固体物理(黄昆)第一章

c. 金刚石结 构➢：金刚石结构
典型晶体：金刚石、Si、Ge
金刚石的配位数为 4；
2. 简单化合物晶体 ➢ NaCl结构
典型晶体：NaCl、LiF、KBr
➢ CsCl结构 典型晶体：CsCl、CsBr、CsI
➢ 闪锌矿结构
在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于 不同的元素。
许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶 体：ZnS、CdS、GaAs、-SiC
1. 格矢: Rl 2. 基矢：
任一格
Rl l1a1 l2 a2 l3 a3
矢
，
如果所有l1、l2和l3均为整数，则称这组坐a标1 基a2 a、3 和
为基矢。对于一个空间点阵，基矢的选择不是唯一的，可
以有多种不同的选择方式。
a2 0 a1
3. 原胞 ➢ 空间点阵原胞 • 空间点阵最小的重复单元 • 每个空间点阵原胞中只含有一个格点 • 对于同一空间点阵，原胞有多种不同的取法 （ Wigner-Seitz原胞），但原胞的体积均相等
短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶 ➢ 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 体
非 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
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。
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。
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
一维
二维
二维正方堆积
二维密排堆积
三维 a. 较松散的堆积
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；
➢ 密排六方（ hexagonal close-packed, hcp ） 堆积
排列方式： ABABAB (六方密堆积)
典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti
hcp的配位数为12；
复式晶格
SC + 双原子基元
fcc + 双原子基元
由同种原子构成的金刚石晶格也是复式晶格。
1 2
3
1
1
4
41
2
1
32
4
4
1 2
A类碳原子 的共价键方
B类碳原子 的共价键方
hcp也是复式晶格。
复式晶格包含多个等价原子，不同等价原子的简单晶格相同。复式晶 格是由等价原子的简单晶格嵌套而成。
二、基矢和原胞 a2 0 a1
窥天地之奥而达造化之极。
李时珍
——
为学之道，莫先于穷理； 穷理之要，必在于读书；读书 之法，莫贵于循序而致精；而 致精之本，则又在于居敬而持 志。——朱熹
主要参考书
• 黄昆，韩汝琦.《固体物理》,高教出版社. • Charles Kittel. Introduction to solid state
原胞体积： va a1 a2 a3
➢ 晶格原胞 ＝ 空间点阵原胞＋基元
基元中的原子数目可以是一个，也可以是多个。基元中第j个 原子的中心位置相对于一个格点，可以表示为：
rj x ja1 yja2 z ja3
➢ 简单立方（simple cubic, sc）堆 积
➢ 体心立方（body-centered cubic, bcc）
典堆型积晶体：Li、Na、K、-Fe
配位数：一个原子周围最近邻原子的数目。 对于体心立方（bcc）配位数 为8。
b. 密堆积： ➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆 积
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
理
实际晶格理论 能带理论（包括电磁场中的电子运动） 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
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、晶格动力学 4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气） 5、介绍一些典型固体材料的性质
physics. (中文版第8版, 或直接看英文原版 ） • 方俊鑫，陆栋. 《固体物理学》（上）, 上 海科学技术出版社. • 阎守胜.《固体物理基础》, 北京大学出版社 .
绪论
一、固体物理学的研究对象
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。
§1.2 晶格的周期性
一、晶格与布拉伐格子 1. 晶格：晶体中原子（或离子）排列的具体形式。
2. 布拉伐格子(空间点 ➢布阵拉）伐格子：一种数学上的抽象，是点在空间中周期性的规 ➢则格排点列：。空间点阵中周期排列的几何点。所有点在化学、物理 和几何环 ➢基元境：上每完一全个相格同点。所代表的物理实体。
内Hale Waihona Puke Baidu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。
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。
布拉伐格子一共有14 种。
sc
bcc
fcc
立方晶系的布拉伐格子
实际晶格 = 布拉伐格子 + 基 元
若格点上的基元只包含一个原子，那么晶格为简单晶格。
晶格中所有原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同的。
若格点上的基元包含两个或两个以上的原子（或离子），那么晶格为复 式晶格。
简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组成的晶格却不 一定是简单晶格。如金刚石和hcp晶格都是复式晶格。