固体物理绪论
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《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
固体物理绪论
非晶体则不具有长程有序的性质， 但是在非晶体中原子排列也不是 杂乱无章、完全无序的，仍然保 留有原子排列的短程序。
晶体---单晶体：水晶、岩盐、金刚石 ---多晶体：金属、陶瓷 非晶体：高分子材料，橡胶，塑料， 松香，石蜡
1984年，实验发现一类和晶体、非晶 体都不相同的固体，在这类固体中发现了 已经证明在晶体中不可能存在的五重对称 轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的 固体，称为准晶体
• 在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子 态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预 测了半导体的存在。 • 3） 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。 • 4）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。
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 粒子的运动形态及其相互关系的科 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。
• 近代物理发展史
• 1. 1803年，道尔顿 近代原子论：万物由几十种 原子组成。
原子核物理(nuclear physics)
原子分子物理(atomic and molecular physics)
凝聚态物理(condensed matter physics)
表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics)
凝聚态物理的研究对象除晶体、非 晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠 密气体、液体以及介于液态和固态之间 的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、 熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶 等。
第一章 固体物理绪论分解
誉为当代文明的三大支柱。
20
70 年代又把新型材料、信息技术和生物技 术誉为新技术革命的主要标志。
80年代，为超越世界科技水平，我国政府 制订的“863”高新技术计划又把新材料作为 主要研究与发展领域之一。
21
大量事实证明，科学技术的进步离不开材 料科学，因而也就离不开固体化学。
例如: 半导体材料的设计推动了今天的半 导体工业、电子工业、计算机和信息产业；
第九章 材料与材料设计
第二章 玻璃与多晶粉末
可以说，固体化学与固体物理组成现代材料科学的基础
3
主要参考资料
1、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996） 2、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987) 3、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,申 泮文等译(复旦大学出版社,1989) 4、无机材料科学基础--- 陆佩文等编(武汉工业大学出 版社,1996) 5、无机材料物理化学--- 周亚栋编(武汉工业大学出版 社,1994)
其中，溶胶凝胶法及水热与溶剂热合成法是 软化学合成中比较重要的两种方法。
39
软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应物在分子状态上均 匀混合，通过生成前驱体或中间体（此反应过程可 以人为控制），最后生成（？）具有指定组成、结 构和形貌的材料。
软化学合成方法广泛应用于发光材料、磁性材 料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
但是其最为基本内容都应包括以下六个 部分：
17
1、固态物质的合成； 2、固体的组成和结构； 3、固相中的化学反应； 4、固体中的缺陷； 5、固体表面化学； 6、固体的性质与新材料等。
18
第1章 晶体结构
第2章 固体中的键合力
20
70 年代又把新型材料、信息技术和生物技 术誉为新技术革命的主要标志。
80年代，为超越世界科技水平，我国政府 制订的“863”高新技术计划又把新材料作为 主要研究与发展领域之一。
21
大量事实证明，科学技术的进步离不开材 料科学，因而也就离不开固体化学。
例如: 半导体材料的设计推动了今天的半 导体工业、电子工业、计算机和信息产业；
第九章 材料与材料设计
第二章 玻璃与多晶粉末
可以说，固体化学与固体物理组成现代材料科学的基础
3
主要参考资料
1、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996） 2、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987) 3、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,申 泮文等译(复旦大学出版社,1989) 4、无机材料科学基础--- 陆佩文等编(武汉工业大学出 版社,1996) 5、无机材料物理化学--- 周亚栋编(武汉工业大学出版 社,1994)
其中，溶胶凝胶法及水热与溶剂热合成法是 软化学合成中比较重要的两种方法。
39
软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应物在分子状态上均 匀混合，通过生成前驱体或中间体（此反应过程可 以人为控制），最后生成（？）具有指定组成、结 构和形貌的材料。
软化学合成方法广泛应用于发光材料、磁性材 料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
但是其最为基本内容都应包括以下六个 部分：
17
1、固态物质的合成； 2、固体的组成和结构； 3、固相中的化学反应； 4、固体中的缺陷； 5、固体表面化学； 6、固体的性质与新材料等。
18
第1章 晶体结构
第2章 固体中的键合力
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.
(完整版)固体物理学绪论
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。
固体的分类
➢ 晶 体: 规则结构, 分子或原子按一定的周期性排列。
➢
长程有序性, 有固体的熔点。E.g. 水晶 岩盐
➢ 非晶体: 非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。
➢
短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶
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。
成果: 半导体 纳米材料 超导体
二、学科领域
形成许多分支学科。
固体物理研究固体材料中那些最基本的、有普遍意
义的问题。
晶格结构
晶格理论
例: 二维三角晶格
晶胞的三个棱边矢量用 ,a , b表示c, 称为轴矢（或晶
胞基矢）, 其长度a, b, c称为晶格常数。
下面对结晶学中属于立方晶系的布拉格原胞简立方、 体心立方和面心立方的固体物理原胞进行分析。
晶胞：
原胞：
a ai 基矢 b aj c ak
基矢
a1 ai a2 aj
fcc
晶胞：
a ai 基矢 b aj c ak
体积 V a3
原子个数 4
原胞:
基矢 体积
a1
a 2
(i
j)
a2
a 2
(
j
k
)
a3
a 2
(k
i
)
V
a1 a2
a3
a3 4
原子个数 1
由一个顶点向三个面心引基矢。
hcp
a1 a2
固体的分类
➢ 晶 体: 规则结构, 分子或原子按一定的周期性排列。
➢
长程有序性, 有固体的熔点。E.g. 水晶 岩盐
➢ 非晶体: 非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。
➢
短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶
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。
成果: 半导体 纳米材料 超导体
二、学科领域
形成许多分支学科。
固体物理研究固体材料中那些最基本的、有普遍意
义的问题。
晶格结构
晶格理论
例: 二维三角晶格
晶胞的三个棱边矢量用 ,a , b表示c, 称为轴矢（或晶
胞基矢）, 其长度a, b, c称为晶格常数。
下面对结晶学中属于立方晶系的布拉格原胞简立方、 体心立方和面心立方的固体物理原胞进行分析。
晶胞：
原胞：
a ai 基矢 b aj c ak
基矢
a1 ai a2 aj
fcc
晶胞：
a ai 基矢 b aj c ak
体积 V a3
原子个数 4
原胞:
基矢 体积
a1
a 2
(i
j)
a2
a 2
(
j
k
)
a3
a 2
(k
i
)
V
a1 a2
a3
a3 4
原子个数 1
由一个顶点向三个面心引基矢。
hcp
a1 a2
固体物理 绪论
原子
原子、分子、离子、
电子
从宏观解释物质的用途
二、学习固体物理的意义
1.现代物理的重要组成部分
2.当前物理学的重要研究前沿 部分之一
3.现代科学技术重要理论基础 之一
1.现代物理的重要组成部分
1912 x射线晶体衍射，实验测定了 晶体结构，奠定了固体物理学的实验 基础，真正开创了固体物理学的历史
理论与应用之间的桥梁学科
四、 固体物理学习方法
理论应用于模型
数学方法 理论结果
解释已存在结果 实现结果
三、物理学基础理论与
固体物理关系
理论力学：机械运动
四 大
热
统： 热运动
力 电动力学：电磁运动
学 量子力学：微观粒子
以物质运动的一种特殊运动形式为 研究对象，适合各种物质
固体物理 研究具有固体形态的物质，具有 基础理论研究的各种运动形式。
应用基础理论研究 以四大力学为基础
解决物理学基础理论如何应用于 复杂问题。
常见天然晶体
雪 花
水晶
茶晶与石榴子石
赤铁矿与石英
非晶体不具有晶体的那些 宏观、微观特性如玻璃、 橡胶、塑料等。
原子呈周期性排列的固体物质 叫做晶体，原子呈无序排列的 叫做非晶体，介于这两者之间 的叫做准晶体。
研究对象 晶体 非晶体，液体
固体物理学
凝聚态物理学
研究方法
从微观研究物质
粒子包括
晶体中原子运动规律的研究导致了 固体物理学的理论支柱之一的晶格 动力学的建立
对于晶体中电子运动规律的研究导致 了晶体能带理论的建立，这是固体物 理学的又一理论支柱。
2.当前物理学的重要研究 前沿部分之一
现代物理人才知识结构重要组成部分
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。
第一章固体物理
立方晶系简立方晶格的晶胞与其原胞
原胞基矢：
a1 ai
a2 aj
a3 ak
c ak
晶胞基矢：
a ai b aj
原胞包含格点数：1，晶胞包含格点数：1
晶体钋Po
固体物理---晶体结构
第4节
晶格的周期性
立方晶系的面心立方晶格的晶胞与原胞
晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
单晶：长程有序，具有规则的几何外形和物理性质各向异性。
多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒形成。
固体物理---晶体结构
第2节 密堆积 简单立方结构
•
• •
• •
• •
•
原子球的正方堆积
简单立方结构单元
体心立方结构
• •
• •
• • •
• •
体心立方的堆积方式
选取晶胞的原则：
c
能充分反映整个空间点成的周期性和对称性； 满足1的基础上，晶胞要具有尽可能多的直角； 满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
b a
特点： 反映晶体对称性；
格点可以出现在体心或面心，含有一个或多个格点； 体积是原胞体积整数倍。
固体物理---晶体结构
第4节 晶格的周期性
主要内容
第1节 晶体的基本性质 第3节 空间点阵 第5节 晶格指数 第6节 晶体的对称性 第2节 密堆积 第4节 晶格周期性 第6节 倒格空间 第7节 晶体的X射线衍射
固体物理---晶体结构
固体物理---晶体结构
第1节 晶体的基本性质
◆原子排列具有周期性，形成长程有序的三维空间结构 。
钻石上的原子
a a 原胞基矢：a1 ( j k ) a 2 (i k ) 2 2 a a 3 (i j ) 2
原胞基矢：
a1 ai
a2 aj
a3 ak
c ak
晶胞基矢：
a ai b aj
原胞包含格点数：1，晶胞包含格点数：1
晶体钋Po
固体物理---晶体结构
第4节
晶格的周期性
立方晶系的面心立方晶格的晶胞与原胞
晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
单晶：长程有序，具有规则的几何外形和物理性质各向异性。
多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒形成。
固体物理---晶体结构
第2节 密堆积 简单立方结构
•
• •
• •
• •
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原子球的正方堆积
简单立方结构单元
体心立方结构
• •
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体心立方的堆积方式
选取晶胞的原则：
c
能充分反映整个空间点成的周期性和对称性； 满足1的基础上，晶胞要具有尽可能多的直角； 满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
b a
特点： 反映晶体对称性；
格点可以出现在体心或面心，含有一个或多个格点； 体积是原胞体积整数倍。
固体物理---晶体结构
第4节 晶格的周期性
主要内容
第1节 晶体的基本性质 第3节 空间点阵 第5节 晶格指数 第6节 晶体的对称性 第2节 密堆积 第4节 晶格周期性 第6节 倒格空间 第7节 晶体的X射线衍射
固体物理---晶体结构
固体物理---晶体结构
第1节 晶体的基本性质
◆原子排列具有周期性，形成长程有序的三维空间结构 。
钻石上的原子
a a 原胞基矢：a1 ( j k ) a 2 (i k ) 2 2 a a 3 (i j ) 2
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
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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）
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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
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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
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.
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于 1966 年研制出第一个实用的
异型结构电子器件。之后，他 们制作了第一支异型结构激光
阿尔费罗夫（俄国） 克罗默（德国）
二极管，使光纤通信成为可能， 并逐步用于通讯卫星、条码阅 读机、手提电话等领域。杰克.
杰克· 基尔比 （美国）
基尔比发明第一颗积体（集成） 电路IC
2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔· E· 维曼（美 国）在 “碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚 态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面 取得成就
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 3. 《固体物理学》 —— 方俊鑫 陆栋, 上海科学技术出版社 4. 《固体物理学》 —— 顾秉林 王喜昆，清华大学出版社 5. 《固体物理学》学习参考书 —— 陈金富，高等教育出版社 6. 《固体物理基础》 —— 阎守胜，北京大学出版社 7. 《固体能带理论》 —— 谢希德 陆栋，复旦大学出版社
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 程序）（急冷方式获得）
—— 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
—— 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
罗伊· 格劳伯
约翰· 霍尔
特奥多尔· 亨施
2006年： 约翰· 马瑟（美国）和乔治· 斯穆特（美国） 表彰 他们发现了黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象。 他们的发现为宇宙的起源提供了第一个清楚的认识，支持 了大爆炸假说。他们发现了宇宙微波背景辐射的各向异性， 使人们有可能明白地了解象星系、星体这样的结构是如何 从各向均匀的大爆炸中产生，而这是宇宙学中最令人着迷 的迷题之一。大爆炸之后的各向异性，作用于星系的发展， 形成今天这个状态。
约翰· 马瑟
乔治· 斯穆特
2007年：法国科学家艾尔伯· 费尔和德国科学家皮 特· 克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。
巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较 之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。被用于开发研制 用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）。 这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从 而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。
Crystal Structure of YBaCuO
绪
论
一 、固体物理的研究对象及其重要性简述
—— 研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间 相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科
—— 是物理学中最庞大，发展最迅速的应用科学，涉及范 围广、研究层次多、问题错综复杂 —— 为多学科（力、热、电、光、原、冶金、材料等）提 供微观研究的基础；
—— 高新技术发展的动力，如晶体管、超导体、固体激光 器（能量比气体激光器大）、通信、计算机、新材料 等诸多领域
Shape of Snow Crystal
Be2O3 Crystal and Glass of Be2O3
—— 电子衍射图中具有五重对称 的斑点分布
—— 介于晶体和非晶体之间的新 的状态 — 准晶态
艾尔伯· 费尔
皮特· 克鲁伯格
2008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
2009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“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图 像传感器CCD” 获此殊荣。
五、 固体物理的研究方法
固体物理是一门实验性学科 —— 为阐明固体表现出的现 象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论 固体是一个复杂的客体 —— 每一立方米中包含有约 1029 个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强
固体的宏动的总表现
1. 根据晶体中原子规则排列特点，建立晶格动力学理论， 引入声子的概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱 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
发光等材料的各种性质
—— 强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下
材料表现出的各种现象
—— 探索新材料和设计新器件
—— 发展制备材料和器件的新工艺和新理论
—— 固体物理学负担着重大的理论课题
—— 超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论 光与物质相互作用等
固体物理领域 金 属 物 理 表 面 物 理 半 导 体 物 理 介 观 物 理 晶 体 物 理 纳 米 物 理
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）
—— 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
—— 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
三、
固体物理的学科领域
—— 高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体 电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响
—— 一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质
—— 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 —— 1912年，劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅
理想晶体 —— 内在结构完全规则的固体____做完整晶体 实际晶体 —— 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则 排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体
二、
固体物理的发展过程概述
—— 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，布拉伐发展了空间点阵学说概括了晶 格周期性的特征
2004年：戴维· 格罗斯（美国）、戴维· 普利策（美 国）和弗兰克· 维尔泽克（美国），为表彰他们 “对量子场中夸克渐进自由的发现。” 构建适用 于所有物质的“万有理论”。
戴维· 格罗斯
戴维· 普利策
弗兰克· 维尔泽克
2005年：罗伊· 格劳伯（美国）表彰他对光学相干的量子理论的 贡献；约翰· 霍尔（John L. Hall，美国）和特奥多尔· 亨施 （德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。
磁 电 学 介 质 物 理
液 晶 物 理
固 体 发 光
超 导 体 物 理
固 态 电 子 学
固 态 光 电 子 学
固 体 光 谱
强 关 联 物 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）提出异层结构
理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克· 基
尔比（美国）发明集成电路 阿尔费罗夫用克罗默的理论，
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、 寿命长、结构好（法国） 21. 分子开关（利用分子组合来操纵开关） 22. 碳纳米管
在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，但在非常低的 温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，表示原来
不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。1995年6月，两
名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷 原子蒸气中第一次直接观测到了玻色-爱因斯坦凝聚态。
2002年：雷蒙德· 戴维斯、里卡尔多· 贾科尼（美国）、小柴昌俊 （日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中 包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就。
雷蒙德· 戴维斯
里卡尔多· 贾科尼