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.
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。
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
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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、
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
1
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
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
1
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
(完整版)固体物理学绪论
➢ 准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向 有准周期性，但无长程周期性
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
晶
非
体
晶 体
规则网络
无规网络
准晶
Al65Co25Cu10合金
二、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。
2） Ghkl
2
d hkl
条件：不包括体心和面心的一切晶胞。
3） Rl Ghkl 2 m
其中
Rl
ma
nb
lc
所以倒格矢 Ghkl 可以代表（h，k，l）晶面。
简单三斜
简单单斜
底心单斜
返回
简单正交 底心正交
体心正交
面心正交
返回
简单六方 简单四方
2 ij
2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数的 (2π)3 倍。
* (2 )3
( * b1 (b2 b3 ) 为倒格子原胞体积。）
3、倒格矢
Kh
是晶面指数为（h1，h2，h3）所对应的
晶面族的法线。
4、倒格矢
Kh
与晶面间距
d 关系为 h1h2h3
dh1h2h3
第一章 晶体结构
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
晶
非
体
晶 体
规则网络
无规网络
准晶
Al65Co25Cu10合金
二、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。
2） Ghkl
2
d hkl
条件：不包括体心和面心的一切晶胞。
3） Rl Ghkl 2 m
其中
Rl
ma
nb
lc
所以倒格矢 Ghkl 可以代表（h，k，l）晶面。
简单三斜
简单单斜
底心单斜
返回
简单正交 底心正交
体心正交
面心正交
返回
简单六方 简单四方
2 ij
2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数的 (2π)3 倍。
* (2 )3
( * b1 (b2 b3 ) 为倒格子原胞体积。）
3、倒格矢
Kh
是晶面指数为（h1，h2，h3）所对应的
晶面族的法线。
4、倒格矢
Kh
与晶面间距
d 关系为 h1h2h3
dh1h2h3
第一章 晶体结构
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
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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安德烈·海姆(1958/10出生）
常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的 石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片 当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
1959年，著名的诺贝尔奖得主费曼（RichardFeynman）就设想： “如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什
红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量的铬离子后才变 为红色。
固体物理已成为固体材料和器件的基础 学科，是固体新材料和新器件的生长点
基本问题主要有以下七个方面：
固体是由什么原子组成？ 它们是怎样排列和结合的？ 这种结构是如何形成的？ 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？ 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？ 各种固体有哪些可能的应用？ 探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。
固体物理学
Solid State Phsicsys
绪
论
一、固体物理的研究对象 二、固体物理的发展过程
三、固体物理的研究方法
四、固体物理学参考教材 五、课程安排和评价体系
一、固体物理的研究对象
研究固体的性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种
微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。 重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去阐明和理解 固体的宏观性质。解释形成这些性质的原因，从而找出控 制、利用、改善这些性质的方法。 例如：普通物理使我们知道了欧姆定律，固体物理将说明 固体电阻的来源并从理论上推导出欧姆定律，分析出不同 固体导电性能不同的原因。
新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出
新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高 真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、 核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电 子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等
现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度
5
6 7
晶格中电子在电场和磁场中的运动
金属电子论 复习 总计
8
6 2 56
7
5
1
1 2
48
8
评分分为五部分：
出勤10%
课堂表现和讨论15%
课后作业10% 前沿科学与固体物理的关联调研（开放试题）15% 期末考试50%。 考试以综合分析题为主，占40%到60%，可以提供复杂的计算 公式，考核重心由死记硬背转变为对学生分析为题、解决问 题的能力上。
例如：
性质完全不同的无定形碳、石墨、金刚石都是由相同的碳原子组成的， 是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。 因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之 间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质
美国贝尔电话实验室两次Noble物理奖获得者 巴丁(J.Bardeen)说： 固体物理学依据物质的电子结构和原子结构 来了解固体的各种性质。
* 合作现象、平均场近似－－固体磁性理论
基于用量子力学处理交换相互作用
实验上：大量的实验是固体理论的形成基础（验证），并且是 新材料、新器件诞生的主要来源。 几十年来，新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段。
固体物理学新的实验条件和技术
磁 共 振 技 术
电 子 显 微 术
穆 斯 堡 尔 效 应
么样的奇迹！” ，“毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的
话，将大大扩充我们可以获得物性的范围”。 如今，费曼的预言已经初步实现： 我们已能够制备包括几十个到几万个原 子的纳米粒子，并把它们作为基本构成 单元，适当排列成一维量子线、二维量 子面和三维纳米固体。
1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、 超高真空条件下的扫描隧道显微镜（STM）操纵着一个个氙原子，STM的针
二、固体物理的发展历程
“凡草木花多五出,雪花独六出” --- 《韩诗外传》西汉
雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 --- 《六角雪花论》J. Kepler （1611）
1784年 法国学者阿羽依
晶体具有规则的几何外形，是晶体中原子、分子规则排列的结果
1848年 法国学者布拉斐(A．Bravais): 空间点阵 1890年：费多罗夫(E.S. Fedorov) 1891年：熊夫里斯 (A. Schönflies) 晶体微观结构的几何理论 1895年：伦琴发现 X 射线。 空间群论
1912年： 劳厄(M. von Laue)， 弗里德里希(W. Feriederich)， 克尼平(P. Knipping) 晶体X射线实验，验证了晶体结构的周期性。
1928年： Bloch创建能带论
1940年：赛兹（Seitz F.）出版《Modern Theory of Solids》。
195？年：黄昆、程开甲，中国固体物理的创始人
各 种 粒 子 束 技 术
激 光 技 术
超 高 真 空 技 术
同 步 辐 射 技 术
核 物 理 技 术
光 散 射 效 应
表 面 能 谱 术
超 高 压 极 低 温 强 磁 场
四、固体物理学参考教材
1. 《固体物理学》 黄昆、韩汝琦 （高等教育出版社） 2. 《固体物理教程》 王矜奉 编著 （山东大学出版社） 3. 《固体物理导论》 基泰尔 （C. Kittel) (化学工业出版社）
发展。
例：1988年发现巨磁电阻效应(GMR)--小硬盘大发现 硬盘技术之父2007年摘得诺贝尔物理学奖
得益于“巨磁电阻” 效应这一重大发现，最近 20多年来，我们开始能够 在笔记本电脑、音乐播放
器等产品中安装的越来越
小的硬盘来存储海量信息。
法国科学家艾尔伯-费尔Albert Fert
德国科学家皮特-克鲁伯格Peter Grünberg
成为众多学科的共同财富。 固体物理是物质结构中最丰富的层次，因而构成了对于人类智力的 巨大挑战，70多年来的新发现不断涌现，使之对高新技术发展的推 动势头不但不减，在新世纪反而变得更加突出。
三、固体物理的研究方法
理论上：是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要 引入假说、模型和近似。 * 理想的周期性－－晶格动力学 基于统计物理和量子论来研究固体的热性质 * 单电子近似－－固体能带理论 基于量子力学与统计物理来研究固体导电性
尖成了搬运原子的“抓斗” 。
依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，实现了人类另 一个幻想——直接操纵单个原子。原子间间距只有1.3nm左右。这是人类 有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。
从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识：
固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。
固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中得到广泛应用，
固体物理研究的不是单个原子的性质
而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质。 固体是由大量原子和分子（1023/cm3 ）组成的，固体的性质
虽然也和组成固体的原子、分子种类有关，但更主要的是和这
些原子采用什么方式结合在一起，它们的空间排列方式、相互 作用力类型，特别是和原子形成固体后其价电子的运动状态有 关。 固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的桥梁
晶体 固 体
多晶体
准晶体
一种介于晶态和非晶态之间的状态。特点：具有五次旋 转对称轴，但没有周期性。
原子在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不 接触，“悬浮”在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。
微晶体
主要的研究对象：晶体
理想晶体 —— 内在结构完全规则的固体，又叫完整晶体。 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。 缺陷: 在近乎完整的晶体内部的微量的不规则性 纯铁中掺入微量的碳（钢），质地比铁坚硬得多 外 来 杂 质 锗、硅单晶体掺入微量的杂质，才是灵敏的半导体
固体按结构分类
非晶体 原子有序排列尺度在原子尺度10-10m（短程有序），如玻 璃、橡胶、塑料等。 原子按一定的 周期规则有序 排列10-6m（长 程有序 天然的岩盐、 水晶、硅单晶 单晶体 原子在整个固体中有序排列， 如单晶硅。 原子在微米量级范围有序排 列，形成单晶粒，整个晶体 由单晶粒随机堆积而成。晶 粒与晶粒之间存在晶粒间界。 如多晶硅、大量金属。
上世纪六七十年代后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材料 的研究更加完美，而且逐渐走出大块晶体的范畴，开始了对微细材料
和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：
英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 以石墨烯研究获得２０１０年度诺贝尔物理学奖
康斯坦丁·诺沃肖洛夫(1974/8出生)
4. 《凝聚态物理学》上卷 冯端、金国钧 高等教育出版社）
《Solid State Physics》 G. Grosso 、G. P. Parravicini (Elsevier)
五、课程安排和评价体系
教学 单元 1 2 3 4 学时安排 内容 总学时 讲授 晶格结构 固体的结合 晶格振动与晶体的热学性质 能带理论 10 7 12 11 9 6 11 10 实验 上机 课程设计 其它 1 1 1 1