固体物理绪论

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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。
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7.XRD。 。 1912年 ， 劳厄指出晶体可以作为 射线的衍射光栅 ， 年 劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅 射线的衍射光栅， 利用XRD研究晶体的结构。 研究晶体的结构。 利用 研究晶体的结构 8.量子力学 索末菲 自由电子模型。 量子力学(索末菲 自由电子模型。 量子力学 索末菲)自由电子模型 索末菲在特鲁德—洛伦兹自由电子模型的基础上， 索末菲在特鲁德 洛伦兹自由电子模型的基础上， 洛伦兹自由电子模型的基础上 发展了固体量子论, 建立了量子力学自由电子模型。 发展了固体量子论 建立了量子力学自由电子模型。 量子力学自由电子模型 9.布里渊模型。 布里渊模型。 布里渊模型 二十世纪三十年代，布洛赫、 二十世纪三十年代，布洛赫、布里渊等人利用势场 的周期性和微扰理论， 的周期性和微扰理论，计算出了晶体中电子的能带和禁 带分布，解释了晶体中导体和绝缘体存在的原因 带分布，解释了晶体中导体和绝缘体存在的原因, 了固体能带论, 并从理论上预言了半导体的存在。 半导体的存在 了固体能带论 并从理论上预言了半导体的存在。 建立
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石墨单层结构示意图
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石墨层状结构示意图
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(4)金刚石结构 金刚石结构 ①面心立方套构 金刚石是由两套面心立方晶格套构而成， 金刚石是由两套面心立方晶格套构而成，具有较大 的结合能。所以反映在宏观上就是金刚石比较坚硬。 的结合能。所以反映在宏观上就是金刚石比较坚硬。 ②共价键组成 金刚石中每个碳原子和周围的四个碳原子组成四个 共价键，四个共价键的分布为四面体， 共价键，四个共价键的分布为四面体，其中没有可以用 来导电的自由电子，所以金刚石是绝缘体。 来导电的自由电子，所以金刚石是绝缘体。
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(3)石墨结构 石墨结构 ①层状结构 石墨是层状结构， 石墨是层状结构，层与层之间是靠瞬间偶极矩结合 在一起的，组织比较松散。 在一起的，组织比较松散。所以反映在宏观上就是石墨 比较松软。 比较松软。 ②共价键组成 石墨中每个碳原子是和周围三个其它碳原子组成共 价键，三个共价键几乎在同一平面内，夹角约为 价键，三个共价键几乎在同一平面内，夹角约为120度。 度 剩下的一个电子则可以在石墨中自由运动，所以， 剩下的一个电子则可以在石墨中自由运动，所以，石墨 可以导电。 可以导电。
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三、固体物理的学科领域
1.高纯度的完整晶体的研究。 高纯度的完整晶体的研究。 高纯度的完整晶体的研究 2.杂质 、 缺陷对金属 、 半导体 、 电介质 、 磁性材料以 杂质、 缺陷对金属、 半导体、 电介质、 杂质 及其它固体材料性能的影响。 及其它固体材料性能的影响。 3.一般条件下金属 、 半导体 、 电介质 、 磁性物质等材 一般条件下金属、 半导体、 电介质、 一般条件下金属 料的各种性质。 料的各种性质。 4.强磁场 、 强辐射 、 超高压 、 极低温等特殊条件下材 强磁场、 强辐射、 超高压、 强磁场 料表现出的各种现象。 料表现出的各种现象。
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E(k) 空带
E(k)
空带 禁带 禁带 能带 能带
k
金刚石能带分布示意图
k
硅单晶能带分布示意图
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2.物质的分类 物质的分类 物质可以分成四大类：等离子体、气体、 物质可以分成四大类 ：等离子体、 气体 、液体和固 体。 (1)等离子体 等离子体 宇宙中几乎99%的物质都是等离子体， 等离子体是 的物质都是等离子体， 宇宙中几乎 的物质都是等离子体 由离子、电子和中性粒子组成的， 由离子、电子和中性粒子组成的，没有一定的形状和体 粒子的排列没有规律。 积，粒子的排列没有规律。 (2)液体 液体 液体有一定的体积却没有一定的形状， 液体有一定的体积却没有一定的形状， 粒子的排列 也是无序的(短时短程有序 。 也是无序的 短时短程有序)。 短时短程有序
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Crystal Structure of CaCO3
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Crystal Structure of YBa2Cu3O7 正交晶系 a=0.382nm
b=0.388nm c=1.163nm
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Shape of Snow Crystal
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Be2O3 Crystal and Glass of Be2O3
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3.固体物质的分类 固体物质的分类 固体物质可分为两大类——晶体和非晶体。 晶体和非晶体。 固体物质可分为两大类 晶体和非晶体 (1)晶体 晶体 原子(离子或分子 按一定的周期排列的固体称为晶体 原子 离子或分子)按一定的周期排列的固体称为晶体， 离子或分子 按一定的周期排列的固体称为晶体， 又称为晶态。 又称为晶态。 从微观上讲， 晶体是长程有序 长程有序的 即在10 从微观上讲 ， 晶体是 长程有序 的 ， 即在 2 ～ 103nm 量级是有序排列的。 量级是有序排列的。 从宏观上讲， 一般的晶体都是凸多面体 凸多面体， 从宏观上讲 ， 一般的晶体都是 凸多面体 ， 即表现出 对称性。 对称性。 完整晶体和 晶体又分为完整晶体 近乎完整晶体。 晶体又分为完整晶体和近乎完整晶体。 完整晶体——结构完全规则的晶体。 结构完全规则的晶体。 完整晶体 结构完全规则的晶体 近乎完整晶体——存在少量缺陷的晶体。 存在少量缺陷的晶体。 近乎完整晶体 存在少量缺陷的晶体
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10.半导体。 半导体。 半导体 20世纪四十年代 ， 发现了半导体材料硅 和 锗 等 。 世纪四十年代， 发现了半导体材料 硅 世纪四十年代 四十年代末， 成功制备出单晶硅和单晶锗， 四十年代末 ， 成功制备出单晶硅和单晶锗 ， 并利用单 晶硅和单晶锗研制出晶体三极管 。 晶硅和单晶锗研制出 晶体三极管。 由此而产生了一门 晶体三极管 新的物理学分支—半导体物理。 新的物理学分支 半导体物理。 半导体物理 11.激光。 激光。 激光 1960年诞生的激光技术对固体的电光 、 声光和磁 年诞生的激光技术对固体的电光、 年诞生的激光技术对固体的电光 光器件不断地提出新要求。 光器件不断地提出新要求。
固体物理学
主讲教师： 主讲教师：宋根宗 2010.03.～2010.06. ～
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绪论
一、固体物理的基本概念及其研究对象
1.固体物理 固体物理 研究固体结构及其组成粒子(原则、离子、电子等) 研究固体结构及其组成粒子 原则、离子、电子等 原则 之间的相互作用 与 运动规律 以 阐明 固体性能与用途的 之间的 相互作用与 运动规律以 阐明固体性能与用途的 相互作用 学科。 学科。 固体的宏观性能取决于固体的微观结构。 固体的宏观性能取决于固体的微观结构。 宏观性能取决于固体的微观结构 不同固体的硬度 、 强度、 导电性、 热传导等性能 不同固体的 硬度、 强度 、 导电性 、 热传导 等性能 硬度 之所以不同， 其主要原因是不同的固体有不同的晶体 之所以不同 ， 其主要原因是不同的固体有不同的 晶体 结构、能带分布。 结构、能带分布。
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石墨和金刚石的性能比较。 例1 石墨和金刚石的性能比较。 (1)组成 组成 石墨和金刚石都是由同一种元素碳元素组成。 石墨和金刚石都是由同一种元素碳元素组成。 碳元素组成 (2)性能 性能 ①石墨 导电性、导热性好，硬度低、强度低。 导电性、导热性好，硬度低、强度低。 ②金刚石 绝缘体、导热性较差、硬度高。 绝缘体、导热性较差、硬度高。 石墨和金刚石之所以性能差别如此巨大， 石墨和金刚石之所以性能差别如此巨大，主要是它 们的结构有着本质的区别。 们的结构有着本质的区别。 结构有着本质的区别
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面心立方结构示意图