固体物理总结(课堂PPT)
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固体物理知识总结PPT课件
惯用元胞、轴矢
三、常见晶体结构举例
致密度η（又称空间利用率）、配位数、密 堆积
1. 简单立方（sc） 配位数＝6，惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方（fcc） 配位数＝12，惯用元胞包含格点数＝4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方（bcc) 配位数＝8，惯用元胞包含格点数＝2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素 （1）原子散射因子 （2）几何结构因子
2.衍射极大的条件（必要条件）
即当 k－k0＝S＝Gh 时，所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件，产生衍
射极大。
（反射球）
4.消光条件
第二章 晶体结合
一、原子的负电性
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
电离能：让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章 固体能带论 基本近似：绝热近似、单电子近似 一、固体电子的共有化和能带 二、布洛赫（Bloch）定理
1.布洛赫定理：表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度 三、近自由电子模型 1.索末菲（Sommerfeld）模型
（1）自由电子(半量子)模型
（2）自由电子费米（Femi）气模型 2.近自由电子模型
亲和能：处于基态的中性气态原子获得一个 电子所放出的能量
负电性大的原子，易于获得电子 负电性小的原子，易于失去电子 二、离子结合 三、共价结合 共价键的特性：饱和性、方向性 四、金属结合 五、范德瓦尔斯键结合 六、氢键结合
第三章 晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件：近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力：牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩－卡曼
三、常见晶体结构举例
致密度η（又称空间利用率）、配位数、密 堆积
1. 简单立方（sc） 配位数＝6，惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方（fcc） 配位数＝12，惯用元胞包含格点数＝4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方（bcc) 配位数＝8，惯用元胞包含格点数＝2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素 （1）原子散射因子 （2）几何结构因子
2.衍射极大的条件（必要条件）
即当 k－k0＝S＝Gh 时，所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件，产生衍
射极大。
（反射球）
4.消光条件
第二章 晶体结合
一、原子的负电性
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
电离能：让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章 固体能带论 基本近似：绝热近似、单电子近似 一、固体电子的共有化和能带 二、布洛赫（Bloch）定理
1.布洛赫定理：表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度 三、近自由电子模型 1.索末菲（Sommerfeld）模型
（1）自由电子(半量子)模型
（2）自由电子费米（Femi）气模型 2.近自由电子模型
亲和能：处于基态的中性气态原子获得一个 电子所放出的能量
负电性大的原子，易于获得电子 负电性小的原子，易于失去电子 二、离子结合 三、共价结合 共价键的特性：饱和性、方向性 四、金属结合 五、范德瓦尔斯键结合 六、氢键结合
第三章 晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件：近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力：牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩－卡曼
固体物理课件
e 2 晶体中有3N个振动模 晶体中有 个振动模 C = k ( ∑ B k T ) (eℏω j / kBT − 1)2 V 1） 爱因斯坦模型 ） j =1 B 假设N个原子构成的晶体 个原子构成的晶体， 假设 个原子构成的晶体，
所有的原子以相同的频率 ω0振动 2） 德拜模型 ） 以连续介质的弹性波来代表格 波，将晶格看作是各向同性的 连续介质
V (r + R) = V (r )
布洛赫定理
具有晶格周期性时， 布洛赫定理 —— 势场 V ( r ) 具有晶格周期性时，电子的波 函数满足薛定谔方程 ℏ2 2 [− ∇ + V ( r )]ψ ( r ) = E ψ ( r ) 2m —— 方程的解具有以下性质
ψ ( r + Rn ) = e ik ⋅R ψ ( r )
ω = 2
−
− i (ωt − naq )
2
β
m
ω
aq sin m 2
−π a
β
π π < q ≤ a a
q=
µn = µn+ N 2π
Na
× h —— h为整数 为整数
π a o 晶格振动波矢的数 目=晶体的原胞数 晶体的原胞数
能量本征值 ε n = ( n q + 1 ) ℏ ω q
q
晶格振动的能量量子； 声子 —— 晶格振动的能量量子；或格波的能量量子 当这种振动模处于 系统能量本征值
原子的振动 —— 晶格振动在晶体中形成了各种模式的波
模型 运动方程 试探解
m µ n = − β (µ n − µ n−1 ) − β (µ n − µ n+1 )
..
一维晶格振动 一维无限长原子链， ， ， 一维无限长原子链，m，a，β
固体物理小结完整PPT
倒格矢 各个布区
布区特点
A:布区的形状与晶体结构有关，第一布区是倒格子中的威格 纳—赛兹原胞。
B:布区具有周期性，每个布区各部分经过平移， 一个布区与另一个布区重合。
C:布区具有对称性，每个布区都是以原点为中心对称 分布。
D:每个布区体积等于一个倒格子原胞体积。
二.晶格振动 格波 －晶格振动以波的形式传播。
原子分布是离散和周期性的 (四)晶体的对称性、晶系、布拉菲晶胞 每个原胞只含一个格点。
立方：简单、体心、面心 四方：简单、体心
六方：简单 三方：简单 单斜：简单、底心
正交：简单、底心、体心、面心 三斜：简单
(五)晶向与晶面
1.晶列指数
晶列的位置矢量的三个 分量化为互质整数。
[m n p]
立方、四方、六方、三方、正交、单斜、三斜 立方、四方、六方、三方、正交、单斜、三斜
3.原胞和晶胞
(1)原胞特点
只考虑周期性，体积最小的重复单元。 格点在顶角上，内部和面上没有格点。 每个原胞只含一个格点。
(2)晶胞特点
既考虑了周期性又考虑了对称性 所选取的重复单元。(体积不一定最小)。 体心或面心上可能有格点。 包含格点不止一个。
3.在立方晶系的三个布拉菲晶胞中选取原胞 (1)简单立方
每晶个胞能 含带2个含格有点N，个体量（积子为态2，）可容化纳2截N个距电子的倒数之比为互质整数之比。
倒格子与正格子基矢的关系
（3）（ h1h2 h3）-晶面指数。
特点：
[m
n
p]（
h1
h
2
h
）
3
代表一族平行晶列或晶面。
晶列、晶面指数可正、可负、可为零。
(h1h2h3 )
固体物理11090214PPT课件
1980，1981 （根据谢希德，方俊鑫，国体物理学 1965版扩充改编） 5．顾秉林，王喜坤，固体物理学＊ 清华大学出版社 1990 6. 王矜奉， 固体物理教程 （4版） 山东大学出版社 2004 （1999年初版）
7．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005
➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体：Ca、Sr、Al、Cu、Ag
2.固体分类
（1）晶体（晶态） ：原子按一定的周期、排列规则的固体（长程有 序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是 晶体.
图1 图3
图2
图1和图2是CaCO3和雪花结 晶的结构； 图3是高温超导体 YBaCuO 晶 体的结构。
（2）非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 8． Busch G. Sc文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 9．M A Omar Elementary Solid State Physics: Principle and
Applications 中译本：固体物理学基础 北京师范大学出版社 1987 10．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 11. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
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，半导体实际界面的研究在改善和稳定 半导体器件性能上已显示锐利的锋芒。
7．Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 8th ed. John Wiley ﹠ Sons Inc.,2005
➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积 排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体：Ca、Sr、Al、Cu、Ag
2.固体分类
（1）晶体（晶态） ：原子按一定的周期、排列规则的固体（长程有 序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是 晶体.
图1 图3
图2
图1和图2是CaCO3和雪花结 晶的结构； 图3是高温超导体 YBaCuO 晶 体的结构。
（2）非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有
中译本：固体物理导论 （原著8版）化学工业出版社，2005 8． Busch G. Sc文，瑞士联邦技术学院教材，1972) 9．M A Omar Elementary Solid State Physics: Principle and
Applications 中译本：固体物理学基础 北京师范大学出版社 1987 10．H E Hall Solid State Physics John Wiley ﹠ Sons Ltd 1974 (英国曼彻斯特大学教材) 11. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
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，半导体实际界面的研究在改善和稳定 半导体器件性能上已显示锐利的锋芒。
固体物理学--ppt课件
22
简立方（Simple Cubic，简称 SC ）
三个基矢等长并且互相垂直。
a3 a
a2
原胞与晶胞相同。 a1
a1 ai a 2 aj a3 ak
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23
体心立方(Body
问题一
Centered
Cub8ic以1, 体B1心C原C2子个)为原顶子
点，分8别向三个顶角
体心立方晶胞中含有几个原子？ 原子引基矢。
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11
固体物理学原胞（原胞）特点：
只反映晶格周期性特征 体积最小的周期性重复单元 结点必为顶点，边长等于该方向周期的平行六
面体 六面体内部和面上皆不含其他的结点
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12
结晶学原胞（晶胞）的特点：
除反映晶体周期性特征外，还反映其特有 的对称性；
不一定是最小的重复单元； 结点不仅在顶角上，还可在体心或面心； 原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴
任何基元中相应原子周围的情况相同，但每个基 元中各原子周围情况不同。
c 基元
b a
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10
3、晶格、原胞
晶格：通过点阵中 的结点，做许多平 行的直线族和平行 的晶面族，点阵就 成为一些网格，即 晶格。
原胞：用来反映晶 体周期性（及对称 性）特征的六面体 单元，有：
固体物理学原胞 结晶学原胞
问题二
体心立方原胞如何选取？
问题三
原胞的基a1矢 a形2 式 a？3
1 2
a3
问题原四胞体a1积 a？2 (i
j
k)
a2
a 2
(i
j
k)
a3
a 2
(i
j
k)
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《固体物理知识总结》课件
磁性和超导性
磁性物质的分类
按照磁化方式和磁化强度进 行分类。
磁性演化和磁矩
磁性物质中的微观磁矩和其 状态变化。
超导体的特性和应用
具有零电阻和磁场排斥性的 特殊材料。
其他
1
相变和相变规律
固体物质在温度或压力变化下的状态转
光电效应和光子与固体的作用
2
变。
固体材料中光子与电子相互作用的现象。
3
多晶材料的性质和应用
固体受到的力和单位面积 上的压力。
2 应变和弹性模量
固体的变形程度和恢复能 力。
3 范德华力和分子间相
互作用力
固体分子间的吸引力和排 斥力。
半导体物理
禁带宽度和导电性
半导体中电子能级的分布和导电 能力。
P型半导体和N型半导体
半导体的杂质掺杂和导电特性。
PN结的形成和工作原理
半导体中正负载荷的结合和工作 状态。
由多个晶粒组成的固体材料物理知识总结》PPT课件
# 固体物理知识总结 ## 一、什么是固体物理 - 固体物理的定义 - 固体物理的研究对象
晶体结构
晶体的定义
固体物质中由周期性排列的原子或离子组成的结构。
晶体的分类
按化学成分和结构特点进行分类。
晶体的结构
经典的晶格结构，如立方、六方、正交等。
固体的物理性质
1 压强和应力
固体物理课件ppt完全版_图文
一、简单立方晶格（SC格子） 1·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
2·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
简单立方晶 格堆积方式
简单立方晶 格典型单元
3·原胞： SC格子的立方单元是最小的周期性单元 — 选取其本身为原胞
4·晶格的三个基矢：
③
∵面上原子密度大，对X 射线的散射强
∴简单的晶面族，在 X 射 线的散射中，常被选做 衍射面
金刚石晶格中双层密排面
第四节 倒格子
晶格的周期性描写方式: 正格子
※ 坐标空间（ 空间）的布拉伐格子表示 ※ 波矢空间（ 空间）的倒格子表示
Reason?
∵晶体中原子和电子的运动状态，以及各种微观粒子 的相互作用 → 都是在波矢空间进行描写的 晶格振动形成的格波，X 射线衍射均用波矢来表征
晶
列
1· 晶列：在布拉伐格子中，所有格点可以分列在一
系列相互平行的直线系上，这些直线系称
为晶列
2· 晶向：同一个格子可以形成方向不同的晶列，每 一个晶列定义了一个方向，称为晶向
3·晶向指数: 若从一个原子沿晶向到最近的原子的
位移矢量为
， 则用
标志晶向，称为晶向指数
同一晶向族的各晶向
4· 晶面：布拉伐格子的格点还可以看成分列在平行 等距的平面系上，这样的平面称为晶面。
倒易点阵本质
如果把晶体点阵本身理解为周期函数，则倒 易点阵就是晶体点阵的傅立叶变换，所以倒
易点阵也是晶体结构周期性的数学抽象，只
是在不同空间(波矢空间)来反映,其所以要变 换到波矢空间是由于研究周期性结构中波动 过程的需要。
一个三维周期性函数u(r)（周期为T=n1a1+ n2a2+ n3a3）
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a
a1 i j k 2
a 2 a i j k 2 a a3 i j k
2
平均每个晶胞包含 2个格点。
Ω a1 a2 a3 1 a3 2
复式格 (1)氯化铯结构
Cl
Cs
氯化铯结构是由两个简立方子晶格沿体对角线位移1/2的长 度套构而成。 Cl-和Cs+分别组成简立方格子，其布喇菲晶格为
b2 2π a3 a1 是固体物理学原胞体积。 Ω
b3 2π a1 a2
与 K n h1b1 h2 b2 h3 b3 (h1, h2 , h3为 整 数)
Ω
所联系的各点的列阵即为倒格。
2π ( i j )
1. a i b j 2π ij 0 i j
3. Ω* 2π3
Ω
4. K h h1 b1 h2 b2 h3 b3 (h1h2h3)
2. Rl K h 2π μ
2π
5. K d h1h2h3
h1 h2 h3
倒格矢 K h h1 b1 h2 b2 h3 b3 与正格中晶面族(h1h2h3)
正交. 且倒格矢 K h h1 b1 h2 b2 h3 b3 已知晶体结构如何求其倒格呢？
第一章 晶体的结构
总结
❖ 晶体的特征 ❖ 晶体结构及其描述 ❖ 晶体的对称性 ❖ 倒格 ❖ 晶体X射线衍射
重点：
布喇菲格子 密堆积 致密度 配位数 典型结构 倒格子及其性质 晶体的对称性 晶体的X光衍射
晶体的特征
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。
晶体பைடு நூலகம்构及其描述
晶格+基元=晶体结构
用矢量表示为：Rn1a1n2a2n3a3(n1,n2,n3取 整 ) 数
所对应的点的排列。晶格是晶体结构周期性的数学抽象。
原胞
构造：取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个 不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理 学原胞。
特点：格点只在平行六面体的顶角上，面上和内部均无格 点，平均每个固体物理学原胞包含1个格点。它反映了晶体结 构的周期性。
金刚石结构每个固体物理学原胞
包含1个格点,基元由两个碳原子组成,
位于（000）和
1 1 1 4 4 4
处。
金刚石结构： 单晶硅、单晶锗结构
cc
闪锌矿结构： 硫化锌ZnS(顶角和面心上S，晶胞内是Zn) 锑化铟、砷化镓、磷化铟
倒格
b1 2π a2 a3 Ω
其中 a1 , a2 , a3 是正格基矢，Ω a 1a2 a3
密堆积有六角密积和立方密积。
六角密积排列方式为ABAB…… 立方密积(面心立方)ABCABC……
3.致密度 如果把等体积的硬球放置在晶体结构中原子所在的位置上，
球的体积取得尽可能大，以使最近邻的球相切，我们把一个晶
胞中被硬球占据的体积和晶胞体积之比称为致密度(堆积比率或
最大空间利用率)。
ρ v V
的模等于
2π d h1h2h3
。
晶体 结构
正格
正格 基矢
倒格 基矢
倒格
b1 2π a2 a3 Ω
b2 2π a3 a1 Ω 2π b3 a1 a2
Ω
a1 , a2 , a3 b1 ,b2 ,b3
K h h1 b 1 h2 b 2 h3 b 3
(h1h2h3) 面间距
晶体的对称性
1.旋转对称操作： 1、2、3、4、6 度旋转对称操作。
2.旋转反演对称操作：1、2、3、4、6度旋转反演对称操作。 3.中心反映：i 4.镜象反映：m 独立的对称操作(8种): C1、C2、C3、C4、C6 、i、m、S4。
由1、2、3、4组成32种点群，根据对称性，晶体可分为7 大晶系，14种布喇菲晶格。
h1h2h3若遇负数，则在该数上方加一横线h1h2h3 。
配位数、密堆积、致密度
1.配位数 一个粒子周围最近邻的粒子数称为配位数。它可以描述晶 体中粒子排列的紧密程度，粒子排列越紧密，配位数越大。 可能的配位数有：12、8、6、4、3、2 。
2.密堆积 如果晶体由完全相同的一种粒子组成，而粒子被看作小圆 球，则这些全同的小圆球最紧密的堆积称为密堆积。密堆积的 配位数最大，为12 。
• 思考题2,8,14 • 习题1,5,7 • 证明倒格子的倒格子是正格子。
体积： v a b c n
晶列及晶面
1.晶列及晶列指数 通过晶格中任意两个格点连一条直线称为晶列，晶列的取 向称为晶向，描写晶向的一组数称为晶向指数(或晶列指数)。
l1l2l3若遇负数，则在该数上方加一横线 。 l1l2l3
2.晶面及晶面指数 在晶格中，通过任意三个不在同一直线上的格点作一平面， 称为晶面，描写晶面方位的一组数称为晶面指数。
典型的晶体结构
1.简立方 a1ai,a2aj,a3ak, Ω a1 a2 a3 a3
2.面心立方
ak
a1 a2
a j a3
ai
3.体心立方
ak
a1
a2 aj
ai
a3
a 1 a j k 2
a 2 a i k 2 a a3 i j
2
平均每个晶胞包 含4个格点。
Ω a1 a2 a3 1 a3 4
简立方，氯化铯结构属简立方。
(2)氯化钠结构
氯化钠结构属面心立方。
氯化钠结构由两个面心立方子晶格 沿体对角线位移1/2的长度套构而成。
(3)金刚石结构 （闪锌矿结构）
cc 金刚石结构是由两个面心立方子晶格沿体对角线位移1/4 的长度套构而成,其布喇菲晶格为面心立方。
金刚石结构属面心立方，每个晶胞包含8个碳原子。
基矢：固体物理学原胞基矢通常用 a1 , a 2 , a表3 示。
体积：
Ω a1 a 2 a 3
晶胞
构造：使三个基矢的主轴尽可能地沿空间对称轴的方向。 它具有明显的对称性和周期性。
特点：晶胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上及内部 亦可有格点。其体积是原胞体积的整数倍。
基矢：结晶学原胞的基矢一般用a , b , c 表示。
晶体X射线衍射
1.晶体衍射： X射线衍射，电子衍射和中子衍射。 2.X射线衍射的实验方法： 劳厄法，转动单晶法，粉末法。 3.劳厄衍射公式和布拉格反射公式
R l S S 0 (为 整数) Rl k k 0 2π
k k0 nK h
2dh1h2h3sin n
2第一章 作 业