(准晶):同时具有长程准周期性平移 序和晶体学不允许的长程取向对称性
(四)固体物理学的研究方法 固体物理学主要是一门实验性学科.但是, 为了阐明所揭示出来的现象之间的内在的本质联 系,就必须建立和发展关于固体的微观理论,实 验工作与理论工作之间要相互密切配合,以实验 促进理论,以理论指导实验,相辅相成,相得益 彰.
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(二)固体物理学的发展过程 人们很早注意到晶体具有规则性的几何形状.还发现晶体外形的对称性和其 他物理性质之间有一定联系,因而联想到晶体外形的规则性可能是内部规则性的 反映. 十七世纪C.Huygens试图以椭球堆集的模型来解释方解石的双折射性质和解 理面.十八世纪R.J.Hauy认为方解石晶体是由一些坚实的,相同的,平行六面体 的小"基石"有规则地重复堆集而成的.到十九世纪,费多洛夫,熊夫利,巴罗 等独立地发展了关于晶体微观几何结构的理论系统,为进一步研究晶体机构的规 律提供了理论依据.1912年劳埃首先提出晶体可以作为X射线的衍射光栅.索末 菲发展了固体量子论,费米发展了统计理论. 在这些研究的基础上,逐渐地建立了固体电子态理论(能带论)和晶格动力 学.固体的能带论提出了导电的微观机理,指出了导体和绝缘体的区别,并断定 有一种固体,它们的导电性质介乎两者之间,叫半导体.四十年代末,五十年代 初,以锗,硅为代表的半导体单晶的出现并以此制成了晶体三极管,进而产生了 半导体物理,这标志着固体物理学发展过程的又一次飞跃. 为了适应微波低噪音放大的要求,曾经出现过固体量子放大器(脉泽), 1960年出现的第一具红宝石激光器就是由红宝石脉泽改造而成的. 可以说,固体物理学,尖端技术和其他学科的发展,相互推动,相辅相成的 作用,反映在上述的固体新材料与新元件的发现和使用上.新技术和其他学科的 发展,也为固体物理学提供了空前有利的研究条件.
高二物理竞赛固体物理学绪论课件
正四面体结构。该结构是硅单晶体的基本结构单元。
电子
最近邻原子（顶角）
最近邻原子顶角）
中心硅原子 共价键
键长：近邻原子之间的距离 键角：近邻共价键的夹角
最近邻原子（顶角）
最近邻原子（顶角）
单晶硅：
原子在整个晶体中排列有序
Байду номын сангаас
多晶硅：
原子在微米数量级排列有序
非晶硅：
原子在原子尺度上排列有序
短程序包含： 1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）；
范围有序排列，形成单晶粒，整个
准晶体
一种介于晶态和非晶态之间的 状态。特点：具有五次旋转对 称轴，但没有周期性。
多晶体 晶体由单晶粒随机堆积而成。晶粒
与晶粒之间存在晶粒间界；
例：多晶硅
微晶体
原子（离子）在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不接触， “悬浮”在非晶组织中；
例：纳米晶体、超晶格
硅单晶体金刚石型结构的四面体单元： 中心硅原子与周围四个最近邻硅原子各出一个电子组成共价键，组成
1、点描述
格点（基点、节点）：对基元进行数学抽象，用几何点代表基元的任一点（如重心）， 将基元的空间周期性分布转化为几何点的空间周期性分布（点阵）。这种几何点称为格点。
例1：
分子
分子
基元
格点
分子
分子
基元周期性分布
点阵
例2：
基元
格点
基元周期性分布
点阵
1原、子原在子整排个列晶长体程中有排序列（有周C序期l-性）；
按照物理学分类，在常温常压下,物质存在的状态分为液态、气态、固态、等 离子态，对应的物资形态称为液体、气体、固体、等离子体：
电子
最近邻原子（顶角）
最近邻原子顶角）
中心硅原子 共价键
键长：近邻原子之间的距离 键角：近邻共价键的夹角
最近邻原子（顶角）
最近邻原子（顶角）
单晶硅：
原子在整个晶体中排列有序
Байду номын сангаас
多晶硅：
原子在微米数量级排列有序
非晶硅：
原子在原子尺度上排列有序
短程序包含： 1、近邻原子的种类和数目； 2、近邻原子之间的距离（键长）； 3、近邻原子的几何方位（键角）；
范围有序排列，形成单晶粒，整个
准晶体
一种介于晶态和非晶态之间的 状态。特点：具有五次旋转对 称轴，但没有周期性。
多晶体 晶体由单晶粒随机堆积而成。晶粒
与晶粒之间存在晶粒间界；
例：多晶硅
微晶体
原子（离子）在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不接触， “悬浮”在非晶组织中；
例：纳米晶体、超晶格
硅单晶体金刚石型结构的四面体单元： 中心硅原子与周围四个最近邻硅原子各出一个电子组成共价键，组成
1、点描述
格点（基点、节点）：对基元进行数学抽象，用几何点代表基元的任一点（如重心）， 将基元的空间周期性分布转化为几何点的空间周期性分布（点阵）。这种几何点称为格点。
例1：
分子
分子
基元
格点
分子
分子
基元周期性分布
点阵
例2：
基元
格点
基元周期性分布
点阵
1原、子原在子整排个列晶长体程中有排序列（有周C序期l-性）；
按照物理学分类，在常温常压下,物质存在的状态分为液态、气态、固态、等 离子态，对应的物资形态称为液体、气体、固体、等离子体：
《固体物理一绪论》PPT课件
绪论：三、固体物理学及其发展史
与此同时，* Heisenberg, *Wigner, *Mott, *朗道， 夫伦克尔，佩尔斯，*肖特基，*范弗莱克等当时一流 的理论物理学家都曾投入到固体理论的研究中并取得 了丰富的成果。
赛兹1940年出版的《现代固体理论》一书, 标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论 的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）
5. 光学材料非线性研究 励强华教授
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
6. 热电材料研究 胡建民教授、曲秀荣老师 7. 非晶和液体性质的研究 孙民华教授 8. 半导体光电子材料；光催化研究 李林、徐玲玲老师 9. 半导体材料电子结构、输运性质的第一性原理计算
尹海涛教授、牛丽老师
绪论：五、本课程的主要内容
Seitz F, Modern Theory of Solids, McGraw-Hill 1940
绪论：三、固体物理学及其发展史
晶格结构
晶格理论
晶格动力学 晶格热力学
理想晶格
固 体 物
电子理论
实际晶格理论 能带理论 金属中的自由电子气
理
功函数、接触电势等
输运理论 ：电子与晶格的相互作用
固体物理分论 半导体、磁学、超导、非线性光学
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
1. 磁性超晶格及多层膜的物理性质研究；光子晶体的磁性研究
王选章教授、付淑芳、李华、周胜老师
2. 半导体纳米材料及其应用；
复合氧化锌超晶格纳米线制备及 TFT研制
张喜田教授、高红教授
3. 光电子技术应用 孙文军教授
4. 量子光学；固体发光
吕树臣教授、孟庆裕、孙江亭老师
第一章 晶体结构与X射线衍射 第二章 晶体的结合 第三章 晶格振动和固体的热学性质 第五章 金属的自由电子理论 第六章 能带理论
固体物理学课程综述
固体物理学课程综述固体物理学是20世纪物理学发展最快的一门学科，几十年来，以固体物理学的能带理论为基础，科学家在半导体、激光、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破，有关研究成果已经迅速转化为生产力，并带动了整个信息科学技术群的高速发展。
第一章、晶体结构1、晶体的宏观特性1、长程有序：晶体内部的原子的排列是按照一定得规则排列的。
这种至少在微米级范围内的规则排列称为长程有序。
长程有序是晶体材料具有的共同特征。
在熔化过程中，晶体长程有序解体时对应一定得熔点。
2、自限性与解理性：晶体具有自发形成封闭多面体的性质称为晶体的自限性。
晶体外形上的这种特性是晶体内部原子有序排列的反应。
一个理想完整的晶体，相应地晶体面具有相同的面积。
晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质称为晶体的解理性，相应地晶面称为解理面。
3、晶面角守恒：由于生长条件的不同，同一种晶体外形会有一定得差异，但相应的两晶面之间的夹角却总是恒定的。
即属于同种晶体的两个对应晶面之间夹角恒定不变的规律称为晶面守恒定律。
4、各向异性：晶体的物理性质在不同方向上存在着差异的现象称为晶体的各向异性。
晶体的晶面往往排列成带状，晶面间的交线互相平行，这些晶面的组合称为晶带，晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。
由于各向异性，在不同带轴方向上，晶体的物理性质是不同的。
晶体的各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性。
因此对于一个给定的晶体，其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率等一般不再是一个确定的常数。
通常要用张量来表述。
2、固体物理学原胞（原胞）与布拉维原胞（晶胞、结晶学原胞）的区别答：晶格具有三维周期性，因此可取一个以结点为顶点、边长分别为3个不同方向上的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性，这个体积最小的重复单元称为固体物理学原胞，简称原胞。
在同一晶格中原胞的选取不是唯一的，但他们的体积都是相等的。
为了反映周期性的同时，还要反映每种晶体的对称性，因而所选取的重复单元的体积不一定最小。
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固体物理学
•任课教师：牛丽 •学生： 2012级 物理 2-3班 4-5班
•QQ群：341339638 哈师大物理讨论群
•教材：《固体物理学教程》胡建民
•课时：56学时
•时间：周二、周五；1-2节 3-4节
•地点： A319 A304
固体物理
1 物理与电子工程学院
固体物理学——绪论
一、物质的四态
物理与电子工程学院
物理与电子工程学院
4.பைடு நூலகம்量子光学；固体发光
5. 光学材料非线性研究 励强华教授
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
6. 热电材料研究 胡建民教授、曲秀荣老师 7. 非晶和液体性质的研究 孙民华教授 李林、徐玲玲老师
8. 半导体光电子材料；光催化研究
9. 半导体材料电子结构、输运性质的第一性原理计算 尹海涛教授、牛丽老师
绪论：一、物质的四态
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
Al65Co25Cu10合金
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
1. 固体物理学
研究内容：
结构影响性质——碳家族
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
碳家族
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
碳原子的三种杂化形态
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
2. 固体物理学发展历程
固体物理学作为一门近代科学始于20世纪初，虽 然晶体学的研究有着悠久的历史，19世纪末就已经建 立起了完整的对称性理论，但只是在1912年Laue发现 了晶体的X射线衍射现象后，晶体结构的研究才得以 证实，并从此具备了实验研究固体微观结构的条件。 20世纪初量子论，特别是量子力学的逐步建立使 正确解释已经发现的关于固体性质的规律成为可能。 自此之后的几十年是创立固体理论的辉煌时期：
固体物理分论 半导体、磁学、超导、非线性光学
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
1.固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。 2.固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中 得到广泛应用，成为众多学科的共同财富。 3.固体物理是物质结构中最丰富的层次，因而构成了 对于人类智力的巨大挑战，60多年来的新发现不断 涌现，使之对高新技术发展的推动势头不但不减， 在新世纪反而变得更加突出。
Seitz F, Modern Theory of Solids, McGraw-Hill 1940
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
晶格结构 理想晶格 晶格动力学 晶格热力学 实际晶格理论 能带理论 金属中的自由电子气
晶格理论
固 体 物 理
电子理论
功函数、接触电势等 输运理论 ：电子与晶格的相互作用
物理与电子工程学院
固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展
固体
晶体
非晶体
准晶体
纳米材料
团簇材料
超晶格
目前固体物理的研究已经从传统的晶状固体拓展到 非晶固体、薄膜和细小粒子体系、以及量子流体， 这一更宽的研究领域人们称之为凝聚态物理学 Solid State Physics Condensed matter Physics
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
*Einstein 1907 和Debye 1912，建立了固体比热的量 子理论，解释了低温比热为什么低于Doulong-Petit 值。
*Born和Karman 1912首次采用周期性边界条件处 理了三维晶格振动问题，建立了晶格动力学理论。
Sommerfeld 1928 采用Fermi统计，用量子论的观 点修正了经典电子论。 *Bloch 1928 近似求解周期势场中的Schrö dinger方 程，引入了能带的概念。Wilson 1931利用能带观点解 释了半导体的导电现象，提出了空穴的概念。Brillouin , Seitz, Slater等人相继进行研究，从而逐步完善了能带 论。
物理与电子工程学院
绪论：五、本课程的主要内容
第一章 晶体结构与X射线衍射 第二章 晶体的结合
第三章 晶格振动和固体的热学性质
第五章 金属的自由电子理论
第六章 能带理论 固 体 物 理
原子理论：晶体结构、晶体结合、晶格振动、 缺陷
电子理论：经典自由电子理论、量子的自由电 子理论、能带理论 物理与电子工程学院
物理与电子工程学院
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
1. 磁性超晶格及多层膜的物理性质研究；光子晶体的磁性研究 王选章教授、付淑芳、李华、周胜老师 2. 半导体纳米材料及其应用； 复合氧化锌超晶格纳米线制备及 TFT研制
张喜田教授、高红教授
3. 光电子技术应用 孙文军教授 吕树臣教授、孟庆裕、孙江亭老师
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绪论：三、固体物理学及其发展史
与此同时，* Heisenberg, *Wigner, *Mott, *朗道， 夫伦克尔，佩尔斯，*肖特基，*范弗莱克等当时一流 的理论物理学家都曾投入到固体理论的研究中并取得 了丰富的成果。
赛兹1940年出版的《现代固体理论》一书, 标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论 的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）
•任课教师：牛丽 •学生： 2012级 物理 2-3班 4-5班
•QQ群：341339638 哈师大物理讨论群
•教材：《固体物理学教程》胡建民
•课时：56学时
•时间：周二、周五；1-2节 3-4节
•地点： A319 A304
固体物理
1 物理与电子工程学院
固体物理学——绪论
一、物质的四态
物理与电子工程学院
物理与电子工程学院
4.பைடு நூலகம்量子光学；固体发光
5. 光学材料非线性研究 励强华教授
绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
6. 热电材料研究 胡建民教授、曲秀荣老师 7. 非晶和液体性质的研究 孙民华教授 李林、徐玲玲老师
8. 半导体光电子材料；光催化研究
9. 半导体材料电子结构、输运性质的第一性原理计算 尹海涛教授、牛丽老师
绪论：一、物质的四态
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
物理与电子工程学院
绪论：二、固体的分类
Al65Co25Cu10合金
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绪论：三、固体物理学及其发展史
1. 固体物理学
研究内容：
结构影响性质——碳家族
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
碳家族
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
碳原子的三种杂化形态
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
2. 固体物理学发展历程
固体物理学作为一门近代科学始于20世纪初，虽 然晶体学的研究有着悠久的历史，19世纪末就已经建 立起了完整的对称性理论，但只是在1912年Laue发现 了晶体的X射线衍射现象后，晶体结构的研究才得以 证实，并从此具备了实验研究固体微观结构的条件。 20世纪初量子论，特别是量子力学的逐步建立使 正确解释已经发现的关于固体性质的规律成为可能。 自此之后的几十年是创立固体理论的辉煌时期：
固体物理分论 半导体、磁学、超导、非线性光学
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绪论：三、固体物理学及其发展史
1.固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。 2.固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中 得到广泛应用，成为众多学科的共同财富。 3.固体物理是物质结构中最丰富的层次，因而构成了 对于人类智力的巨大挑战，60多年来的新发现不断 涌现，使之对高新技术发展的推动势头不但不减， 在新世纪反而变得更加突出。
Seitz F, Modern Theory of Solids, McGraw-Hill 1940
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
晶格结构 理想晶格 晶格动力学 晶格热力学 实际晶格理论 能带理论 金属中的自由电子气
晶格理论
固 体 物 理
电子理论
功函数、接触电势等 输运理论 ：电子与晶格的相互作用
物理与电子工程学院
固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展
固体
晶体
非晶体
准晶体
纳米材料
团簇材料
超晶格
目前固体物理的研究已经从传统的晶状固体拓展到 非晶固体、薄膜和细小粒子体系、以及量子流体， 这一更宽的研究领域人们称之为凝聚态物理学 Solid State Physics Condensed matter Physics
物理与电子工程学院
绪论：三、固体物理学及其发展史
*Einstein 1907 和Debye 1912，建立了固体比热的量 子理论，解释了低温比热为什么低于Doulong-Petit 值。
*Born和Karman 1912首次采用周期性边界条件处 理了三维晶格振动问题，建立了晶格动力学理论。
Sommerfeld 1928 采用Fermi统计，用量子论的观 点修正了经典电子论。 *Bloch 1928 近似求解周期势场中的Schrö dinger方 程，引入了能带的概念。Wilson 1931利用能带观点解 释了半导体的导电现象，提出了空穴的概念。Brillouin , Seitz, Slater等人相继进行研究，从而逐步完善了能带 论。
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绪论：五、本课程的主要内容
第一章 晶体结构与X射线衍射 第二章 晶体的结合
第三章 晶格振动和固体的热学性质
第五章 金属的自由电子理论
第六章 能带理论 固 体 物 理
原子理论：晶体结构、晶体结合、晶格振动、 缺陷
电子理论：经典自由电子理论、量子的自由电 子理论、能带理论 物理与电子工程学院
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绪论：
四、我院在凝聚态物理领域的研究工作
1. 磁性超晶格及多层膜的物理性质研究；光子晶体的磁性研究 王选章教授、付淑芳、李华、周胜老师 2. 半导体纳米材料及其应用； 复合氧化锌超晶格纳米线制备及 TFT研制
张喜田教授、高红教授
3. 光电子技术应用 孙文军教授 吕树臣教授、孟庆裕、孙江亭老师
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绪论：三、固体物理学及其发展史
与此同时，* Heisenberg, *Wigner, *Mott, *朗道， 夫伦克尔，佩尔斯，*肖特基，*范弗莱克等当时一流 的理论物理学家都曾投入到固体理论的研究中并取得 了丰富的成果。
赛兹1940年出版的《现代固体理论》一书, 标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论 的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）