固体物理1-1绪论

—— 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
—— 描述晶体比热___杜隆－珀替定律 描述金属导热和导电性质的魏德曼－佛兰兹定律
—— 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，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据
前言
固体的结构：固体材料由大量原子（离子或分子） 按一定方式排列的结构
固体材料分类：
晶体 非晶体 准晶体
单晶体 多晶体（陶瓷）
玻璃，金属玻璃(AlNiCe) AlFeV, AlMn, AlFeCu
结构
性能
固体材料的宏观性质和各种微观过程均与固体 的结构有关.
晶体
晶体：组成固体的原子在微米量级以上排列是有序的（称为有长程序)，该固体 称为晶体。
原子球不是紧密靠在一起
BA 体心立方晶格的堆积方式
a 2r0
3a 4r0 0.31r0
（原子沿体对角线相接触）
二、体心立方晶格（body-centered cubic — bcc)
配位数：每个原子都可作为体心原子，分布在八个结点 上的原子都是其最近邻原子 — 配位数为8
典型晶体： Li、Na、K、Rb、Cs、Fe 等
固体物理
绪论
一、什么是固体物理 ？ 固体物理学研究内容
固体物理学研究固体物质的物理性质、微观结
构、构成物质的各种微观粒子的运动形态及其相互 关系的科学。它是物理学中内容及其丰富、应用极 广泛的分支学科。
概括地说：研究固体物质的物理性能（宏观）与
固体物质微观结构（微观），以及运动形态相互关 系。 特点: (1)宏观和微观的结合点
—— 1912年，劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅
—— 量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程 —— 爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动 —— 索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论
—— 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
二 固体物理的发展过程 —— 晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间
有一定联系;晶体外形的规则性是内部规则性的反映
—— 十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的 双折射性质和解理面
—— 十八世纪，阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平 行六面形的小‘基石”有规则地重复堆集而成的
—— 十九世纪中叶，布拉格发展了空间点阵学说 概括了晶格周期性的特征
配位数：每个原子的上下左右前后各有一个最近邻原子 — 配位数为6
二、体心立方晶格（body-centered cubic — bcc)
体心立方晶格的堆积方式 AB AB AB…
体心立方晶格的典型单元
二、体心立方晶格（body-centered cubic — bcc)
堆积方式
体心立方的堆积方式表示为：AB AB AB ……
排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体： Cu、Ag 、Au、Ca、Sr、Al、
fcc的配位数为12；
四、面心立方晶格（face-centered cubic — fcc）
堆积方式：ABC ABC ABC…… 是一种最紧密的排列方式，常称为立方密排晶格. 配位数：12
典型晶体： Cu、Ag 、Al 、Ca
(2)是基础理论与应用基础的结合点 (3)是建立在原有物理学基础上新研究进展 的学科。
要特别指出：固体物理研究的不是固体中单个原子的性质， 而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的各种集体性质。 例如：导电性；导热性；磁性等。
固体是由大量的原子或分子组成的，固体物理关注的固体性 质固然也和组成固体的原子、分子种类有关（硅和铜），但更主 要的是和这些原子采用什么方式结合在一起 ，他们的空间排列 方式、相互作用力类型、特别是和原子形成固体后其价电子的状 态和运动机制有关。
配位数为:12
典型晶体：Be、Mg、Zn、 Cd、Ti
四、面心立方晶格（face-centered cubic — fcc）
A B
以ABC ABC ABC 方式堆积
A
C
面心立方晶格的典型单元和 原子密排面
面心立方晶格的堆积方 式
密堆积： ➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积
典型晶体：如锑化铟、砷化镓、磷化铟等都是闪锌矿结构。 ZnS、CdS、-SiC
钙钛矿结构
钙钛矿结构是指钛酸钙（CaTiO3）的结构。 许多重要的介电晶体，例如，BaTiO3, PbZrO3,LiNbO3,LiTaO3等都属于这种类型的结构。
Ba、Ti 和OI、OII、 OIII 各自组成的简单立 方晶格（共5 个）套构而 成的
晶面的交线称为晶棱，晶棱
d
a 互相平行的晶面的组合称为晶带，
1 b2
c 如右图中a，1，b，2。
互相平行的晶棱的共同方 向称为该晶带的带轴，晶轴是
重要的带轴。如右图中OO´
3.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。
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120º00´。
Fe的体心立方晶格结构
密排面
密排面：原子球在一个平面内最紧密排列的方式. 把密排面叠起来可以形成原子球最紧密堆积的晶格。
全同的小圆球平铺在平面上： 任一个球都与6 个球相切， 每三个相切的球的球心构成 一等边三角形， 并且每个球的周围有6 个空 隙，
这样构成一层，记为A 层.
第二层也是同样的铺排，只是这层的 小球处在A层的球隙中.
配位数：一个原子周围最近邻原子的数目。 致密度(or堆积系数)：晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比.
注：配位数和致密度 ↑→ 原子堆积成晶格时愈紧 密.
一、简单立方晶格（sc）
正方排列 原子层A
简单立方晶格典型单元简单立来自方晶格AAA…••
••
a
a 2r0
一、简单立方晶格（sc）
堆积方式：最简单的原子球规则排列形式 — 没有 实际的晶体具有此种结构.
CsCl晶格的典型单元
配位数: 8
CsCl 结构是由两个简立方格 子彼此沿立方体空间对角线 位移1／2 的长度套构而成。
八、闪锌矿(ZnS) 晶体的结构
ZnS晶格的典型单元
配位数：4
立方系的硫化锌具有和金刚石类 似的结构，其中硫和锌分别组成 面心立方结构的子晶格而沿空间 对角线位移1／4 的长度套构而成。 这样的结构统称闪锌矿结构。
7.晶体固定的熔点: 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。
晶体的宏观特性： 自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体 的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点。
晶体为什么具有这些宏观特性呢?
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。
4.晶体的各向异性
在不同方向上，晶体的物理性质不同。
O
Cl
A
由右图可以看出，在不同的方向上晶
C
体中原子排列情况不同，故其性质不同。 O1
A1
O
5.晶体的均匀性 晶体中任意两点(在同一方向上)的
A*
B
NaCl晶体结构（100）面示意图
物理性质相同。
6.晶体的对称性: 晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性 质在不同的方向上有规律地重复出现，称为晶体的对称性。
单晶：原子、分子在整个固体中排列有 序。
晶体
多晶：原子、分子在微米量级范围内排列 有序，整个晶体是由这些排列有序的晶粒 随机堆砌而成的。
晶体的宏观特性
1.自限性: 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。
d a 1 b2
c
2.晶体的解理性: 晶体沿某些确定方位的晶面 劈裂的性质，称为晶体的解理性， 这样的晶面称为解理面。
学习内容：
定义 简单立方晶格 体心立方晶格 面心立方晶格 角密排晶格 金刚石晶体结构 氯化钠结构 氯化铯晶格 闪锌矿晶格的结构
了解几个定义：
晶格： 晶体中原子排列的具体形式，称为晶体格子。
原子、原子间距不同，但有相同的排列规则， 则这些原子构成的晶体具有相同的晶格（如Cu 和Ag；Ge 和Si 等等）。
由图可以看出，两者间具有显著的不同， 组成Be2O3晶体的粒子在空间的排列具有周期性，是长程有序的； 而Be2O3玻璃中的粒子只有在近邻的范围内的粒子间保持着一定的短程 有序，当隔开三、四个粒子后就不再保持这种关系，形成无规则网络
准晶体
准晶体：1984 年Shechtman等人用快速冷却方法制备 的AlMn准晶体。用XRD测得一种介于晶体和非晶体 结构之间的物质结构。
五、金刚石晶格
金刚石由碳原子构成.
构成：由面心立方单元的中心到顶 角引8条对角线，在互不相邻的4条 对角线的中点处各加一个原子，就 得到金刚石结构。
一个碳原子和其它四个碳原子 构成一个正四面体。
配位数：4
金刚石晶格结构的典型单 元
五、金刚石晶格
1·特点：每个原子有4 个最近邻，它们正好在一个正 四面体的顶角位置
准晶体：介于晶体与非晶体之间， 原子呈定向有序排列，但不做周期性平移重复。 具有局域五重对称轴！
AlMn准晶体电子衍射
Al
Ni
晶体结构的周期性是晶体物质共同的也是最基本的特 点,是研究晶体的宏观性质和各种微观过程的重要基 础.
本章从晶体的周期性出发,阐述晶体结构的一些基本 几何性质.
§1-1一些晶格的举例
三、六角密排晶格(hexagonal closed-packed latice)