固体物理学绪论(高教知识)
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➢ 准晶体: 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
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
全面分析
5
晶
非
体
晶 体
规则网络
全面分析
无规网络
6
Al65Co25Cu10合金
准晶
全面分析
7
二、固体物理学的发展历史
阿羽依
规则几何外形 ↔ 内部规则性
固体物理研究固体材料中那些最基本的、有普遍意
义的问题。
晶格结构
晶格理论
晶格动力学 晶格热力学
理想晶格
固 体 物
电子理论
实际晶格理论 能带理论（包括电磁场中的电子运动） 金属中的自由电子气
理
功函数、接触电势等
输运理论 ：电子与晶格的相互作用
固体物理分论 半全导面分体析 、磁学、超导、非线性光9 学
本课程学习内容
配位数：一个原子周围最近邻原子的数目。
对于体心立方（bcc）配位数为 8 。
全面分析
14
b. 密堆积： ➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积
排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体： Cu、Ag 、Au、Ca、Sr、Al、
全面分析
fcc的配位数为12；15
全面分析
21
§1.2 晶格的周期性
一、晶格与布拉伐格子 1. 晶格：晶体中原子（或离子）排列的具体形式。
2. 布拉伐格子(空间点阵）
➢布拉伐格子：一种数学上的抽象，是点在空间中周期性的规则排列。
➢格点：空间点阵中周期排列的几何点。所有点在化学、物理和几何环 境上完全相同。
➢基元：每一个格点所代表的物理全实面分体析。
22
布拉伐格子一共有14 种。
sc
bcc
fcc
立方晶系的布拉伐格子
全面分析
23
实际晶格 = 布拉伐格子 + 基元
若格点上的基元只包含一个原子，那么晶格为简单晶格。
晶格中所有原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同 的。
若格点上的基元包含两个或两个以上的原子（或离子）， 那么晶格为复式晶格。
简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组 成的晶格却不一定是简单晶格。如金刚石和hcp晶格都是 复式晶格。
➢ 密排六方（ hexagonal close-packed, hcp ）堆积 排列方式： ABABAB (六方密堆积)
典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti
hcp的配位数为12；
全面分析
16
全面分析
17
c. 金刚石结构： ➢ 金刚石结构
典型晶体：金刚石、Si、Ge
金刚石的配位数为 4；
全面分析
27
二、基矢和原胞
a2 0 a1
全面分析
28
1. 格矢: Rl 2. 基矢：
任一格矢
Rl l1a1 l2 a2 l，3 a3
如果所有l1、l2和l3均为整数，则称这组坐标基 a1、a2和 a3为基矢。
对于一个空间点阵，基矢的选择不是唯一的，可以有多种不同的
选择方式。
全面分析
29
a2 0 a1
固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原子/cm3。 固体结构就是指这些原子的排列方式。
全面分析
4
固体的分类
➢ 晶 体: 规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。 长程有序性，有固体的熔点。E.g. 水晶 岩盐
➢ 非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。 短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶
全面分析
1
窥天地之奥而达造化之极。 ——李时珍
为学之道，莫先于穷理；穷理
之要，必在于读书；读书之法，莫
贵于循序而致精；而致精之本，则
又在于居敬而持志。——朱熹
全面分析
2
主要参考书
• 黄昆，韩汝琦.《固体物理》,高教出版社. • Charles Kittel. Introduction to solid state physics.
1、描述晶体周期性的基本方法，典型的晶格结构。 2、固体的结合力（四种） 3、晶格动力学 4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气）
5、介绍一些典型固体材料的性质
全面分析
10
第一章 晶体结构
全面分析
11
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
全面分析
24
复式晶格
SC + 双原子基元
fcc + 双原子基元
由同种原子构成的金刚石晶格也是复式晶格。
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1 2
3
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1
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4
4
1 2
A类碳原子的 全共面分价析键方向
B类碳原子的 共价键方向26
hcp也是复式晶格。
复式晶格包含多个等价原子，不同等价原子的简单晶格 相同。复式晶格是由等价原子的简单晶格嵌套而成。
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
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12
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
一维
二维
二维正方堆积
二维密排堆积
全面分析
13
三维 a. 较松散的堆积
➢ 简单立方（simple cubic, sc）堆积
➢ 体心立方（body-centered cubic, bcc） 堆积 典型晶体：Li、Na、K、-Fe
全面分析
30
3. 原胞 ➢ 空间点阵原胞
• 空间点阵最小的重复单元 • 每个空间点阵原胞中只含有一个格点 • 对于同一空间点阵，原胞有多种不同的取法（ WignerSeitz原胞），但原胞的体积均相等
(中文版第8版, 或直接看英文原版） • 方俊鑫，陆栋. 《固体物理学》（上）, 上海科
学技术出版社. • 阎守胜.《固体物理基础》, 北京大学出版社.
全面分析
3
绪论
一、固体物理学的研究对象
固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子 等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。
固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、 新器件的生长点。
十九世纪中叶，布拉伐（Bravais） 提出空间点阵学说，提供了经验规律。
魏德曼-弗兰兹定律表征金属导电率和导热率之间的关系。 为金属电子论打下了基础。
20世纪初，在X射线衍射实验和量子力学理论的基础上， 建立了固体的电子态理论和晶格动力学。
成果：半导体 纳米材全面料分析 超导体
8
wenku.baidu.com
二、学科领域
形成许多分支学科。
全面分析
18
2. 简单化合物晶体 ➢ NaCl结构
典型晶体：NaCl、LiF、KBr
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19
➢ CsCl结构 典型晶体：CsCl、CsBr、CsI
全面分析
20
➢ 闪锌矿结构
在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元 素。
许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、
CdS、GaAs、-SiC
没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微 量的不规则性。
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晶
非
体
晶 体
规则网络
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无规网络
6
Al65Co25Cu10合金
准晶
全面分析
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二、固体物理学的发展历史
阿羽依
规则几何外形 ↔ 内部规则性
固体物理研究固体材料中那些最基本的、有普遍意
义的问题。
晶格结构
晶格理论
晶格动力学 晶格热力学
理想晶格
固 体 物
电子理论
实际晶格理论 能带理论（包括电磁场中的电子运动） 金属中的自由电子气
理
功函数、接触电势等
输运理论 ：电子与晶格的相互作用
固体物理分论 半全导面分体析 、磁学、超导、非线性光9 学
本课程学习内容
配位数：一个原子周围最近邻原子的数目。
对于体心立方（bcc）配位数为 8 。
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14
b. 密堆积： ➢ 面心立方（face-centered cubic, fcc）堆积
排列方式： ABCABC (立方密堆积)
典型晶体： Cu、Ag 、Au、Ca、Sr、Al、
全面分析
fcc的配位数为12；15
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21
§1.2 晶格的周期性
一、晶格与布拉伐格子 1. 晶格：晶体中原子（或离子）排列的具体形式。
2. 布拉伐格子(空间点阵）
➢布拉伐格子：一种数学上的抽象，是点在空间中周期性的规则排列。
➢格点：空间点阵中周期排列的几何点。所有点在化学、物理和几何环 境上完全相同。
➢基元：每一个格点所代表的物理全实面分体析。
22
布拉伐格子一共有14 种。
sc
bcc
fcc
立方晶系的布拉伐格子
全面分析
23
实际晶格 = 布拉伐格子 + 基元
若格点上的基元只包含一个原子，那么晶格为简单晶格。
晶格中所有原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同 的。
若格点上的基元包含两个或两个以上的原子（或离子）， 那么晶格为复式晶格。
简单晶格必须由同种原子组成；反之，由同种原子组 成的晶格却不一定是简单晶格。如金刚石和hcp晶格都是 复式晶格。
➢ 密排六方（ hexagonal close-packed, hcp ）堆积 排列方式： ABABAB (六方密堆积)
典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti
hcp的配位数为12；
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c. 金刚石结构： ➢ 金刚石结构
典型晶体：金刚石、Si、Ge
金刚石的配位数为 4；
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二、基矢和原胞
a2 0 a1
全面分析
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1. 格矢: Rl 2. 基矢：
任一格矢
Rl l1a1 l2 a2 l，3 a3
如果所有l1、l2和l3均为整数，则称这组坐标基 a1、a2和 a3为基矢。
对于一个空间点阵，基矢的选择不是唯一的，可以有多种不同的
选择方式。
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a2 0 a1
固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原子/cm3。 固体结构就是指这些原子的排列方式。
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固体的分类
➢ 晶 体: 规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。 长程有序性，有固体的熔点。E.g. 水晶 岩盐
➢ 非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。 短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶
全面分析
1
窥天地之奥而达造化之极。 ——李时珍
为学之道，莫先于穷理；穷理
之要，必在于读书；读书之法，莫
贵于循序而致精；而致精之本，则
又在于居敬而持志。——朱熹
全面分析
2
主要参考书
• 黄昆，韩汝琦.《固体物理》,高教出版社. • Charles Kittel. Introduction to solid state physics.
1、描述晶体周期性的基本方法，典型的晶格结构。 2、固体的结合力（四种） 3、晶格动力学 4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气）
5、介绍一些典型固体材料的性质
全面分析
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第一章 晶体结构
全面分析
11
晶体的宏观性质
1. 周期性－－从原子排列的角度来讲 (均一性―― 从宏观理化性质的角度来讲） ；
全面分析
24
复式晶格
SC + 双原子基元
fcc + 双原子基元
由同种原子构成的金刚石晶格也是复式晶格。
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A类碳原子的 全共面分价析键方向
B类碳原子的 共价键方向26
hcp也是复式晶格。
复式晶格包含多个等价原子，不同等价原子的简单晶格 相同。复式晶格是由等价原子的简单晶格嵌套而成。
2. 宏观对称性； 3. 各向异性和解理性。例如，云母的解理性； 4. 有固定的熔点。
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12
§1－1 一些晶格的实例
几种常见的晶体结构 1. 元素晶体
一维
二维
二维正方堆积
二维密排堆积
全面分析
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三维 a. 较松散的堆积
➢ 简单立方（simple cubic, sc）堆积
➢ 体心立方（body-centered cubic, bcc） 堆积 典型晶体：Li、Na、K、-Fe
全面分析
30
3. 原胞 ➢ 空间点阵原胞
• 空间点阵最小的重复单元 • 每个空间点阵原胞中只含有一个格点 • 对于同一空间点阵，原胞有多种不同的取法（ WignerSeitz原胞），但原胞的体积均相等
(中文版第8版, 或直接看英文原版） • 方俊鑫，陆栋. 《固体物理学》（上）, 上海科
学技术出版社. • 阎守胜.《固体物理基础》, 北京大学出版社.
全面分析
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绪论
一、固体物理学的研究对象
固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子 等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。
固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、 新器件的生长点。
十九世纪中叶，布拉伐（Bravais） 提出空间点阵学说，提供了经验规律。
魏德曼-弗兰兹定律表征金属导电率和导热率之间的关系。 为金属电子论打下了基础。
20世纪初，在X射线衍射实验和量子力学理论的基础上， 建立了固体的电子态理论和晶格动力学。
成果：半导体 纳米材全面料分析 超导体
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二、学科领域
形成许多分支学科。
全面分析
18
2. 简单化合物晶体 ➢ NaCl结构
典型晶体：NaCl、LiF、KBr
全面分析
19
➢ CsCl结构 典型晶体：CsCl、CsBr、CsI
全面分析
20
➢ 闪锌矿结构
在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元 素。
许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、
CdS、GaAs、-SiC