固体物理基础绪论和第一章

课程特点、学习方式及考试

Fundamental, Comprehensive, Developmental
(Important)


以上课的ppt内容为主
理解基本概念
不管公式推导
考试：
期末70％＋作业20％＋考勤10％
浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
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SUPERFLUID HELIUM
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思考题
1. 2.
在自然界中常见物态有那些？ 物质在结晶态（固态）、液态、气态时 的突出特征是什么？ 简述物质的第四态（等离子态）的特征
3.
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固体物理的研究对象
固体 固体物理 主要任务 离子
价电子

•
复式原胞 重复的 晶Hale Waihona Puke Baidu结构


• • 基元中任意点子或结点作周期性重复的晶体结构
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非晶体结构：不具有长程有序。有此排列结构的材料为
非晶体。
了解固体结构的意义：固体中原子排列形式是研究固体
材料宏观性质和各种微观过程的基础。 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
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1. 简单立方晶格
一、 晶 格 的 实 例
晶体格子（简称晶格）：
2. 体心立方晶格 3. 原子球最紧密排列的两种方式
8、中子态
在更高的温度和压力下， 原子核也能被“压碎”。 原子核由中子和质子组 成，在更高的温度和压 力下质子吸收电子转化 为中子，物质呈现出中 子紧密排列的状态，称 为“中子态”

中子星
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9、超导态
超导态是一些物质在超低温 下出现的特殊物态。 最先发现超导现象的，是荷 兰物理学家卡麦林· 昂纳斯 （1853～1926年）。 某些物质在低温条件下表现 出电阻等于零的现象称为超 导。超导体所处的物态就是 “超导态”。
研究离子的运动规律 研究电子的运动规律 阐明固体的宏观性质
研究对象
结晶体（晶体）－原子排列长程有序 非晶体－原子排列只有短程序而无长程序 准晶体 液晶 等离子体 玻色－爱因斯坦凝聚体 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
课程的主要内容
晶体结构
晶体结合
晶格振动
能带理论
半导体
固体磁性、超导电性、光子晶体等
固体物理基础
Basic Solid State Physics
主讲人：黄靖云
浙江大学 2010年11月18日
物质的物态种种 物质的两种基本存在形态
实物 质量集中在某一空间，一般有比较确定 的界面。 场 “场”是实物之间进行相互作用的物质 形态。它是看不见摸不着的物质，可以 充满全部空间，具有“可入性”。
面心立方晶格 （立方密排晶格）
面心（111） 以立方密堆方式排列
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面心立方晶体（立方密排晶格）
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金刚石结构
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六方密堆晶格的原胞
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三 、布喇菲格子与复式格子

NaCl 晶体
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2、液态
液体没有一定形状，并具有 流动性，具有一定的体积， 不易压缩。 液体还有“各向同性”特点 （不同方向上物理性质相同）



类晶区 液体内部许多小的区域仍存在类似晶体 的结构。 液体表面现象 由于液体分子间距小，分子间相互作用 力较大，当液体与气体、固体接触时， 交界处由于分子力作用而产生一系列特 殊现象
体心立方晶格的典型单元 体心立方晶格的堆积方式
排列规则：层与层堆积方式是上面一层原子球心对 准下面一层球隙，下层球心的排列位置用A标记， 上面一层球心的排列位置用B标记，体心立方晶格 中正方排列原子层之间的堆积方式可以表示为 ： AB AB AB AB…
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体心立方晶格的特点：

极光、闪电与太阳
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7、超固态

在140万大气压下，物质 的原子就可能被“压碎”。 电子全部被“挤出”原子， 形成电子气体，裸露的原 子核紧密地排列，物质密 度极大，这就是超固态
一块乒乓球大小的超固态 物质，其质量至少在1000 吨以上
白矮星

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十种物质聚集状态
固态 solid 2. 液态 liquid 3. 气态 gas 4. 非晶态 5. 液晶态 liquid-crystal 6. 等离子态 plasma 7. 超固态 supersolid 8. 中子态 neutronium 9. 超导态 super-conduct 10. 超流态 super-fluid
Si Lu2O3 ZnO ZnO/Lu2O3/Si Lu O
+
+
=
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第一章 晶体结构 (Crystal Structure)
晶体结构
固体的结构分为： 非晶体结构 准晶…….
空间点阵 密勒指数 倒格子
晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期
性，或者称长程有序。有此排列结构的材料为晶体。晶体 中原子、分子规则排列的结果使晶体具有规则的几何外形， X射线衍射已证实这一结论。

超导抗磁性
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10、超流态



据目前所知，超流态只发生在超 低温下的个别物质上。我们将具 有超流动性的物态称为“超流 态”。 最先发现超流现象是1937年前苏 联物理学家彼得· 列奥尼多维奇· 卡 皮察（1894~1984）。液氦（2.17K） 超流动性 可以无任何阻碍地通过连气体都 无法通过的极微小的孔或狭缝， 还可以沿着杯壁“爬”出杯口外。
1.
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1、固态
物理上的固态应当指“结晶 态”，也就是各种各样晶体所 具有的状态 物质在固态时的突出特征是有 一定的体积和几何形状，在不 同方向上物理性质不同（各向 异性），且具有一定的熔点 在固体中，分子或原子有规则 地周期性排列着。晶体的这种 结构称为“空间点阵”结构
结晶态和液态之间的一种形 态 液晶材料属于有机化合物。 这种材料在一定温度范围内 可以处于“液晶态”，既具 有液体的流动性，又具有晶 体在光学性质上的“各向异 性”。它对外界因素（如热、 电、光、压力等）的微小变 化很敏感。

液晶显示原理
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6、等离子态
是气体在约几百万度的极 高温或在其它粒子强烈碰 撞下所呈现出的物态，这 时，电子从原子中游离出 来而成为自由电子。 等离子体就是一种被高度 电离的气体，但是它又处 于与“气态”不同的“物 态”
水滴· 海水
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3、气态
有流动性，没有固定的形状和 体积，能自动地充满任何容器； 容易压缩；物理性质各向同性 气态物质分子或原子运动更剧 烈，“类晶区”不存在了。由 于分子或原子间的距离增大， 它们之间的引力可以忽略，因 此气态时主要表现为分子或原 子各自的无规则运动











表示钠
表示氯

钠离子与氯离子 分别构成面心立 方格子，氯化钠 结构是由这两种 格子相互平移一 定距离套购而成。
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2 . 氯化铯结构









表示Cs 。 表示Cl 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云

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物态(State)
什么是物态 “物态”是按属性划分的实物存在的基 本形态，它都表现为大量微小物质粒子 作为一个大的整体而存在的集合状态。 进一步研究发现物质的形态结构远不止 “实物”和“场”两类。 人类迄今知道的“物态”已达10余种之 多。

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1 . 氯化钠结构

















晶体中原子排列的具体形式。
原子规则堆积的意义：
把晶格设想成为原子规则堆积，有助于理解晶 格组成，晶体结构及与其有关的性能等。
掌握 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
1. 简单立方晶格
特点： 层内为正方排列，是原子球规则排列的最简单形式；
原子层叠起来，各层球完全对应，形成简单立方晶格；
这种晶格在实际晶体中很少（Po的α相晶体），但是一 些更复杂的晶格可以在简单立方晶格基础上加以分析。
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主要参考书
1、 黄昆原著，韩汝琦改编，《固体物理学》，高等教育
出版社 2、 方俊鑫，陆栋主编，《固体物理学》，上海科学技术 出版社 3、 C. 基泰尔著，项金钟，吴兴惠译《固体物理导
论》（原著第八版），化学工业出版社
4、 N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics, 世界图书出版公司 5、图书馆任何一本固体物理书 浙江大学硅材料国家重点实验室 黄靖云
为了保证同一层中原子球间的距离等于A-A层之间的 距离，正方排列的原子球并不是紧密靠在一起； 由几何关系证明，间隙=0.31r0，r0为原子球的半径。 具有体心立方晶格结构的金属：Li、Na 、K、 Rb、 Cs、 Fe等，
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3.原子球最紧密排列的两种方式
密排面：原子球在该平面内以最紧密方式排列。
堆积方式：在堆积时把一层的球心对准另一层球隙， 获得最紧密堆积，可以形成两种不同最紧密晶格排列。
AB AB AB排列 （六角密排晶格）
ABC ABC ABC排列 （立方密堆）
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前一种为六角密排晶格，（如Be、Mg、Zn、Cd）， 后一种晶格为立方密排晶格，或面心立方晶格（如 Cu、Ag、Au、Al）
固体碳的维度
0-D: C60 , Cn 1-D: 纳米碳管
3-D: 金刚石 2-D: 石墨
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形态各异的ZnO纳米材料
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新型的缓冲层材料 — Lu2O3
Lu2O3与Si、ZnO的晶格失配 — Si:4.4% — ZnO:11.5%
3 . 钙钛矿型 结构
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结晶学原胞
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•

°
• •
•




°
•
表示Ba 表示O









°
•






氧八面体
°
•
表示Ti
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• ° •• ° • • ° • • • • • • ° • • ° •• ° • • • •• •• •• • • •• •• • • •

热气球· 液化气体
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4、非晶态
没有一个固定的熔点。 物理性质 “各向同性”。 内部结构没有“空间点 阵” ，与液态的结构类 似。 “类晶区”彼此不能移 动，没有流动性。

玻璃· 石蜡· 橡胶 树脂· 塑料
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5、液晶态
把基元只有一个原子的晶格，叫做布喇菲格子；
把基元包含两个或两个以上原子的，叫做复式格子。
注：如果晶体由一种原子构成，但在晶体中原子周
围的情况并不相同（例如用X射线方法，鉴别出
原子周围电子云的分布不一样），则这样的晶格
虽由一种原子组成，但不是布喇菲格子，而是复
式格子。原胞中包含两个原子。
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原子球的正方排列
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简单立方晶格典型单元
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简单立方晶格的原子球心形成一个三维立方格子结 构，整个晶格可以看作是这样一个典型单元沿着三 个方向重复排列构成的结果。
简单立方晶格单元沿着三个方向重复排列构成的图形
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2. 体心立方晶格 • • • • • • • • •