固体物理名词解释

一.名词解释

倒格子空间：指由倒易点阵基矢所张的空间，又叫倒易空间。其中每个倒格子基矢与正格子的一个基矢的模成反比且与另外两个正格矢正

交。

配位数：直接同中心离子（或原子）配位的异性离子（或原子）的数目。

声子：晶格振动的简正模能量量子。

能带：晶体中由于电子的共有化使本来处于同一能量状态的电子产生微小差异，与此对应的能级扩展为准连续的能级而形成能带。

几何结构因子：原胞内所有原子在某一方向上引起的散射波的总振幅与某一电子在该方向上所引起的散射波的振幅之比。

弗仑克尔缺陷：是指晶体结构中格点粒子离开格点位置，成为间隙粒子，并在原格点处留下空位，这样的空位-间隙对就称为弗仑克尔缺陷。

肖特基缺陷：由于晶体中格点粒子热运动到表面，在原来位置留下空位，所形成的缺陷。

布里渊区：在倒易点阵中，取任意格点为原点，被倒格矢的垂直平分面（布拉格面）包围的、围绕着原点的最小区域称为第一布里渊区）。费米能：在绝对零度时，处于基态的单个费米子的最高能量。

费米能级：费米能级是绝对零度下电子占据态的最高能级。

费米面：波矢空间中能量为费米能的点所构成的曲面。

晶格：晶体中原子周期性排列的具体形式。

原胞：指一个晶格最小的周期性单元。习惯上原胞常取以基矢为棱边的平行六面体。

态密度：单位能量间隔内的电子态数目。

波函数：量子力学中用来描述粒子的德布罗意波的函数。

格波：晶格中的原子振动是以角频率为3的平面波形式存在的，这种波就叫格波。

二、论述题

1、电子能带理论对认识金属、绝缘体和半导体等材料本质的意义。

能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。是于20世纪初期，在量子力学确立以后发展起来的一种近似理论。它曾经

定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点，并进而说明了导体与绝缘体、半导体的区别所在，解释了晶体中电子的平均自由程问题。自20 世纪六十年代，电子计算机得到广泛应用以后，使用电子计算机依据第一原理做复杂能带结构计算成为可能。能带理论由定性发展为一门

定量的精确科学。固体材料的能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带等，导带和价带间的

空隙称为能隙（即右边第二副图中所示的曰）。能带结构可以解释固体中导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来。材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属

材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通

常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因

此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。

2、就自己所知，讨论一下凝聚态物理研究领域热点问题及其研究特点

凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；

外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用，等等，形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。

前沿研究热点层岀不穷，新兴交叉分支学科不断岀现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许

多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力。近20年来凝聚态物理的研究热点：1.

准晶态的发现（1984年）2.高温超导体的发现 YBaCuO2（ 1986年）3.纳米材料（1984年）4.材料的巨磁阻效应 LaSrMnO3（ 1992年）5.新的高温超导材料MgB2（2001年）

3、阐述固体物理学中的能带理论对功能材料设计的指导意义。

在固体物理学中，固体的能带结构（又称电子能带结构）描述了禁止或允许电子所带有的能量，这是周期性晶格中的量子动力学电子波

衍射引起的。材料的能带结构决定了多种特性，特别是它的电子学和光学性质。

能带理论是讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原子实的势场、其他价电子的

平均势场和考虑电子波函数反对称而带来的交换作用，是一种晶体周期性的势场。能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的

共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续

能级构成的许多能带。

能带理论是现代固体电子技术的理论基础，对于微电子技术的发展起了不可估量的作用。

能带理论研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子核和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为

使问题简化，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及

其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论，它首先由 F.布洛赫和.布里渊在解

决金属的导电性问题时提岀。具体的计算方法有自由电子近似法、紧束缚近似法、正交化平面波法和原胞法等。前两种方法以量子力学的

微扰理论作为基础，只分别适用于原子实对电子的束缚很弱和很强的两种极端情形；后两种方法则适用于较一般的情形，应用较广。

4. 晶格振动中存在非简谐效应的产生机理及其对晶体物理性能的影响

晶格振动的讨论都是在简谐振动下进行的，原子相互作用的是势能函数的展开式中只保留原子位移的二次项，略去了三次及更高项。这些高此项通常称为非简谐项，它引起的效应称为非简谐效应，他对晶体的许多物理性质都是有影响的，主要表现在状态方程、热膨胀、热传导等方面。

温度不同的两晶体接触后，最终要达到同一个温度•温度保持不变的结论是晶格振动简谐近似的推论•自然，温度最终达到个衡必定是晶

格振动的非简谐效应所致。过声子的碰撞机制，两物体最终达到热平衡，温度相等•这就是说，没有声子的碰撞，就没有热平衡；但没有非简谐效应，就不会发生声子碰撞•所以热传导是-个典型的非简谐效应.

固体的热膨胀是固体中相邻原子间的平均距离增大。晶体中两相邻原子间的势能是原子核间距离的函数，势能曲线是一条非对称曲线。在

一定的振动能量下，两原子的距离在平衡位置附近改变着，由于势能曲线的非对称性，其平均距离r大于平衡时的距离ro ;在更高的振动

能量时，它们的平均距离就更大。由于振动的能量随温度升高而增大，所以两原子间的平均距离也随温度升高而增大，结果使整块固体胀大。