教材固体物理学

绪 论
物质状态的分类
物质可以分成四大类：等离子体、气体、液体和固体
绪 论
(1) 等离子体 宇宙中几乎99%的物质都是等离子体，等离子体是 由离子、电子和中性粒子组成的，没有一定的形状和体
积，粒子的排列没有规律。
绪 论
(1) 等离子体
太阳风
极光: 地球磁层或太阳的高能 带电粒子流(太阳风)使高层大 气分子或原子电离而形成
绪 论
固体物理的研究对象： 3) 组成粒子之间相互作用与运动规律
金刚石、硅单晶结构相同，最外层电子数相同
但它们的导电性差别很大！
①金刚石—— 绝缘体
②硅单晶—— 半导体 差别在于电子与原子周期势场的相互作用!
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
k
硅单晶能带分布示意图
120度。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。
金刚石结构示意图
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，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。 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，其中没有可以用 来导电的自由电子，所以金刚石是绝缘体。
•
当时国际上大多数科学家都反对准晶体理论，但是谢赫特曼还是坚 持准晶体的研究。 反对最激烈、声望最高的是两度获得诺贝尔奖的莱纳斯· 鲍林。鲍林 曾经说：“谢赫特曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科学 家。” 由于鲍林在国际化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家” 的称谓不胫而走。 • 在准晶的研究方面 ，我国的水平几乎与国外同 步。 • 1984年中科院沈阳金属所郭可信院士领导的研 究组在急冷合金中发现了二十面体准晶，这是 首例非Al基准晶相 。
绪 论
晶体： 天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶等等
食盐(NaCl)晶体
石英(SiO2)晶体
晶体外形具有规则性的几何形状 晶体外形的对称性与其物理性质 之间有一定联系 晶体外形的规则性是内部原子排
雪花晶体
布规则性的反映
NaCl晶体的原子排布
CaCO3(方解石)晶体的原子排布
《固体物理学》 —— 顾秉林 王喜昆， 清华大学出版社
《固体物理基础》 —— 阎守胜，北京 大学出版社 给出不完善的模型、定律
这个定律能够说明某些实验现象，但不能
解释另一些现象 找出问题所在，提出更准确的定律、模型
《固体物理学》
课程考核：平时成绩(作业) + 期末考试成绩 考勤：课程考核的考虑因素 答疑时间：周三 晚7:30--9:00 答疑地点：基础学科大楼B857
长程平移对称序 长程的取向(转动)序 YBaCuO晶体的原子排布
理想晶体 —— 内在结构完全规则的固体，也叫做完整晶体
实际晶体 —— 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则 排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体
非晶体：
玻璃、橡胶、塑料
Be2O3 晶体
Be2O3非晶玻璃
准晶体 ： 1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金
《固体物理学》
教材：《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪，
高等教育出版社
《固体物理学》
参考书目：
《Introduction to Solid State Physics》 —— C. KITTEKL, John Wiley
《固体物理学》 —— 黄昆 韩汝琪， 高等教育出版社 《固体物理学》 —— 方俊鑫 陆栋, 上 海科学技术出版社 给出定律、概念 说明这些定律的适用条件、如何应用 给出结果和结论 《Solid State Physics》 —— N. W. Ashcroft, Holt Rinehart
电子衍射图中具有五重对称的斑点分布
介于晶体和非晶体之间的新的状态——准晶态
准晶体内部原子排列是怎样？
风筝 箭头
准晶态的特点：
具有长程的取向序而没有长程的平移对称序 (旋转对
称，平移不对称，无平移周期性) 长程取向序具有晶体周期性不能容许的点群对称性
沿取向序对称轴方向具有准周期性，有两个或两个
火焰上部的高 温部分能够热 到使气体离子 化时就会成为 等离子
绪 论
(2) 气体 气体没有一定的形状和体积，粒子排列没有一 定的规律。 (3) 液体 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)。 (4) 固体 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状，粒 子间作用力很大。
②金刚石 —— 绝缘体、导热性较差、硬度高。
差别仅在于结构(粒子的排列方式)!
石墨层状和单层结构示意图
石墨结构：
①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，结合力比较弱。所以反映在宏观上就是 石墨比较松软。 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
结构完全相同、电子能带分布十分相似，但是由于金刚 石的禁带宽度(5.5eV)比硅单晶(1.17eV) 的禁带宽度宽。所以 导电性能就不一样。
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固体分类 晶体 —— 原子按一定的周期规则排列的固体(长程有序) ① 长程有序是指103～104Å量级以上排列有序 ② 短程有序是指102Å以下量级排列有序 非晶体 —— 原子的排列没有明确的周期性(短程有序) 准晶体 —— 原子排列具有准周期性(长程的取向序，无长 程平移对称序)
绪 论
一 固体物理学的定义 —— 研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间 相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科 固体物理的研究对象： 1) 组成粒子(原子、离子、电子)
绪 论
固体物理的研究对象：
2) 固体结构
金刚石、石墨固体都是由碳原子组成，组成粒子完全相同 但它们的物理性质完全不同！ ①石墨 —— 导电性、导热性好，硬度低、强度低；
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物质状态之间的转换
绪 论
固体是一个复杂的客体 —— 每一立方米中包含有约 1029 个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强 固体的宏观性质 —— 是大量粒子之间的相互作用和集体 运动的总表现
固体物理是一门实验性学科 —— 为阐明固体表现出的实
验现象与内在本质的联系，需要建立和发展关于固体的微 观理论
以上不可公度的特征长度按非周期的特定序列方式排 列。
2 2 y A sin x B sin x a1 a2
不可公度：线段的比值为无理数，或者说二者不存在 公倍数
Danielle.Shechtman(1941-)理论物理学家 • • • 1982年，他率先在AlMn合金中发现准晶体 现象 2011年获得诺贝尔化学奖