黄昆固体物理总复习
固体物理黄昆
V (r a )] f (r a )
2 r a
和
2 x 2 ,
2 y2 ,
2 z 2
微分结果一样
T
Hˆ f
(r)
[
2 2m
2 r
V
(r)]
f
(r
a
)
Hf (r a ) HT f (r )
T H HT
布洛赫定理:当势场
V
(r )
具有晶格周期性时,波动
方程的解具有以下性质
(r
Rn
)
e
ik Rn
(r )
k 为一矢量。当平移晶格矢量为
了位相因子
e
ik
Rn
Rn
,波函数只增加
根据布洛赫定理,波函数可以写成
(r )
e
ik r
uk
(r )
布洛赫函数
H Hi
i
H i ( ri ) Ei ( ri )
能带理论的基本近似和假设:
3)周期性势场假设: 所有离子势场和其它电子的平均场是周期性势场
V ( r ) ( r ) u( r )
V ( r ) V ( r Rn )
在以上单电子近似核晶格周期性势场假定下,多
电子体系问题简化为在晶格周期性势场的单电子
TT T T
平移任意晶格矢量 Rm m1a1 m2a2 m3a3
对应的平移算符
T
(
Rm
)
T m1 1
《固体物理·黄昆》第三章
氢键结合的情况可写成通式:
X-H…Y。 式中 X 、 Y 代表 F 、 O 、 N 等电负 性大而原子半径较小的非金属原 子, X 和 Y 可以是两种相同的元 素,也可以是两种不同的元素。 d F l H F H F
归纳起来,氢键形成的条件是:
A)有与电负性大(X)的原子相结合的氢原子;
B) 有一个电负性也很大,含有孤对电子并带有部分负 电荷的原子(Y); C)X与Y的原子半径都要较小。
氯化钠型 —— NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO (配位数6) 氯化铯型 —— CsCl、 TlBr、 TlI(配位数8)
离子结合成分较大的半导体材料ZnS等(配位数4)
2. 离子晶体结合的性质
1) 系统内能的计算 晶体内能 : 1)所有离子库仑相互作用能(吸引作用)
2) 和重叠排斥能之和(排斥作用)
具体晶体的内聚能(晶格能)参见周期表,有一定的规律性: 惰性气体晶体<碱金属<过渡族金属(共价晶体)
两粒子间的相互作用 相互作用能.
f(r) 和u(r)分别表示相互 作用力和相互作用势 则:
u (r ) f (r ) r
U 排斥 r
f (r )
B rn
u (r )
pij A12= j'
12
12.13188
pij A6= j'
6
14.45392
物理意义:
晶体总的势能:
—— 非极性分子晶体的晶格常数、结合能和体变模量 晶格常数
平衡状态体变模量
晶体的结合能
分子晶体: 常温下是气态的物质如:Cl2,SO2,HCl, H2, O2, He, Ne, Ar, Xe等在低温下依靠范德瓦耳斯力结合成的晶体.
《固体物理》复习大纲
«固体物理»复习大纲招生专业:凝聚态物理/材料物理与化学固体物理学的基本内容(专题除外), 主要有:晶体结构, 晶体结合, 晶格振动和晶体热学性质, 晶体的缺陷, 金属电子论和能带理论.主要参考书目: 1. 黄昆, 韩汝琦, 固体物理学, 高教出版社2. 陆栋, 蒋平, 徐至中, 固体物理学, 上海科技出版社3. 朱建国, 郑文琛等, 固体物理学, 科学出版社«新型功能材料»复习大纲招生专业:材料物理与化学/光学工程一、复习大纲1,材料、新材料的重要性;2,材料科学、材料工程、材料科学与工程的学科形成与学科内涵;3,材料科学与工程的“四要素”的内容;“四要素”间的相互关系(用图来表示);“四要素”在材料研究中的作用;(要求能结合具体材料事例予以说明)4,如何理解材料、特别是新材料是社会现代化的物质基础与先导;5,怎样区分结构材料和功能材料?新型功能材料的内涵是什么?6,了解新型功能材料中相关科学名词的解释,并能给出适当的例子,如:信息材料;光电功能材料;能源材料;高性能陶瓷;纳米材料;晶体材料;人工晶体(材料);压电材料;铁电材料;复合材料;梯度材料;智能材料与结构;材料设计;环境材料;低维材料;生物材料;非线形光学材料;光子晶体;半导体超晶格;等等;7,注意了解材料检测评价新技术的发展;注意了解材料的成分测定、结构测定、形貌观测的方法;材料无损检测评价新技术的发展概况;8,能结合具体的材料对象,给出材料的成分分析、原子价态分析、结构(含微结构)分析、形貌分析等所采用的主要技术,以及利用这些技术所得出的主要结果;9,对若干常用的分析技术,包括:X射线衍射分析(XRD),原子力显微镜分析(AFM),扫描电子显微镜分析(SEM),透射电子显微镜分析(TEM),俄歇电子能谱分析,X射线光电子能谱分析(XPS),核磁共振谱分析,等,能结合具体事例,阐述它们在材料物化结构分析中的作用和能解决的具体问题;10,材料科学技术是一门多学科交叉的前沿综合性学科;材料科学技术的学科内涵极为丰富;当代材料科学技术正在飞速发展,其主要发展趋势可以归纳为8个方面。
黄昆 固体物理 讲义 第二章
第二章 固体的结合晶体结合的类型 晶体结合的物理本质固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质有密切联系 § 2.1 离子性结合元素周期表中第I 族碱金属元素(Li 、Na 、K 、Rb 、Cs )与第VII 族的卤素元素(F 、Cl 、Br 、I )化合物(如 NaCl , CsCl ,晶体结构如图XCH001_009_01和XCH001_010所示)所组成的晶体是典型的离子晶体,半导体材料如CdS 、ZnS 等亦可以看成是离子晶体。
1. 离子晶体结合的特点以CsCl 为例,在凝聚成固体时,Cs 原子失去价电子,Cl 获得了电子,形成离子键。
以离子为结合单元,正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近,形成稳定的球对称性的电子壳层结构;,,,Na K Rb Cs Ne Ar Kr Xe FClBrI++++−−−−⇒⇒⇒⇒离子晶体的模型:可以把正、负离子作为一个刚球来处理;离子晶体的结合力:正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近,当靠近到一定程度时,由于泡利不相容原理,两个离子的闭合壳层的电子云的交迭会产生强大的排斥力。
当排斥力和吸引力相互平衡时,形成稳定的离子晶体; 一种离子的最近邻离子为异性离子;离子晶体的配位数最多只能是8(例如CsCl 晶体);由于离子晶体结合的稳定性导致了它的导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小;大多数离子晶体对可见光是透明的,在远红外区有一特征吸收峰。
氯化钠型(NaCl 、KCl 、AgBr 、PbS 、MgO)(配位数6) 氯化铯型(CsCl 、 TlBr 、 TlI)(配位数8)离子结合成分较大的半导体材料ZnS 等(配位数4) 2. 离子晶体结合的性质 1)系统内能的计算晶体内能为所有离子之间的相互吸引库仑能和重叠排斥能之和。
以NaCl 晶体为例,r 为相邻正负离子的距离,一个正离子的平均库仑能:∑++−++321321,,2/122322222102)(4)1('21n n n n n n r n r n r n q πε ——遍及所有正负离子,因子1/2—库仑作用为两个离子所共有,一个离子的库伦能为相互作用能的一半。
固体物理(黄昆)第一章总结
固体物理(黄昆)第一章总结.doc固体物理(黄昆)第一章总结固体物理学是一门研究固体物质微观结构和宏观性质的学科。
黄昆教授的《固体物理》一书为我们提供了深入理解固体物理的基础。
本总结旨在概述第一章的核心内容,包括固体的分类、晶体结构、晶格振动和固体的电子理论。
一、固体的分类固体可以根据其结构特征分为晶体和非晶体两大类。
晶体具有规则的几何外形和有序的内部结构,而非晶体则没有长程有序性。
晶体又可以根据其内部原子排列的周期性分为单晶体和多晶体。
二、晶体结构晶体结构是固体物理学的基础。
黄昆教授详细讨论了晶格、晶胞、晶向和晶面等概念。
晶格是描述晶体内部原子排列的数学模型,而晶胞是晶格的最小重复单元。
晶向和晶面则分别描述了晶体中原子排列的方向和平面。
三、晶格振动晶格振动是固体物理中的一个重要概念,它涉及到晶体中原子的振动行为。
黄昆教授介绍了晶格振动的量子化描述,包括声子的概念。
声子是晶格振动的量子,它们与晶体的热传导和电导等性质密切相关。
四、固体的电子理论固体的电子理论是固体物理学的核心内容之一。
黄昆教授从自由电子气模型出发,介绍了固体中电子的行为和性质。
自由电子气模型假设电子在固体中自由移动,不受原子核的束缚。
这一模型可以解释金属的导电性和热传导性。
五、能带理论能带理论是固体电子理论的一个重要组成部分。
黄昆教授详细讨论了能带的形成、能隙的概念以及电子在能带中的分布。
能带理论可以解释不同固体材料的导电性差异,是现代半导体技术和电子器件设计的基础。
六、固体的磁性固体的磁性是固体物理中的另一个重要主题。
黄昆教授讨论了磁性的来源,包括原子磁矩和电子自旋。
磁性固体可以分为顺磁性、抗磁性和铁磁性等类型,它们的磁性行为与电子结构密切相关。
七、固体的光学性质固体的光学性质涉及到固体对光的吸收、反射和透射等行为。
黄昆教授介绍了固体的光学性质与电子结构之间的关系,包括光的吸收和发射过程。
八、固体的热性质固体的热性质包括热容、热传导和热膨胀等。
黄昆 固体物理 讲义 第四章
KK
KK
KK K K K K T1ψ ( r ) = ψ ( r + a1 ) = eik ⋅a1ψ ( r )
ψ ( r ) 和ψ ( r + a1 ) 分别是相邻两个原胞中电子的波函数 —— 两者只相差一个位相因子 λ1 = eik ⋅a
K
K
K
K
KK
1
,不同的简 2)平移算符本征值量子数: k 称为简约波矢(与电子波函数的波矢有区别,也有联系) 约波矢,原胞之间的位相差不同。 3)如果简约波矢改变一个倒格子矢量: Gn = n1b1 + n 2 b2 + n3b3 , n1 , n 2 , n3 为整数。
-3-
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固体物理学_黄昆_第四章 能带理论_20050404
由于存在对易关系,根据量子力学可以选取 H 的本征函数,使它同时成为各平移算符的本征函数。
有:
Hψ = Eψ T1ψ = λψ ψ = λ2ψ , T3ψ = λ3ψ 1 , T2
本征值的确定: λ1 , λ2 , λ3
KK ik ⋅a1
则平移算符 T1 , T2 , T3 的本征值可以表示为: λ1 = e
, λ2 = e ik ⋅a2 , λ3 = e ik ⋅a3
KK
KK
将 T ( Rm ) = T1 1 ( a1 )T2 2 ( a 2 )T3 3 ( a 3 ) 作用于电子的波函数ψ ( r )
m m m
K K K
K
K
K
( 2π ) 3 Ω
固体物理学_黄昆_第四章 能带理论_20050404
第四章 能带理论
能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础. 在二十世纪二十年代末和三十年代初期, 在量子力学运动规律确立以后,它是在用量子力学研究金属电导理论的过程中开始发展起来的.最 初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。 —— 说明了固体为什么会有导体、非导体的区别 —— 晶体中电子的平均自由程为什么会远大于原子的间距……等 —— 能带论为分析半导体提供了理论基础,有力地推动了半导体技术的发展 —— 大型高速计算机的发展, 使能带理论的研究从定性的普遍性规律发展到对具体材料复杂能带结 构的计算 能带理论是一个近似的理论.在固体中存在大量的电子。它们的运动是相互关联着的,每个电子的 运动都要受其它电子运动的牵连,这种多电子系统严格的解显然是不可能的.能带理论是单电子近 似的理论,就是把每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动.在大多数情况下,人们 最关心的是价电子,在原子结合成固体的过程中价电子的运动状态发生了很大的变化,而内层电子 的变化是比较小的,可以把原子核和内层电子近似看成是一个离子实.这样价电子的等效势场,包 括离子实的势场,其它价电子的平均势场以及考虑电子波函数反对称性而带来的交换作用.单电子 近似最早用于研究多电子原子,又称为哈特里(Hartree)-福克(ΦOK)自洽场方法。 能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子,而是在整个固体内运动,称为共有化电 子.在讨论共有化电子的运动状态时假定原子实处在其平衡位置,而把原子实偏离平衡位置的影响 看成微扰,对于理想晶体,原子规则排列成晶格,晶格具有周期性,因而等效势场 V(r)也应具有周 期性.晶体中的电子就是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动,
《固体物理·黄昆》第二章复习
布里渊区 布里渊区的定义和作图方法 第一布里渊区 晶体衍射: 衍射条件: 布喇格衍射条件,劳厄方程,布里渊区边界;结构因子 三种辐射的特点:x射线衍射、电子衍射、中子衍射
本章要求:
❖ 倒易空间的概念,倒格子基矢的定义,倒格子与正格 子的关系,要求给定一组正格子基矢,会求出相应的 倒格子基矢;布里渊区概念及作图法,第一布里渊 区。
第二章 晶格衍射
倒格子
倒格子基矢的定义 ai b j 2ij ,i, j=1, 2, 3
倒格矢: Gn n1b1 n2 b2 n3b3 , n1, n2, n3=整数
倒格子原胞体积: b b1 b2 b3
vab 8 3 和 Rl Gn 2h
h=整数
面心立方(晶格常数为a)的倒格子是体心立方(格常数 为4/a);体心立方(晶格常数为a )的倒格子是面心立 方(格常数为4/a )
❖ 衍射条件。x射线数为4/a的
体心立方,反之亦然
固体物理(黄昆)第一章总结
第一章晶体结构1.晶格实例面心立方(fcc)配位数12 格点等价格点数4 致密度原胞基矢:()()()123222aa j kaa k iaa i j=+=+=+vvvv vvv vv原胞体积3123()/4Ωa a a a=⋅⨯=v v vNaCl: 两组面心立方格子平行穿套而成的复式格子基元= Na+ + Cl-具有面心立方:简单格子(Al、Cu、Ag; Ar Kr Xe Ne)、复式格子(Cao MgS 碱卤族等)简单立方(SC)配位数6 格点等价格点数1 致密度CsCl两组简单立方格子穿套而成的复式结构基元= Cs+ + Cl-钙钛矿结构:CaTiO3五个简单立方穿套而成基元:Ca、Ti、OI、OII、OIII (OI、OII、OIII 的化学环境各不相同,氧八面体) 典型晶体:BaTiO3、PbZrO3、LiNbO3、LiTaO3氯化铯型结构: CsCl, CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI 等体心立方(bcc)配位数8 格点等价格点数2 致密度原胞基矢:123()2()2()2aa i j kaa i j kaa i j k=-++=-+=+-vv vvvv vvvv vv原胞体积:3123()/2Ωa a a a=⋅⨯=v v v体心立方晶体: 碱金属、W、Mo、Nb、V、Fe等六角密堆(hcp)配位数12 两种格点原子数6 基元数3 致密度典型晶体举例:He, Be, Mg, Ti, Zn, Cd, Co, Y, Lu 等金刚石结构最近邻原子数4 次近邻原子数12 致密度晶体结构=布拉维格子(面心立方)+ 基元(A+B)*将金刚石结构中的基元置换成一对硫离子和锌离子,则为两个面心立方复合而成的复式结构,典型晶体:SiC, ZnSe, AlAs, GaP, GaAs 等2.晶体的周期性结构基本概念晶体:1. 化学性质相同 2. 几何环境相同基元:晶体结构中最小的重复单元布拉维点阵(布拉维格子): 112233R n a n a n a =++v v v v晶体结构 = 布拉维格子+基元原胞:由基矢1a v 、2a v 、3a v确定的平行六面体,是体积最小的周期性结构单元,原胞只包含一个格点晶胞:同时计及周期性及对称性的尽可能小的重复单元,原胞实际上是体积最小的晶胞 维格纳-赛茨原胞(WS 原胞)1. 作某个格点与其它格点的连接矢量2. 作所有这些连接矢量的垂直平分面3. 这些垂直平分面围起的凸多面体就是维格纳-赛茨原胞3. 晶向、晶面及其标志晶列(向)指数:[l m n] 晶面指数(米勒指数):( h k l )米勒指数是以晶胞基矢为基准,而面指数则以原胞基矢为基准标定4. 布里渊区倒格子空间中的维格纳-赛茨(WS )原胞,即所谓的第一布里渊区,布里渊区包含了所有能在晶体上发生布拉格反射的波的波矢22h h k G G ⋅=v v简单立方的倒格矢(简单立方——简单立方)基矢123a aia aj a ak ⎧=⎪=⎨⎪=⎩v v v vv v倒格矢123(2π/a)(2π/a)(2π/a)b i b j b k⎧=⎪=⎨⎪=⎩v v v v v v体心立方晶格的倒格子(体心立方——面心立方)基矢1231()21()21()2a a i j k a a i j k a a i j k ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩v v v v v v v v v v v v 倒格矢1232π()2π()2π()b j k a b k i a b i j a ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩v v v v v v v v v倒格矢可以表示为:1122332331122π[()()()]h G h b h b h b h h i h h j h h k a=++=+++++v v v vv v v 其中(h1 h2 h3)是米勒指数,h G v垂直于米勒指数,其第一布里渊区是一个正十二面体面心立方晶格的倒格子(面心立方——体心立方)基矢1231()21()21()2a a j k a a k i a a i j ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩vv v v v v v v v 倒格矢1232π()2π()2π()b i j k a b i j k a b i j k a ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩v v v v v v v v v v v v 第一布里渊区为截角八面体即5. 晶体的宏观对称性xx xy xz x x y yx yy yz y z zx zy zz z D E D E D E εεεεεεεεε⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭对于所有立方对称的晶体中,介电常数是一个对角张量:0 (,,,)x y z αβαβεεδαβ==该结论适用于一切具有二阶张量形式的宏观性质 (如电导率、热导率)六角对称的晶体中,若坐标轴选取在六角轴的方向和与它垂直的平面内,则介电常数有如下形式// 0 00 00 0 εεε⊥⊥⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ,//////D E ε=, D E ε⊥⊥⊥=,六角对称的晶体有双折射现象对称操作(正交变换:旋转、中心反演、镜面反映) 1. 旋转绕 z 轴旋转 q 角的正交矩阵cos sin 0sin cos 0 0 0 1θθθθ-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,中心反演的正交矩阵 1 0 0 0 1 0 0 0 1-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭由于cost = (1 - m)/2 所以 m = -1 0 1 2 3,所以t = 0 2π/6 2π/4 2π/3 2π/2,没有所谓的5度轴和7度轴。
《固体物理·黄昆》第七章(1)(1)
(2) 从电子的热容量可获得费米面附近能态密度的信 息。
一般温度下,晶格振动的热容量比电子的热容量大得多。 在温度较高下,晶格振动的热容量是主要的,热容量基 本是一个常数。
低温范围下不能忽略电子的 热容量。
C Metal V
CVPhonon bT 3
CVElectron T
EF0 kB
物理意义:设想将EF0转换成热振动能,相当于多高
温度下的振动能。
金属:TF: 104 ~ 105 K
对于金属而言,由于T << TF总是成立的,因此,只有 费米面附近的一小部分电子可以被激发到高能态,而 离费米面较远的电子则仍保持原来(T=0)的状态, 我们称这部分电子被“冷冻”下来。因此,虽然金属 中有大量的自由电子,但是,决定金属许多性质的并 不是其全部的自由电子,而只是在费米面附近的那一 小部分。
EF
E
0 F
[1
2
12
(
kBT EF0
)2
]
温度升高,费米能 级下降
EF
EF0
[1
2
12
(
kBT
E
0 F
)
2
]
T 300 K
kBT 2.6 102 eV
kBT
E
0 F
1
EF0 ~ several eV
EF EF0
三、 电子热容量
根据电子的能量分布得电 U f (E)EN (E)dE
子总能量:
由于(-f/E)具有类似函数特征,改变积分下限并
不会改变积分值
N
Q(EF ) (
f )dE E
Q '(EF ) (E
EF )(
01_03固体物理 黄昆 第一章
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
Z
[111]
A O X (111)
Y
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
• 练习:
• 在一个面心立方晶胞中画出[012][123] • 在一个面心立方晶胞中画出(012)(123)
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
Z
{110}=(110)+(011)+(101)+(110)+(011)+(101) +(110)+(011)+(101)
(111 ) 面等效的晶面数分别为:4个
{111}=(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
A[012] B[123]
Z
(123) Y O1 X O2 X O1 (012) A O2 Y
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
01_03_晶向 晶面和它们的标志 —— 晶体结构
晶向的标志
取某一原子为原点O,原胞的三个基矢 a 1 , a 2 , a 3 —— 沿晶向到最近的一个格点的位矢 l 1 a 1 l 2 a 2 l 3 a 3
l1 , l 2 , l 3 —— 一组整数
晶向指数 [ l 1 l 2 l 3 ] 单胞 —— 有类似的晶向指数 带轴 ——一些特殊晶列
•
小结:
1.密勒指数 ( h 1 h 2 h 3 ) 是一组相互平行的晶面; 2. ( h1 h 2 h 3 ) 与 ( h 1 h 2 h 3 ) 平行且完全等价; 3.晶面族 { h 1 h 2 h 3 } 表示位向不同,但晶面上原子排列完全相 同的晶面组合。 4.立方晶系中,具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直, 例如:[111]垂直于(111)
(黄昆版)固体物理试题4答案
0 度 TK 答:
时有何差别?简要说明原因。 时,绝缘体的热容量遵从 T
3
0 温度 TK 定律,即
CT V :
0 而金属的热容量在温度 TK
时,
3
;
。 (3分) 造成差别的原因在于金属中有大量的近自由电 子,它们对热容量的贡献为
CTbT V
3
CT V :
图1.1
2.(5分)温度一定,一个光学波的声子数目多 呢, 还是声学波的声子数目多?而对同一个振动 模式, 温度高时的声子数目多呢, 还是温度低 时的声子数目多? 答: 频率为 的格波的(平均) 声子数为
n
hoB / kT h AB / kT
1 e
h / kT B
1
因为光学波的频率 O 比声学波的频率 A 高,
(3分)
2.(7分)NaCl型离子晶体排斥势的幂指数为:
n 1,
72 00 R 4 e2 (M为马德龙常数,K为体弹模量)
证明:
Q 晶体平衡时的体积弹性模量为
V
2 dU dV 2
V0
e2 B A VNr 4 0 r n ), 其中, e 2 n 1 dU r0 0 418 00 R 4 平衡条件 dr ,结合诸式可得 44 41872 RR 0000 n 11 22 ee
A UrN 3 2 ,U=N( r
3.(7分)在经典近似下,晶格的自由能可以表示为:
(3分)
(4分)
FUkT 0
证明: 晶格的自由能为
B
ln kT
q
h
B
经典极限相当于(温度较高) 所以
固体物理第一章总结
固体物理(黄昆)第一章总结(总5页)页内文档均可自由编辑,此页仅为封面第一章晶体结构1.晶格实例1.1面心立方(fcc)配位数12 格点等价格点数4 致密度0.74原胞基矢:()()()123222aa j kaa k iaa i j=+=+=+原胞体积3123()/4Ωa a a a=⋅⨯=NaCl: 两组面心立方格子平行穿套而成的复式格子基元= Na+ + Cl-具有面心立方:简单格子(Al、Cu、Ag; Ar Kr Xe Ne)、复式格子(Cao MgS 碱卤族等)1.2简单立方(SC)配位数6 格点等价格点数1 致密度0.52CsCl两组简单立方格子穿套而成的复式结构基元= Cs+ + Cl-钙钛矿结构:CaTiO3五个简单立方穿套而成基元:Ca、Ti、OI、OII、OIII (OI、OII、OIII 的化学环境各不相同,氧八面体) 典型晶体:BaTiO3、PbZrO3、LiNbO3、LiTaO3氯化铯型结构: CsCl, CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI 等1.3体心立方(bcc)配位数8 格点等价格点数2 致密度0.68原胞基矢:123()2()2()2aa i j kaa i j kaa i j k=-++=-+=+-原胞体积:3123()/2Ωa a a a=⋅⨯=体心立方晶体: 碱金属、W、Mo、Nb、V、Fe等1.4六角密堆(hcp)配位数12 两种格点原子数6 基元数3 致密度0.74典型晶体举例:He, Be, Mg, Ti, Zn, Cd, Co, Y, Lu 等1.5金刚石结构最近邻原子数4 次近邻原子数12 致密度0.34晶体结构=布拉维格子(面心立方)+ 基元(A+B)*将金刚石结构中的基元置换成一对硫离子和锌离子,则为两个面心立方复合而成的复式结构,典型晶体:SiC, ZnSe, AlAs, GaP, GaAs 等2.晶体的周期性结构2.1基本概念晶体:1. 化学性质相同 2. 几何环境相同 基元:晶体结构中最小的重复单元布拉维点阵(布拉维格子): 112233R n a n a n a =++ 晶体结构 = 布拉维格子+基元原胞:由基矢1a 、2a 、3a 确定的平行六面体,是体积最小的周期性结构单元,原胞只包含一个格点晶胞:同时计及周期性及对称性的尽可能小的重复单元,原胞实际上是体积最小的晶胞2.2维格纳-赛茨原胞(WS 原胞)1. 作某个格点与其它格点的连接矢量2. 作所有这些连接矢量的垂直平分面3. 这些垂直平分面围起的凸多面体就是维格纳-赛茨原胞3. 晶向、晶面及其标志 晶列(向)指数:[l m n]晶面指数(米勒指数):( h k l )米勒指数是以晶胞基矢为基准,而面指数则以原胞基矢为基准标定4. 布里渊区倒格子空间中的维格纳-赛茨(WS )原胞,即所谓的第一布里渊区,布里渊区包含了所有能在晶体上发生布拉格反射的波的波矢22h h k G G ⋅=4.1简单立方的倒格矢(简单立方——简单立方)基矢123a aia aj a ak ⎧=⎪=⎨⎪=⎩ 倒格矢123(2π/a)(2π/a)(2π/a)b i b j b k ⎧=⎪=⎨⎪=⎩4.2体心立方晶格的倒格子(体心立方——面心立方)基矢1231()21()21()2a a i j k a a i j k a a i j k ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩ 倒格矢1232π()2π()2π()b j k a b k i a b i j a ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩倒格矢可以表示为:1122332331122π[()()()]h G h b h b h b h h i h h j h h k a=++=+++++ 其中(h1 h2 h3)是米勒指数,h G 垂直于米勒指数,其第一布里渊区是一个正十二面体4.3面心立方晶格的倒格子(面心立方——体心立方)基矢1231()21()21()2a a j k a a k i a a i j ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩ 倒格矢1232π()2π()2π()b i j k a b i j k a b i j k a ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩第一布里渊区为截角八面体即5. 晶体的宏观对称性xx xy xz x x y yx yy yz y z zx zy zz z D E D E D E εεεεεεεεε⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭5.1对于所有立方对称的晶体中,介电常数是一个对角张量:0 (,,,)x y z αβαβεεδαβ==该结论适用于一切具有二阶张量形式的宏观性质 (如电导率、热导率)5.2六角对称的晶体中,若坐标轴选取在六角轴的方向和与它垂直的平面内,则介电常数有如下形式// 0 00 00 0 εεε⊥⊥⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ,//////D E ε=, D E ε⊥⊥⊥=,六角对称的晶体有双折射现象5.3对称操作(正交变换:旋转、中心反演、镜面反映) 1. 旋转绕 z 轴旋转 q 角的正交矩阵cos sin 0sin cos 0 0 0 1θθθθ-⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭,中心反演的正交矩阵1 0 0 0 1 0 0 0 1-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭由于cost = (1 - m)/2 所以 m = -1 0 1 2 3,所以t = 0 2π/6 2π/4 2π/3 2π/2,没有所谓的5度轴和7度轴。
黄昆固体物理习题解答-完整版
0⎞ ⎟ 0⎟ ε3 ⎟ ⎠
1.12 比较面心立方晶格、金刚石晶格、闪锌矿晶格、Nacl 晶格的晶系、布拉伐格子、平 移群、点群、空间群。 晶格 面心立方晶格 金刚石晶格 闪锌矿晶格 Nacl 晶格的晶系 晶系 立方 立方 立方 立方 布拉伐格子 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 点群 Oh Oh Td Oh 空间群 Fm3m Fd3m
F43m
Fm3m
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《固体物理》习题解答
第二章
习 题
2.1.证明两种一价离子组成的一维晶格的马德隆常数为 α = 2 ln 2 . 证 设想一个由正负两种离子相间排列的无限长的离子键,取任一负离子作参考离子 (这样马德隆常数中的正负号可以这样取,即遇正离子取正号,遇负离子取负号) ,用 r 表 示相邻离子间的距离,于是有
3π / 8 ≈ 0.68
2π / 6 ≈ 0.74 2π / 6 ≈ 0.74 3π /16 ≈ 0.34
解 设n为一个晶胞中的刚性原子数,r表示刚性原子球半径,V表示晶胞体积,则致
密度为: ρ = 结构 简单立方 体心立方 面心立方 六方密排 金刚石
4π nr 3 (设立方晶格的边长为a) r取原子球相切是的半径于是 3V
6 a
3a / 2
6 a
2a
1.7
画体心立方和面心立方晶格结构的金属在 (100) , (110) , (111) 面上 解:
原子排列.
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《固体物理》习题解答
体心立方
面心立方
1.9 指出立方晶格(111)面与(100)面,(111)面与(110)面的交线的晶向 解 (111)面与(100)面的交线的 AB-AB 平移, A 与 O 重合。B 点位矢 RB = −aj + ak (111) 与 (100) 面的交线的晶向 AB = − aj + ak —— 晶 向指数 ⎡011⎤
固体物理学(第二章)
2 正四面体的对称操作四个原子位于正四面体的四个顶角上,显然正四面体的对称操作包含在立方体操作之中。
如图XCH001_027所示。
1) 绕三个立方轴转动:π,共有3个对称操作;2) 绕4个立方体对角线轴转动34,32ππ,共有8个对称操作; 3) 正交变换也是一个对称操作;⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛1000100014) 绕三个立方轴转动:23,2ππ,加上中心反演,共有6个对称操作;5) 绕6条面对角线轴转动π,加上中心反演,共有6个对称操作;因此正四面体的对称操作共有24个。
3 正六面柱的对称操作1) 绕中心轴线转动:35,34,,32,3πππππ,共有5个对称操作;如图XCH001_028所示。
2) 绕对棱中点连线转动π,共有3个对称操作; 3) 绕相对面中心连线转动π,共有3个对称操作;4) 正交变换也是一个对称操作;⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛1000100015) 以上12个对称操作加中心反演仍是对称操作 因此正六面柱的对称操作共有24个。
4 对称素为简洁明了地概括一个物体的对称性,不去一一列举所有的对称操作,而是描述它所具有的“对称素”。
对称素就是一个物体的旋转轴,以及旋转-反演轴。
一个物体绕某一个转轴转动nπ2,以及其倍数不变时,称该轴为物体n 重旋转轴,计为n 。
一个物体绕某一个转轴转动nπ2加上中心反演的联合操作,以及其联合操作的倍数不变时,称该轴为物体n 重旋转-反演轴轴,计为n 。
+ 立方体—— 立方轴(23,,2πππ)为4重轴,计为4;同时也是4重旋转-反演轴,计为4; —— 面对角线(π)为2重轴,计为2;同时也是2重旋转-反演轴,计为2;—— 体对角线轴(34,32ππ)为3重轴,计为3;同时也是3重旋转-反演轴,计为3;+ 正四面体—— 立方轴是4重旋转-反演轴,但不是4重轴; —— 面对角线是2重旋转-反演轴,但不是2重轴; —— 体对角线轴是3重轴,但不是3重旋转-反演轴。
固体物理(黄昆)第一章总结
第一章晶体结构1.晶格实例1.1面心立方(fcc)配位数12 格点等价格点数4 致密度0.74原胞基矢:()()()123222aa j kaa k iaa i j=+=+=+原胞体积3123()/4Ωa a a a=⋅⨯=NaCl: 两组面心立方格子平行穿套而成的复式格子基元= Na+ + Cl-具有面心立方:简单格子(Al、Cu、Ag;Ar Kr Xe Ne)、复式格子(Cao MgS 碱卤族等)1.2简单立方(SC)配位数6 格点等价格点数1 致密度0.52CsCl两组简单立方格子穿套而成的复式结构基元= Cs+ + Cl-钙钛矿结构:CaTiO3五个简单立方穿套而成基元:Ca、Ti、OI、OII、OIII (OI、OII、OIII 的化学环境各不相同,氧八面体) 典型晶体:BaTiO3、PbZrO3、LiNbO3、LiTaO3氯化铯型结构:CsCl, CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI 等1.3体心立方(bcc)配位数8 格点等价格点数2 致密度0.68原胞基矢:123()2()2()2aa i j kaa i j kaa i j k=-++=-+=+-原胞体积:3123()/2Ωa a a a=⋅⨯=体心立方晶体: 碱金属、W、Mo、Nb、V、Fe等1.4六角密堆(hcp)配位数12 两种格点原子数6 基元数3 致密度0.74典型晶体举例:He, Be, Mg, Ti, Zn, Cd, Co, Y, Lu 等1.5金刚石结构 最近邻原子数4 次近邻原子数12 致密度0.34 晶体结构=布拉维格子(面心立方)+ 基元(A+B)*将金刚石结构中的基元置换成一对硫离子和锌离子,则为两个面心立方复合而成的复式结构,典型晶体:SiC, ZnSe, AlAs, GaP , GaAs 等2. 晶体的周期性结构2.1基本概念晶体:1. 化学性质相同 2. 几何环境相同 基元:晶体结构中最小的重复单元布拉维点阵(布拉维格子): 112233R n a n a n a =++ 晶体结构 = 布拉维格子+基元原胞:由基矢1a 、2a 、3a 确定的平行六面体,是体积最小的周期性结构单元,原胞只包含一个格点晶胞:同时计及周期性及对称性的尽可能小的重复单元,原胞实际上是体积最小的晶胞2.2维格纳-赛茨原胞(WS 原胞)1. 作某个格点与其它格点的连接矢量2. 作所有这些连接矢量的垂直平分面3. 这些垂直平分面围起的凸多面体就是维格纳-赛茨原胞3. 晶向、晶面及其标志晶列(向)指数:[l m n] 晶面指数(米勒指数):( h k l )米勒指数是以晶胞基矢为基准,而面指数则以原胞基矢为基准标定4. 布里渊区倒格子空间中的维格纳-赛茨(WS )原胞,即所谓的第一布里渊区,布里渊区包含了所有能在晶体上发生布拉格反射的波的波矢22h h k G G ⋅= 4.1简单立方的倒格矢(简单立方——简单立方)基矢123a aia aj a ak ⎧=⎪=⎨⎪=⎩ 倒格矢123(2π/a)(2π/a)(2π/a)b i b j b k⎧=⎪=⎨⎪=⎩4.2体心立方晶格的倒格子(体心立方——面心立方)基矢1231()21()21()2a a i j k a a i j k a a i j k ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩ 倒格矢1232π()2π()2π()b j k a b k i a b i j a ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩倒格矢可以表示为:1122332331122π[()()()]h G h b h b h b h h i h h j h h k a=++=+++++ 其中(h1 h2 h3)是米勒指数,h G 垂直于米勒指数,其第一布里渊区是一个正十二面体 4.3面心立方晶格的倒格子(面心立方——体心立方)基矢1231()21()21()2a a j k a a k i a a i j ⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪=+⎪⎩ 倒格矢1232π()2π()2π()b i j k a b i j k a b i j k a ⎧=-++⎪⎪⎪=-+⎨⎪⎪=+-⎪⎩第一布里渊区为截角八面体即5. 晶体的宏观对称性xx xy xz x x y yx yy yz y z zx zy zz z D E D E D E εεεεεεεεε⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭5.1对于所有立方对称的晶体中,介电常数是一个对角张量:0 (,,,)x y z αβαβεεδαβ==该结论适用于一切具有二阶张量形式的宏观性质 (如电导率、热导率)5.2六角对称的晶体中,若坐标轴选取在六角轴的方向和与它垂直的平面内,则介电常数有如下形式// 0 00 00 0 εεε⊥⊥⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ,//////D E ε=, D E ε⊥⊥⊥=,六角对称的晶体有双折射现象5.3对称操作(正交变换:旋转、中心反演、镜面反映) 1. 旋转绕 z 轴旋转 q 角的正交矩阵cos sin 0sin cos 0 0 0 1θθθθ-⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,中心反演的正交矩阵 1 0 0 0 1 0 0 0 1-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪-⎝⎭由于cost = (1 - m)/2 所以 m = -1 0 1 2 3,所以t = 0 2π/6 2π/4 2π/3 2π/2,没有所谓的5度轴和7度轴。
黄昆固体物理习题解答
π
同理
2π (k + i ) a 2π (i + j) b3 = a b2 =
说明体心立方晶格的 与面心立方晶格基矢对比,正是晶格常数为 4π / a 的面心立方的基矢, 倒格子确实是面心立方。注意,倒格子不是真实空间的几何分布,因此该面心立方只是形式 上的,或者说是倒格子空间中的布拉菲格子。 根据定义,面心立方的倒格子基矢为
α = 2[1 − + − + ]
因为
1 1 1 2 3 4
∵ ln(1 + x ) =
x x 2 x3 x 4 − + − + 1 2 3 4
当 x = 1 时,有
1 12 13 14 ∵ ln(1 + 1) = − + − + 1 2 3 4
α = 2 ln 2 所以 (排斥势看作不变) 2.2 讨论使离子电荷加倍引起的对 NaCl 晶格常数及结合能的影响。 解:按照与书中同样的思路,系统内能为
⎡ ε11 ε12 ε =⎢ ⎢ε 21 ε 22 ⎢ ⎣ε 31 ε 32
如果介电常数张量为
ε13 ⎤ ε 23 ⎥ ⎥ ε 33 ⎥ ⎦
将 Ax −π 代入变换关系,而且该变换为对称变换,得
⎡ ε11 ε12 ⎢ε ⎢ 21 ε 22 ⎢ ⎣ε 31 ε 32
所以
ε13 ⎤ ⎡ ε11 −ε12 −ε13 ⎤ ⎢ ε 23 ⎥ ε 23 ⎥ ⎥ = ⎢ −ε 21 ε 22 ⎥ ⎢ ⎥ ε 33 ⎥ − ε ε ε 32 33 ⎦ ⎦ ⎣ 31
= (2π )3
υc
1.5 证明:倒格子矢量 G = h1b1 + h2b2 + h3b3 垂直于密勒指数为 ( h1h2 h3 ) 的晶面系。 证明:根据定义,密勒指数为 ( h1h2 h3 ) 的晶面系中距离原点最近的平面 ABC 交于基矢的截 距分别为
固体物理(黄昆)
PART ONE 填空问题Q01_01_001 原胞中有p 个原子。
那么在晶体中有3支声学波和33p −支光学波?Q01_01_002 按结构划分,晶体可分为7大晶系, 共14布喇菲格子?Q01_01_004 面心立方原胞的体积为314a Ω=;其第一布里渊区的体积为334(2)*a πΩ= Q01_01_005 体心立方原胞的体积为32a Ω=;第一布里渊区的体积为332(2)*a πΩ= Q01_01_006 对于立方晶系,有简单立方、体心立方和面心立方三种布喇菲格子。
Q01_01_007 金刚石晶体是复式格子,由两个面心立方结构的子晶格沿空间对角线位移 1/4 的长度套构而成,晶胞中有8个碳原子。
Q01_01_008 原胞是最小的晶格重复单元。
对于布喇菲格子,原胞只包含1个原子;Q01_01_009 晶面有规则、对称配置的固体,具有长程有序特点的固体称为晶体;在凝结过程中不经过结晶(即有序化)的阶段,原子的排列为长程无序的固体称为非晶体。
由晶粒组成的固体,称为多晶。
Q01_01_010 由完全相同的一种原子构成的格子,格子中只有一个原子,称为布喇菲格子。
满足ij j i b a πδ2=⋅G G ⎩⎨⎧≠===)(0)(2j i j i π 关系的1b G ,2b G ,3b G 为基矢,由322211b h b h b h G h K K K K ++=构成的格子,称作倒格子。
由若干个布喇菲格子相套而成的格子,叫做复式格子。
其原胞中有两个以上的原子。
Q01_03_001 由N 个原胞构成的晶体,原胞中有l 个原子,晶体共有3lN 个独立振动的正则频率。
Q01_03_002 声子的角频率为ω,声子的能量和动量表示为ω=和q K =。
Q01_03_003 光学波声子又可以分为纵光学波声子和横光学波声子,它们分别被称为极化声子和电磁声子Q01_03_004 一维复式原子链振动中,在布里渊区中心和边界,声学波的频率为 ⎪⎩⎪⎨⎧→±==0,02,)2(211q a q M πβω;光学波的频率⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧±=→=a q m q 2)2(0)2(21212πβµβωQ01_04_001 金属的线度为L ,一维运动的自由电子波函数ikx e Lx 1)(=ψ;能量m k E 222==;波矢的取值Ln k π2= Q01_04_002 电子在三维周期性晶格中波函数方程的解具有()()ik r kr e u r k ψ⋅=K K K K K K 形式?式中()k u r K K 在晶格平移下保持不变。
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