固体物理学

(5) NaCl 结构

Na离子、Cl离子分别构成面心立方格子 两个格子分别沿对角线位移1/2
碱卤化物，除Cs外都是该结构
（6）金刚石结构


在面心立方4条互不相邻对角线1/4位置增加原子
每个原子与4个最近邻组成正四面体 面心立方顶角、面心原子与体对角线上原子位置不等价， 分别组成两个面心立方，沿体对角线平移1/4 典型晶体：Ge、Si等
体。
1.1 一些晶格的实例
晶格：原子按一定规则排列，这种排列的具体方式
称晶体格子。

强调晶格分类按原子间的相对位置分类
不同晶体中原子排列方式不同，就说晶格结构不同，如金 刚石和石墨, Si和Ag。
不同晶体中原子排列方式相同，只是原子间间距不同，说 它是一种晶格，如Cu 和 Au，Si和Ge。

研究原子结构强调相对位置，常用刚球模型，忽略原 子其它性质。

排列方式：ABABAB….. 体心立方层内原子不可能接触，体对角线为
4ro 3a, a 2.31ro 2ro 3

体心立方结构晶体自然界中很多：Li, Na, K, Rb,Cs，
Fe…..都是
0.31ro r0
a
(3)六角密排（ hexagonal close-packed, hcp ）
外形不一定是判断晶体的可靠性标志。在十八世纪，Haüy(阿羽 依)从理论推断—晶体规则外形是晶体中原子、分子规则排列的
结果，提出了“小基石”周期排列模型，但实心基石组成无缝隙
晶体与实际不符。但人们认识到晶体中原子排列具有周期性。

在十九世纪中叶，Bravais 发展了空间点阵学说，概括了晶格周
期性特征。
1 2

1 2
3 4
1 4
1 4
1 2
3 4
1 2
金刚石结构中的共价四面体
金刚石
（6）金刚石结构
两个面心立方沿体对角线平移1/4长度套构而成。

结构 1）一个面心立方结构
2）四条互不相邻的体对角线上1/4长度处各有一个原子

特点 八个顶角各有一个原子，六个面心各有一个原子，
四条互不相邻的体对角线上各一个原子。

两种原子各自构成
六角密排结构，一种
原子在与另一种原子
形成四面体键位置

ß -ZnS. MgTe, CdS,
ZnTe, AgI
(10) 钙钛矿结构

(CaTiO3)—ABO3，顶角A，体心B, 六个面心O B周围是O, 组成八面体 5个简立方套构而成
(10)YBa2Cu3O7 (3层）
Ba Cu O
几种不同外形的石英晶体
晶体的宏观特点：

解理性：沿某些确定方位的晶面容易劈裂开，如层状云母， 人们认识到原子排列各方向不同

各向异性：晶体的物理性质在不同方向上存在着差异
如：刚性上：解理性 力学上：弹性模量各向不同； 电学上：介电常数各向异性； 光学上：出现双折射—折射率各向异性

固定的熔点

实际存在的晶体体积总是有限的，组成晶体的原子在表面和
体内存在一定的差别；晶体中的原子在有限温度下是作杂乱
的、经久不息的热振动；晶体内部还可能出现某些缺陷，夹 含某些杂质等。

然而在固体物理中，总是在理想模型的基础上，把热振动、 缺陷、杂质等作为对理想结构的一种微小干扰来考虑。

尽管理想晶体并不存在，但却近似而又本质的反映了实际晶
复排列的，一种结构贯穿整体，这样的晶体称 为单晶，如石英单晶，硅单晶。
多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的
整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。
非晶（体）的基本特点：
无规则的外形和固定的熔点，内部结构也
不存在长程有序，但在较小的范围内（至少是
几个原子间距）存在结构上的有序排列——短
程有序
Y
(11) 红镍矿
Ni构成双层简单六角，As位于所有八面体空隙
(12) 金红石（TiO2)
四方结构，Ti位于O八面体空隙
(7) 闪锌矿结构

原子分布与金刚石结构相似，只是对角线上原子与面心、
顶角原子为不同种类原子 III-V族半导体GaAs ，II-VI族(立方ZnS), CuCl...

(8) CsCl结构

将体心立方体心原子与顶角换为不同原子

两种原子各自组成简单立方晶格，沿对角线位移1/2
Cs Cl
(9) 纤锌矿结构

排列方式： 排列方式：ABABAB (六方密堆积)
层内原子密排列，层之间原子密接触
自然界中,碱土金属Be, Mg及Zn, Cd, Ti等三十多种晶体
(4) 面心立方（face-centered cubic, fcc）

排列方式： ABCABC (立方密堆积) 层内原子密接触 自然界中很多：Cu, Ag, Au …

在十九世纪末，费多夫、熊夫利（A.Shoenflies）、巴罗（W. Barlow）等独立地发展了关于晶体几何结构的空间群理论。

1912年劳厄（Laue）首先提出的X射线衍射方法，从实验上验证
了群理论。经过几十年研究，对晶体的特征有了一定了解，但对 非晶研究远不如晶体，对准晶的研究更不全面。
本章主要介绍晶体中原子排列的几何规则。
固体物理学
微电子学院 贾护军
88201604 hjjia@mail.xidian.edu.cn
教材及参考书
教材：
固体物理学，黄昆，韩汝崎编，高等教育出版社，1985年。
参考书：
材料物理导论，徐毓龙，阎西林，曹全喜等编，电子科技大 学出版社， 1995年；
固体物理学（上），方俊鑫，陆栋编，上海科学技术出版社，1983年；
晶格实例：
(1) 简单立方（simple cubic, sc）结构
平面上原子排列成正方形，在球正上方重复放置，球心
变为点，形成空间简单立方结构。 结构不稳定，没有实际晶体具有简单立方结构，复杂晶 格可在简单立方晶格基础上分析。
(2) 体心立方（body-centered cubic, bcc）结构
（如非晶硅：a-Si）
石英晶体
石英玻璃

固体中因为具有周期性，晶格的对称性不能有5重旋转对称
以及高于6重旋转对称性。

1984年谢其曼（ D.Shechtman）等从实验上发现了具有5重 旋转对称性的不同于晶体和非晶体的固体，称准晶，开辟 了固体结构的新领域。

准晶： 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
主要内容:

结晶学理论
晶格振动理论
能带理论

缺陷理论
注意事项

掌握固体物理的基本概念、思维方法和学习 方法；针对某一特殊过程，抓住主要矛盾， 突出主要因素，建立模型。

记好笔记。wenku.baidu.com作好作业。
考核方式

平时成绩20分：课堂考核+作业完成情况 期末考试：闭卷，百分制 总评成绩=平时成绩+考试成绩（80%） 无平时成绩时：总评成绩=考试成绩
观性质和微观过程均与固体的结构有关。
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。
晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原 子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级） 是按一定的方式有规则的排列而成——长程有序
（如Si，Ge，GaAs）
晶体又可分为：单晶和多晶，本节主要讲单晶。
单晶：在整块材料中，原子都是规则地、周期性地重

准晶是介于周期晶体和非晶玻璃之间的一种新的固体物质 形态。

目前已经发现的准晶材料多数为金属键化合物，结构独特， 性质优异。
具有5重旋转对称性，但不具有长程的平移对称性，不能 用一个原胞平移复制出全部晶格。
Al65Co25Cu10合金 准 晶
晶体的宏观特点：

外形规则：如NaCl和石英晶体，外形不同，晶面之间夹角确定
第一章 晶体结构
1.1 一些晶格的实例 1.2 晶格的周期性 1.3 晶向、晶面和它们的标志
1.4 倒格子
1.5 晶体的宏观对称性
前 言
物质的分类：气体、液体、固体、等离子体。
固体材料由大量原子（或离子）组成，
1022-1023/cm3 。原子、离子的排列是有规律的，
这种排列方式称固体结构。固体材料的各种宏

理想晶体：组成晶体的粒子以某种排列规则无 限排列下去形成的晶体，其中不存在任何杂质 和缺陷。

缺陷：就是一种违反现存的排列规律而出现的
一种异常现象。

简而言之，晶体结构就是组成晶体的微粒的排 列规则

由于晶体具有周期性，因此在固体物理中通常都是从分析一
个完整而无限的单晶模型开始（理想晶体）。

材料物理基础，宗祥福，翁渝民编著，复旦大学出版社，2001年；
材料科学基础，杜丕一，潘颐编著，中国建材工业出版社，2002年； 物质结构，潘道铠，赵大成等编著，高等教育出版社，1988年；
固体物理，韦丹著，清华大学出版社，2003年。
课程特点：
专业基础课 研究生入学统考课程
研究对象：
固体的结构及其组成固体的微观粒 子（原子、离子、分子、电子等）之间 相互作用与运动规律，以阐明固体的性 能和用途。