固体物理实验方法
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆教案章节：第一章引言教学目标：1. 了解固体物理的基本概念和研究内容。
2. 掌握固体物理的基本研究方法和手段。
3. 理解固体物理的重要性和在现代科技中的应用。
教学内容：1. 固体物理的基本概念和研究内容：固体物质的性质、晶体结构、电子态等。
2. 固体物理的基本研究方法：实验方法、理论方法和计算方法。
3. 固体物理的重要性和在现代科技中的应用：半导体器件、超导材料、磁性材料等。
教学活动：1. 引入固体物理的概念，引导学生思考固体物质的性质和特点。
2. 通过示例和图片，介绍晶体结构的基本类型和特点。
3. 讲解电子态的概念，引导学生了解固体中电子的分布和行为。
4. 介绍固体物理的基本研究方法，如实验方法、理论方法和计算方法。
5. 通过实际案例，展示固体物理在现代科技中的应用和重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对固体物理基本概念的理解。
2. 布置课后作业，要求学生掌握晶体结构的基本类型和特点。
3. 进行小组讨论，让学生展示对固体物理研究方法的理解。
教案章节：第二章晶体结构1. 掌握晶体结构的基本概念和分类。
2. 了解晶体结构的空间点阵和晶胞参数。
3. 理解晶体结构的物理性质和电子态。
教学内容：1. 晶体结构的基本概念：晶体的定义、晶体的特点。
2. 晶体结构的分类：离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体。
3. 晶体结构的空间点阵：点阵的定义、点阵的类型。
4. 晶胞参数：晶胞的定义、晶胞的类型。
5. 晶体结构的物理性质和电子态：电性质、热性质、光学性质等。
教学活动：1. 通过示例和图片，引入晶体结构的概念，引导学生了解晶体的特点。
2. 讲解晶体结构的分类，让学生掌握不同类型晶体的特点。
3. 介绍晶体结构的空间点阵，引导学生了解点阵的定义和类型。
4. 讲解晶胞参数的概念，让学生掌握晶胞的定义和类型。
5. 通过示例和图片，介绍晶体结构的物理性质和电子态，引导学生理解其重要性。
教学评估：1. 进行课堂提问，检查学生对晶体结构基本概念的理解。
固体物理课程
固体物理课程固体物理是物理学的一个重要分支，研究物质的宏观和微观结构，以及物质在不同条件下的性质和行为。
固体物理课程是物理学专业的一门核心课程，对于理解物质的基本性质和物质在实际应用中的表现具有重要意义。
固体物理课程首先介绍了固体的基本概念和特性。
固体是具有一定形状和体积的物质，其分子或原子之间存在着密切的相互作用力，使得固体具有较高的密度和较低的可压缩性。
固体物理研究的对象包括晶体、非晶体、液晶等不同类型的固体材料，以及固体材料的结构、性质和行为等方面。
固体物理课程还探讨了固体的结构和晶体学。
固体的结构是指固体中原子或分子的排列方式，晶体学则是研究晶体的结构和性质的科学。
固体物理课程通过介绍晶体的点阵、晶格常数、晶体缺陷等概念，帮助学生理解晶体的基本结构和性质，并学习如何通过X射线衍射等实验手段来确定晶体结构。
固体物理课程还涉及了固体的热学性质和热传导。
固体材料的热学性质包括热容、热导率等，这些性质与固体材料的结构和组成有密切的关系。
热传导是指固体内部热能的传递过程，固体物理课程通过介绍热传导的基本原理和数学模型，帮助学生理解热传导过程，并学习如何计算和控制热传导。
固体物理课程还包括了固体的电学性质和磁学性质。
固体材料的电学性质包括电导率、电介质常数等，而固体材料的磁学性质则包括磁化强度、磁导率等。
固体物理课程通过介绍电场和磁场对固体材料的影响，帮助学生理解固体的电磁响应和磁化过程，并学习如何应用电磁理论解释和控制固体材料的性质和行为。
固体物理课程还涉及了固体的声学性质和光学性质。
固体材料的声学性质包括声速、声衰减等，而固体材料的光学性质则包括折射率、吸收系数等。
固体物理课程通过介绍声波和光波在固体中的传播和衍射规律，帮助学生理解固体的声光效应，并学习如何应用声光技术实现固体材料的探测和应用。
固体物理课程的学习不仅要求学生掌握固体物理的基本概念和理论，还要求学生具备实验技能和数据处理能力。
固体物理实验包括晶体结构分析、热传导测量、电磁性质测试等，学生需要通过实验操作来加深对固体物理理论的理解和掌握。
固体物理绝热近似
固体物理绝热近似固体物理是研究固体材料的性质和行为的学科，而绝热近似是在物理学中常用的一种近似方法。
综合这两个概念，本文将介绍固体物理中的绝热近似方法。
绝热近似是指在一些物理过程中，认为系统在过程中不与外界交换热量，即系统的内能保持不变。
这种近似方法在固体物理中常被应用于描述固体材料的热力学性质和物理行为。
在固体物理中，绝热近似可以应用于描述固体的压缩性质。
固体材料的压缩性质决定了其在外力作用下的体积变化情况。
当外力作用于固体材料时，固体内部的原子或分子会发生位移，从而导致体积的变化。
而绝热近似认为，在这个过程中，系统不与外界交换热量，即系统的内能保持不变。
这样一来，我们就可以通过对固体材料的压缩性质进行研究，来理解固体的物理行为和性质。
固体材料的压缩性质可以通过测量其体积和外力之间的关系来研究。
实验中通常会施加不同大小的外力，然后测量固体的体积变化情况。
根据绝热近似的假设，我们可以将固体材料的压缩过程看作是绝热过程，即在过程中系统的内能保持不变。
这样一来，我们可以根据固体材料的体积变化来推导其压缩性质的模型。
在固体物理中，绝热近似还可以应用于描述固体材料的热传导性质。
热传导是指热量从高温区域向低温区域传递的过程。
在固体材料中，热量的传递主要通过原子或分子之间的碰撞和振动来实现。
根据绝热近似的假设，在热传导过程中，系统不与外界交换热量，即系统的内能保持不变。
这样一来，我们可以通过对固体材料的热传导性质进行研究，来理解固体的热力学性质和物理行为。
在固体物理中，热传导性质通常通过测量固体材料的热导率来研究。
热导率是指单位时间内单位面积上的热量传递量与温度梯度之间的比值。
根据绝热近似的假设，我们可以将固体材料的热传导过程看作是绝热过程，即在过程中系统的内能保持不变。
这样一来，我们可以根据固体材料的热导率来推导其热传导性质的模型。
固体物理中的绝热近似方法在研究固体材料的热力学性质和物理行为中具有重要的作用。
固体物理总结
4.当电子(或光子)与晶格振动相互作用时，交换能量以
为单位。
晶体热容
1.固体比热的实验规律 (1)在高温时，晶体的比热为3NkB； (2)在低温时，绝缘体的比热按T3趋于零。
2.模式密度
定义：
D(
)
lim
0
n
m D()d3N 0
计算：D3 n12 V π c3
ds
s qq
3.晶体比热的爱因斯坦模型和德拜模型
2.线缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，
这种缺陷称为线缺陷。位错就是线缺陷。
位错
刃型位错：刃型位错的位错线与滑移方向垂直。 螺旋位错：螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
位错缺陷的滑移
刃位错：刃位错的滑移方向与晶体受力方向平行。
螺位错：螺位错的滑移方向与晶体受力方向垂直。
第 五 章 能带理论 总结
Kn
(k
Kn 2
)
0
紧束缚近似
1.模型
晶体中的电子在某个原子附近时主要受该原子势场V(rR n)
的作用，其他原子的作用视为微扰来处理，以孤立原子的电子
态作为零级近似。
2.势场
1.晶体的结合能 晶体的结合能就是自由的粒子结合成晶体时所释放的能量， 或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量。
EbU(r0)U(r0)
2.原子间相互作用势能
u(r)rAm rBn A、B、m、n>0
其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。
3.原子晶体、金属晶体和氢键晶体
(1)原子晶体
结构：第Ⅳ族、第Ⅴ族、第Ⅵ族、第Ⅶ族元素都可以形成
k
r
e ik r
uk
r
固体物理
第一章晶体结构⏹布拉菲点阵概念⏹惯用晶胞（单胞）概念⏹初基晶胞（原胞）概念⏹Wigner-Seize晶胞⏹晶体结构基元+点阵=晶体结构⏹简单的晶体结构（1）sc，bcc，fcc结构的特征（2）金刚石结构（3）六角密堆积结构（4）NaCl结构（5）CsCl结构⏹晶列, 晶向, 晶面, 晶面族, 晶面指数, 密勒指数, 晶面间距晶面指数（hkl)的定义和求法方向指数[abc]的定义和求法⏹对称操作⏹7种晶系和14种布拉菲点阵1以堆积模型计算由同种原子构成的同体积的简立方和面心立方晶体中的原子数之比。
2证明立方晶系的晶列[hkl]与晶面族(hkl)正交3某元素晶体的结构为体心立方布拉菲格子，试指出其格点面密度最大的晶面系的密勒指数，并求出该晶面系相邻晶面的面间距4在立方晶胞中画出（122），（001），（10），（210）晶面和[122]5晶体中可以独立存在的8种对称元素是：、、、、、、、。
⏹布拉格定理⏹倒易点阵初基矢量公式⏹布里渊区的求法（二维正方格子和长方格子）⏹实验衍射方法（劳厄法、转动晶体法和粉末法）⏹倒易点阵矢量和晶面指数间的关系1考虑晶体中一组互相平行的点阵平面（hkl），（a）证明倒易点阵矢量G（hkl）=hb1+kb2+lb3垂直于这组平面（hkl）；（b）证明两个相邻的点阵平面间的距离d（hkl）为2从体心立方铁的（110）平面来的X-射线反射的布喇格角为22º，X-射线波长λ=1.54Å。
试计算铁的立方晶胞边长；(b）从体心立方结构铁的(111)平面来的反射的布喇格角是多少？答案：a）a=2.91Å；b）θ=27.28º3对于点阵常数为a的二维六角点阵，（a）写出正点阵的初基矢量；（b ）计算倒易点阵的初基矢量；（c ）画出第一、第二、第三布里渊区；（d ）计算第一布里渊区的体积。
4半导体材料Si 和Ge 单晶的晶体点阵类型为 ，倒易点阵类型为 ，第一布里渊区的形状为 ，每个 原子的最近邻原子数为 。
固体物理-赝势方法
—— 在离子实的内部用假 想的势能取代真实的势能， 在求解薛定谔方程时，若 不改变能量本征值和离子 实之间区域的波函数 —— 这个假想的势能就叫 做赝势
—— 由赝势求出的波函数 叫赝波函数，在离子实之 间的区域真实的势和赝势 给出同样的波函数
薛定谔方程
Hˆ k Ek k k ___ 布洛赫函数，Hˆ Tˆ V (x)
§4.4 赝势方法
—— 近自由电子模型中假定周期性势场的起伏很小， 可以将其看作是微扰，对一些金属计算得到的能带结 果和实验结果是相符的
—— 在实际的固体中，在原子核附近，库仑吸引作用 使周期性势场偏离平均值很远，在离子实内部势场对 电子波函数影响很大，其波函数变化剧烈
—— 显然势场不能被看作是起伏很小的微扰势场。 这样的矛盾必须用赝势来解决
Tˆ k V (x) k (Ec Ek ) c c k Ek k
c
如果设U (x) V (x) (Ec Ek ) c c c
[Tˆ U (x)] k Ek k
k k c c k c
在离子实与离子实之间 c k 0
k k
证明薛定谔方程和赝波动方程，具有相同的本征值， 在离子实与离子实之间具有相同的波函数。
2） 推广Fˆ为任意算符
赝势U (x)和赝波函数 k 必须满足下式
U (x) k V(x) k c c Ek Ec k
c
'k k c' c' 不唯一，所以
c'
U (x)不唯一，只要 k [U (x) V(x)] k 0
U (x) k V(x) k c c Fˆ k c
c k 0
则 c U(x) k 0
——在离子实的内部，离子实的势能很强。做了赝势计算后
固体物理 2.4结合能
r
m
r
n
粒子由自由状态结合成晶体释放能量； 稳定的晶体分离为各自由粒子吸收能量。
2-4结合能 —— 晶体的结合
结合能W的数学描述
定义：E0为晶体能量；EN为组成该晶体的N个原子处于 自由状态的总能量，则结合能W可表示为：
W E N E0
（1）晶体能量E0等于组成固体的粒子动能和势能的总和,
在绝对零度下,忽略其动能,则E0为晶体相互作用势能U(r0)
1 2 1 4
2
5
G M
1 2 1 2
4 5
2
8
1 5
1 2
4 2
1 2
1 4
1 . 6069
中性离子组选得越大所得数值越准确。
2-4结合能 —— 晶体的结合
例、NaCl的α=？
解：设r为Na+和Cl-的间距,如图选 O点为中心参考离子。
第n近邻 1 2 原子数 6 12 aj
1
2
3
符号 异 同
贡献因子 1/2 1/4
O
3
8
异
1/8
( NaCl ) 6 1
1 2
12
1 2
1 4
8
1 3
1 8
1 . 457
r
一般
( NaCl ) 1 . 7476 , ( CsCl ) 1 . 7627 , ( ZnS ) 1 . 6381
2-4结合能 —— 晶体的结合
例、二维正方离子交替排列的平面离子晶体的马德隆常数
K E A H N 最近邻 4个 次近邻 4个 G M
固体物理电子教案黄昆
固体物理电子教案黄昆第一章：引言1.1 固体物理的基本概念介绍固体的定义和特点讨论固体的分类和结构1.2 固体物理的发展历程回顾固体物理的发展简史介绍固体物理的重要科学家和贡献1.3 固体物理的研究方法介绍固体物理的研究方法和手段讨论实验技术和理论模型第二章：晶体结构2.1 晶体的基本概念介绍晶体的定义和特点讨论晶体的分类和空间群2.2 晶体的点阵结构介绍点阵的定义和类型讨论晶体的点阵参数和坐标描述2.3 晶体的空间结构介绍晶体的空间结构类型讨论晶体的空间群和空间点阵的对应关系第三章：固体物理的电子结构3.1 电子的基本概念介绍电子的定义和性质讨论电子的亚层和轨道3.2 电子的能级和态密度介绍电子能级的概念和计算方法讨论态密度和能带结构3.3 电子的输运性质介绍电子输运的基本概念讨论电子输运的微观机制和宏观表现第四章：固体物理的能带理论4.1 能带理论的基本概念介绍能带理论的定义和意义讨论能带结构的类型和特征4.2 紧束缚近似和自由电子近似介绍紧束缚近似和自由电子近似的方法和应用讨论紧束缚近似和自由电子近似的结果和限制4.3 能带结构的计算和分析介绍能带结构的计算方法和技术讨论能带结构的结果和分析方法第五章：固体物理的实验技术5.1 实验技术的基本概念介绍固体物理实验技术的方法和手段讨论实验技术的原理和应用5.2 X射线衍射技术介绍X射线衍射技术的原理和应用讨论X射线衍射技术的实验操作和数据处理5.3 电子显微技术介绍电子显微技术的原理和应用讨论电子显微技术的实验操作和图像分析第六章：固体物理的电子光谱6.1 电子光谱的基本概念介绍电子光谱的定义和分类讨论电子光谱的实验测量和理论分析6.2 光电子能谱（PES）介绍光电子能谱的原理和应用讨论光电子能谱的实验操作和数据解析6.3 吸收光谱和发射光谱介绍吸收光谱和发射光谱的原理和特点讨论吸收光谱和发射光谱的应用和分析方法第七章：固体物理的电子性质7.1 电子迁移性和导电性介绍电子迁移性和导电性的定义和测量讨论电子迁移性和导电性的影响因素和机制7.2 电子的散射和碰撞介绍电子散射和碰撞的概念和类型讨论电子散射和碰撞对电子输运性质的影响7.3 电子的关联和相互作用介绍电子关联和相互作用的的概念和机制讨论电子关联和相互作用对固体物理性质的影响第八章：固体物理的半导体材料8.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义和特点讨论半导体的分类和制备方法8.2 半导体的能带结构介绍半导体能带结构的类型和特征讨论半导体的导电性质和应用8.3 半导体器件和集成电路介绍半导体器件和集成电路的基本原理和结构讨论半导体器件和集成电路的应用和发展趋势第九章：固体物理的超导材料9.1 超导体的基本概念介绍超导体的定义和特点讨论超导体的分类和制备方法9.2 超导体的能带结构和电子配对介绍超导体的能带结构和电子配对机制讨论超导体的临界温度和临界磁场9.3 超导体的应用和前景介绍超导体的应用领域和实例讨论超导体的前景和挑战第十章：固体物理的新材料探索10.1 新材料的基本概念介绍新材料的定义和特点讨论新材料的研究方法和手段10.2 新材料的制备和表征介绍新材料的制备方法和表征技术讨论新材料的性能和应用10.3 新材料的研究趋势和挑战介绍新材料研究的发展趋势和挑战讨论固体物理在新材料研究中的作用和意义重点解析本文教案主要介绍了固体物理的基本概念、晶体结构、电子结构、能带理论、实验技术、电子光谱、电子性质、半导体材料、超导材料以及新材料探索等内容。
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中国科学院研究生院
2008年招收攻读博士学位研究生入学统一考试试卷
科目名称：固体物理实验方法
考生须知：
1. 本试卷满分为100分，全部考试时间总计180分钟。
2．所有答案必须写在答题卷上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。
3．所有答题必须在答题卷上注明题号。
一、概念题：简述功能与原理（共40分，每小题5分）
1. 穆森堡尔谱
2. 电子自旋共振
3. 核磁共振
4. 原子吸收光谱
5. 荧光光谱
6. X光小角衍射
7. 俄歇能谱
8. 喇曼光谱
二、选择题（共20分，每小题4分，每题只有一个正确答案）
1. FeO和Fe2O3的结构分析：
A.X光衍射 B.核磁共振 C.穆森堡尔谱
2. 确定磁有序化类型的方法：
A.核磁共振 B.穆森堡尔谱 C.中子衍射
3. 固体内空位和空位团的有效分析手段：
A.透射电镜 B.正电子湮灭谱 C.俄歇电子谱
4. 确定和测量窄带隙半导体能隙的方法：
A.红外吸收光谱 B.光吸收谱 C.发光光谱
5. 测量半导体材料悬挂键的有效方法：
A.电子自旋共振 B.正电子湮灭谱 C.穆森堡尔谱
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三、判断题（正确打√，错误打×）（共10分，每小题2分）
1. 研究铁磁体中的磁振子可采用喇曼光谱。
2. 测定晶体结构的相变可用DSC热分析手段。
3. 纳米粒子的颗粒度可用X光谢乐公式测量。
4. 测量块体内部的电子结构可用XPS。
5. 可用发光光谱来研究电子能带结构。
四、思考题（共20分，每小题10分）
1. 试举三种表面分析的仪器，简述原理、功能和适用条件。
2. 试比较喇曼光谱法、红外光谱法、核磁共振谱、质谱在物质结构分析中的相
同点和各自的优势及不足。
五、论述题（共10分）
欲测量半导体材料的电子输运特性，应选择什么样的技术手段进行测试（至少举
出两种方法），并说明每种手段的功能和使用条件。