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固体物理知识总结PPT课件

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惯用元胞、轴矢
三、常见晶体结构举例
致密度η(又称空间利用率)、配位数、密 堆积
1. 简单立方(sc) 配位数=6,惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方(fcc) 配位数=12,惯用元胞包含格点数=4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方(bcc) 配位数=8,惯用元胞包含格点数=2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素 (1)原子散射因子 (2)几何结构因子
2.衍射极大的条件(必要条件)
即当 k-k0=S=Gh 时,所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件,产生衍
射极大。
(反射球)
4.消光条件
第二章 晶体结合
一、原子的负电性
负电性=常数(电离能+亲和能)
电离能:让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章 固体能带论 基本近似:绝热近似、单电子近似 一、固体电子的共有化和能带 二、布洛赫(Bloch)定理
1.布洛赫定理:表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度 三、近自由电子模型 1.索末菲(Sommerfeld)模型
(1)自由电子(半量子)模型
(2)自由电子费米(Femi)气模型 2.近自由电子模型
亲和能:处于基态的中性气态原子获得一个 电子所放出的能量
负电性大的原子,易于获得电子 负电性小的原子,易于失去电子 二、离子结合 三、共价结合 共价键的特性:饱和性、方向性 四、金属结合 五、范德瓦尔斯键结合 六、氢键结合
第三章 晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件:近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力:牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩-卡曼

《固体物理基础概论》PPT课件

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组成晶态固体的粒子在空间周期性排列,具 有长程序,它的对称性是破缺的。
非晶体与晶体相反,其组成粒子在空间的 分布是完全无序或仅仅具有短程序,具有高度 的对称性。
准晶介于晶体和非晶体之间,粒子在空间 分布有序,但不具有周期性,仅仅具有长程的 取向序。
固体物理的研究对象以晶体为主。
准晶
2 . 固体物理学的基本任务:是企图从微观上 去解释固体材料的宏观物性,并阐明其规律。
到了期末,接近考试了,此时介绍晶体结合 、晶体缺陷等学生材内容和学时分配 第一章 金属自由电子费米气体模型(10学时) 第二章 晶体的结构 (19学时) 第三章 能带论 (23学时) 第四章 晶格振动 (10学时) 第五章 输运现象 (5学时) 第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图(5学时)
曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图
Ultra-Thin Material
超导磁悬浮
Magnetic Domains by Magneto-optical Effect
包钴氧化铁 钡铁氧体
铁合金
CrO2
m
计算机的硬盘
计算机的硬盘
2007年诺贝尔 物理学奖---巨 磁电阻效应 (GMR)
4.基泰尔(C.Kittel 5th edition)著,杨顺华等 译,固体物理导论,科学出版社,1979
5.方可,胡述楠,张文彬 主编;固体物理学,重庆大 学出版社,1993
6.陈金福 主编 固体物理学—学习参考书 高等 教育出版社,1986 7.
8.阎守胜. 2000. 固体物理基础. 北京:北京大学 出版社
7.教学要求
1) 掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对 金属的电、热、光等物性进行分析; 2) 掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性 和分类、倒格子以及X射线衍射;

(完整版)固体物理课件ppt完全版

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布拉伐格子 + 基元 = 晶体结构
③ 格矢量:若在布拉伐格子中取格点为原点,它至其

他格点的矢量 Rl 称为格矢量。可表示为
Rl

l1a1

l2a2

l3a3

a1,
a2 ,
a3为
一组基矢
注意事项:
1)一个布拉伐格子基矢的取法不是唯一的
2
4x
·
1
3
二维布拉伐格子几种可能的基矢和原胞取法 2)不同的基矢一般形成不同的布拉伐格子
2·堆积方式:AB AB AB……,上、下两个底面为A
层,中间的三个原子为 B 层
3·原胞:
a, 1
a 2
在密排面内,互成1200角,a3
沿垂直
密排面的方向构成的菱形柱体 → 原胞
B A
六角密排晶格的堆积方式
A
a
B c
六角密排晶格结构的典型单元
a3
a1
a2
六角密排晶格结构的原胞
4·注意: A 层中的原子≠ B 层中的原子 → 复式晶格
bγ a
b a
b a
b a
简六体心底正简单三面心正单方底心单心交 立斜交斜 方 简单立方体心正交面立方简四体心四方简单正交简单菱方简单单斜单方
二 、原胞
所有晶格的共同特点 — 具有周期性(平移对称性)

用原胞和基矢来描述


位置坐标描述

1、 定义:
原胞:一个晶格最小的周期性单元,也称为固体物理 学原胞
a1, a2 , a3 为晶格基矢
复式晶格:
l1, l2 , l3 为一组整数
每个原子的位置坐标:r l1a1 l2a2 l3a3

固体物理学精品PPT课件

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பைடு நூலகம்
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质,在不同的条件下 可以呈现不同的物相,其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是,在相同的热力学条件下,在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中,以晶体的内能最小,这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质,由于晶体内能比非晶体内能小, 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势;反之, 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部,原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体,称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列,不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响,它们 不是晶体品种的特征因素。
例如,岩盐(氯化钠)晶体的外形可以是立方体 或八面体,也可能是立方和八面的混合体,如图所 示。
有些晶体的解理性不明显,例如,金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义, 例如,在划分晶体管管芯时,利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生,以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体,外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体,相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性,是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性,布拉菲在1848年提 出空间点阵学说,从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说,晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统,这些点子的总体称为点阵。

固体物理绪论ppt课件

固体物理绪论ppt课件
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,阐 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
六、固体物理学领域的一些重要进展 1. 人造材料、超晶格半导体、MBE、CVO等 2. 量子霍尔效应:电势差按量子变化而非连续变化 3. 降维效应:三维→二维→一维→零维(量子点) 4. 电荷密度波、自旋密度波 5. 无序:等效介质+微扰 6. 混合原子价 7. 3He的超流相(低温下流动无阻力) 8. 重整化群的方法(处理多体问题、相变、临界点等)
23. 生物物理(蛋白质、DNA等) 24. 软凝聚态物质(生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆
模型等) 25. 纳米材料 26. Bose-Einstein凝聚
……
《固体物理学》参考书目
1.《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪,高等教育出版社
2. 《Introduction to Solid State Physics》Seventh Edition —— CHARLES KITTEKL, John Wiley
—— 费米发展了统计理论,为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向
—— 20世纪三十年代,建立了固体能带论和晶格动力学
—— 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______半导体
—— 20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______ 产生了半导体物理
程序)(急冷方式获得)
16. 细小体系、团簇、C60、介观物理 17. 有机导体、高分子材料(具有掺杂导电性) 18. 非线性、非平衡、孤子、突变、湍流 19. 量子计算机,由量子态控制(传统计算机由0、1控制) 20. 超硬材料,如导电性极强的金刚石半导体,性能稳定、

固体物理课件——第五章

固体物理课件——第五章
等能面是球面形状。
dV dV dk
d dk d
4k2v14 v221v4 v32
D()
dN'
d
V2 22v3
可见,色散关系对模式密 度有直接性的影响。
根据对色散关系的不同预 测情况,两种常见模型
(1)、德拜模型 (晶体低温时的模型)
德拜对色散关系的假设 (假设1):

exp(s / K0T)
k BT

s0

均 声 子 数

n
sesx
s0
es x
d ln
dx ni0
esx
d ln(1ex dx
e2x
...)
s0

1exe2x...11ex
推 导

d dx
ln(1ex
)

1 ex 1
晶体的定容比热定义为:
CV


E T
V
E ---晶体的平均内能
CV CVa CVe
晶体电子比 热
晶格振动比热
本节只讨论晶格振动比热。
晶格比热的 经典理论:杜隆--珀替定律
根据能量均分定理,每一个自由度的平均能量是kBT,若晶
体有N个原子,则总自由度为: 3N。
E 3NkBT
d3N
D3

62v3N
V
D(62n)1/3v
与德拜截止频率相对应的波矢定义为德拜截止波矢:
KD

D
v
1
KD 62n 3
kD是晶体中格波的最大波矢,以KD为半径在波矢 空间画一个球,称为德拜球,球内应包含所有的 简正模式,即 3N个模式,球外的短波振动在晶体 中是不存在的,而球内的所有模式可用连续介质 中的弹性波来处理,球内的模式数应为晶体中所

高三物理固体课件(PPT)5-4

高三物理固体课件(PPT)5-4

一 .晶体和非晶体
固体可以分成晶体和非晶体两类. 在常见的固态物质中,石英、云母、明矾、食盐、
硫酸铜、糖、味精等都是晶体,玻璃、蜂蜡、松香、 沥青、橡胶等都是非晶体.
1.晶体、非晶体的外形和物理性质的差异
(1)晶体都具有规则的几何形状. 食盐的晶体呈立方体形,明矾的晶体呈八面体形, 石英的晶体中间是一个六面棱柱,两端是六棱锥.冬 季的雪花,是水蒸气在空气中凝华时形成的冰的晶体, 它们的形状虽然不同,但一般是六角形的规则图案.
第九章《物态和物态变化 》
9.1《固体》
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
④形不好:这件衣服的手工~。⑤动表示程度极深;不得了(用在“得”字后做补语):累得~|大街上热闹得~。 【不省人事】①指人昏迷,失去知觉。 ②指不懂人情世故。 【不幸】①形不幸运;使人失望、伤心、痛苦的:~的消息。②形表示不希望发生而竟然发生:~身亡|~而言中。③名指灾祸:惨 遭~。 【不休】动不停止(用作补语):争;https:// 卡盟;论~|喋喋~。 【不修边幅】形容不注意衣着、容貌的整洁。 【不朽】动永 不磨灭(多用于抽象事物):~的业绩|人民英雄永垂~。 【不锈钢】名具有抗腐蚀作用的合金钢,一般含铬量不低于%,有的还含镍、钛等元素。多用来 制造化工机件、耐热的机械零件、餐具等。 【不许】动①不允许:~说谎。②〈口〉不能(用于反问句):何必非等我,你就~自己去吗? 【不恤】〈书〉 动不顾及;不忧虑;不顾惜:~人言(不管别人的议论)。 【不学无术】没有学问,没有能力。 【不逊】形没有礼貌;骄傲;蛮横:出言~。 【不言而喻】 不用说就可以明白。 【不厌】动①不厌烦:~其详。②不排斥;不以为非:兵~诈。 【不扬】形(相貌)不好看:其貌~。 【不要】副表示禁止和劝 阻:~大声喧哗|~麻痹大意。 【不要紧】①没有妨碍;不成问题:这病~,吃点儿就好|路远也~,我们派车送你回去。②表面上似乎没有妨碍(下文有 转折):你这么一叫~,把大伙儿都惊醒了。 【不要脸】不知羞耻(骂人的话)。 【不一】ī①形不相同(只做谓语,不做定语):质量~|长短~。②动 书信用语,表示不一一详说:匆此~。 【不一而足】ī不止一种或一次,而是很多。 【不依】ī动①不听从;不依顺:孩子要什么,她没有~的。②不允许; 不宽容:~不饶|你要不按时来,我可~你。 【不宜】动不适宜:这块地~种植水稻|解决思想问题要耐心细致,~操之过急。 【不遗余力】用出全部力量, 一点也不保留。 【不已】动继续不停:鸡鸣~|赞叹~。 【不以为然】不认为是对的,表示不同意(多含轻视意):~地一笑|他嘴上虽然没有说不对,心 里却~。 【不以为意】不把它放在心上,表示不重视,不认真对待。 【不义之财】ī不应该得到的或以不正当的手段获得的钱财。 【不亦乐乎】原意是“不 也是很快乐的吗?”(见于《论语?学而》)现常用来表示达到极点的意思:他每天东奔西跑,忙得~。 【不易之论】ī内容正确、不可更改的言论。 【不意】 连不料;没想到:本想明日赴京,~大雨如注,不能起程。 【不翼而飞】①没有翅膀却能飞,比喻东西突然不见了。②形容消息、言论
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over all phonon modes:
U
UK,p
nK, p K, p
Kp
Kp
where <nK,p> is the thermal equilibrium occupancy of phonons of wavevector K and polarization p, and is
given by the Planck distribution function:
The heat capacity:
CV
U T
9
Nk
B
T
3
xD dx
0
x4ex (ex 1)2
Discussion: 1. Dulong-Petit law
At high temperature T >> ,
i.e. xD << 1
ex 1 x
CV
9
Nk
B
T
3
xD dx
0
x4ex (ex 1)2
2 2v33
xD dx x3 0 ex 1
where x / kBT , andห้องสมุดไป่ตู้xD D / kBT / T
The
Debye
temperature
v kB
6 2
V
N
1/ 3
Then the total thermal energy is
U
9
Nk
BT
T
3
xD dx
0
x3 ex 1
Density of states in one dimension
Consider vibrations of a 1d line of length L carrying N+1 particles at separation a.
There are two equivalent methods for enumerating the number of the mode. Method 1: fixed boundary conditions Method 2: periodic boundary conditions
9
Nk
B
T
3
xD dx
0
x4 x2
3NkB
At high temperature the heat capacity approaches
to the classical value of 3NkB from the Dulong-
Petit law.
2. Debye T3 law
At very low temperature T << ,
0
dx
x3 ex 1
4
15
Thus
U
3 4 NkB 5 3
T
4
Then
CV
12 4 Nk 5 3
B
T3
T3
i.e. xD
Debye T3 law matches
quite good experimental results for isolators at sufficiently low temperature.
The cutoff wavevector KD:KD (6 2 N /V )1/3
There is NO wavevector larger than KD in Debye
model.
The thermal energy for each polarization:
U p d D(p ) n(p ) p
Chapter 5 Phonons II. Thermal
properties
Key points:
• Phonon heat capacity
• Density of state
• Debye model
• Thermal conductivity
Phonon heat capacity
phonon gas
The average excitation quantum number of an
oscillator is
sNs s exp( s / )
n
s
s
Ns exp( s / )
s
s
N
Ns
s
The total number and the total energy inside the square are same as those of the oscillators.
UK,p
nK, p
K , p
K , p exp(K,p / ) 1
The total energy in thermal equilibrium is
U
K
UK,p
p
K
K , p p exp(K, p / ) 1
Suppose that the crystal has Dp( )d modes of a given polarization p in the frequency range
vs K in selected crystal directions by
inelastic neutron scattering and then to make a theoretical analytic fit to give the dispersion relation in general direction, from
constant for
each
polarization type. i.e. vK
The density of states:
D() (VK2 / 2 2 )(dK / d)
V ( / v)2 1 V3 2 2 v 2 2v3
The cutoff frequency D: D (6 2v3N /V )1/3
Method 2: periodic boundary conditions
(N+1)
u(sa) u(sa L)
s=1
N
2
us u(0) exp[ i(sKa K, pt)],
with
K 0, 2 , 4π , 6π , ..., Nπ .
LLL
L
N1
3
4
..... .
. .....
There are three polarizations p for each value of K: 2 transverse modes, 1 longitudinal mode.
The number of allowed K values in a single branch
for the 1st Brillouin zone equals to the number of the primitive cells. The number of modes equals to the total degrees of the freedom.
nK , p
1
exp( /
)
1
Planck distribution Consider a set of identical harmonic oscillators in thermal equilibrium.
Nn1 / Nn exp( / kBT ) exp( / )
then
Nn N0 exp( n / )
i+1
i1
i
ui a
For periodic boundary conditions the number of
modes per unit range of K is L/2 for /a K /a, and 0 otherwise.
dN / dK L / 2 , for a / K a /
Density of states in three dimensions
Apply periodic boundary conditions over N3
primitive
cells
within
a
cube
of
side
L.
u u(0) exp[i(K r K,pt)]
exp[i(Kx x K y y Kz z)] exp{i[Kx (x L) K y ( y L) Kz (z L)]}
to + d .
Then
the
energy U
p
is
d
Dp
()
K , exp(K, p
p
/
)
1
Dp () dN p / d
The lattice heat capacity is
Clat
U T V
kB
p
d
Dp
()
x2 exp x (exp x 1)2
where x / kBT
The density of the state:
D()d L dK d L d d d / dK
Density of states in two dimensions
Within the circle of area K2 the smoothed number of allowed points is K2(L/2)2.
K , 2 , 3 , ... (N 1) .
LL L
L
The number of mode is equal to the number of
particles allowed to move. There is one mode for
ach interval K = /L, so that the number of modes per unit range of K is L/ for K /a, and 0 for K /a.
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