固体物理1-1绪论

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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
—— 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
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。
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
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
NaCl晶格结构的典型单元
配位数: 6
Na+ 和 Cl-本身构成面心立方晶格; NaCl晶格 → Na+ 和 Cl- 的面心立方晶 格穿套而成(沿立方体的棱平移1/2棱 长.)
典型晶体:Li,Na,K,Rb和卤族元素F,Cl,Br,I结 合的化合物晶体
NaCl、LiF、KBr
七、CsCl 晶体的结构:
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*
Bຫໍສະໝຸດ Baidu
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。
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
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
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.
(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。
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
2·堆积方式:对角线上的原子 — A 面心立方位置上的原子 — B
金刚石晶格
A、B 两个面心立方晶格 套成
相对位移 = 对角线的 1/4
五、金刚石晶格
典型晶体: 重要的半导体材料,如Ge、Si 等
Silicon 晶格结构
金刚石和石墨晶格结构
几种化合物晶体的晶格
六、NaCl 晶体的结构:
堆积方式
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´。
非晶体
非晶体(非晶):原子排列不具有长程序。 但在原子间距量级10-10m的范围内原子排列是有序的(称为短 程有序,短程序)。
短程有序, 即近邻原子的数目和种类,近邻原子之间的距离 (键长)及近邻原子配置的几何方位(键角)都与晶态材料相 近。
特点:无固定熔点,各向同性
Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构
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 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.
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 ……
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
—— 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,以锗、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
—— 1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器 件不断地提出新要求
第一章 晶格结构
Shape of Snow Crystal
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)。
典型单元
如果把OI、OII、OIII 连结 起来,它们构成等边三角形; 整个单元共有8 个这样的三 角形面,围成一个八面体, 称为氧八面体。
整个结构又可看作为氧八面体 的排列。Ba则在8 个氧八面体 的间隙里。
钙钛矿型的化学式可写为ABO3,其中A一般代表二 价或一价的金属,B代表四价或五价的金属。常把 BO3称为氧八面体基团。
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。
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。
三、六角密排晶格(hexagonal closed-packed latice)
A B
以AB AB AB 方式堆积
六角密排晶格的堆积方 式
六角密排晶格结构的典型 单元
上、下两个底面为A 层,中间的三个原 子为 B 层.
三、六角密排晶格(hexagonal closed-packed latice)
—— 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
氧八面体结构和金刚石或闪锌矿型中的正四面体结构是 固体物理领域中很受重视的两大典型结构。
实际上,许多具有亚铁磁性的晶体(通称铁氧体),也 具有氧八面体结构,但不属钙钛矿型。
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
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。
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。
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