1、固体物理学课程介绍1课程概要固体物理基础 Solid State Physics课程属性：专业核心课 学时/学分：72/4预修课程：量子力学、热力学与统计物理教学目的和要求:本课程为物理学与电子科学与技术专业研究生的专业核心课。主要内容包括固体物理的基本理论和基本知识，介绍晶体的结构和结合方式；研究固体的热学、电学、光学和磁学等基本物理性质的普遍规律。要求学生掌握固体物理的基本概念和基本理论，并将其灵活地应用于物理、化学、材料和纳米科学技术等学科领域。4课程主要内容第一章 晶体结构单晶、准晶和非晶；晶格；晶格的对称性和点群、空间群；常见的晶体结构；倒格子和布里渊区；晶体结构的实验测定方法；X射
2、线衍射条件、基元的几何结构因子及原子形状因子。第二章 固体的结合和类型离子性结合、共价结合、金属性结合、范德瓦尔斯结合；金属、离子晶体、共价晶体、分子晶体；团簇和低维固体。5课程主要内容第三章 晶格振动简谐晶体的经典运动；简谐晶体的量子理论；声子、声子态密度、晶格比热；非简谐效应，热传导，热膨胀；晶格振动谱的实验测定方法。第四章 金属电子论金属自由电子气体模型；费米统计和电子热容量；金属的热导率和电导率；泡利顺磁性；第五章 能带理论布洛赫定理；近自由电子近似；紧束缚近似；能带和能带结构的计算方法；费米面和态密度；费米面的实验测量；6课程主要内容第六章 晶体中电子在电场和磁场中的运动电子运动的准
3、经典近似，恒定电场、磁场作用下电子的运动；导体、绝缘体和半导体的能带论解释；回旋共振、德哈斯-范阿尔芬效应；霍尔效应和磁阻。第七章 半导体电子论半导体能带结构；半导体中的杂质；半导体中的载流子和电导；PN结及其应用。7参考书固体物理参考书黄昆编著，固体物理学，高等教育出版社，Kittel,C.,Introduction to Solid State Physics(8th,Ed.),John Wiley&Sons,Inc.,2004;基泰尔著，项金钟、吴兴惠译，固体物理导论(原著第8版)，化学工业出版社，2011年。量子力学、热力学统计物理参考书1.周世勋，量子力学教程，高等教育出版社，197
4、9年；2.曾谨言，量子力学导论（第二版），北京大学出版社，1998年；曾谨言，量子力学（卷I）（第四版），科学出版社，2004年.2.汪志诚，热力学统计物理（第四版），高等教育出版社，2012年.81988.美国大学开放课程MIT开放课程：http:/ocw.mit.edu/Harvard在线学习http:/online-learning.harvard.eduYale开放课程http:/oyc.yale.edu/Carnegie Mellon University开放http:/oli.cmu.edu/9MOOC（Massive open online course）edXhttps:/ww
5、w.edx.org/Courserahttps:/www.coursera.org/https:/zh.coursera.org/Udacityhttps:/ http:/搜狐课堂 http:/ http:/ http:/ 小木虫论坛 上述资源适用于各门课程的学习以及未来的科研工作14什么是固体物理学？固体物理学 solid state physics研究对象：固体（晶体）。研究内容：与普通物理不同，它的重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去阐明和理解固体的宏观性质的由来。主要集中在原子尺度的结构排列如何决定体系宏观性质上。从而找出控制、利用、改善这些性质的方法。研究手段：通过量子力学、结晶
6、学、电磁学及冶金学。它是材料科学的基础，同时具有实际应用价值，例如晶体管和半导体器件，都是固体物理学发展的直接成果。From http:/en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_physics15什么是固体？The solid state of matter is characterized by a distinctstructural rigidity and resistance to deformation(that ischanges of shape and/or volume).Most solids have high values both of
7、Youngs modulus andof the shear modulus of elasticity.This contrasts withliquids or fluids,which have zero static shear modulusand exhibit the capacity for macroscopic viscous flow.From http:/en.wikipedia.org/wiki/Solid16说明：固体物理研究的不是单个原子的性质，而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质。因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间的相互作用及运动机
8、制的研究才能理解固体的性质。例如：性质完全不同的无定形碳、石墨和金刚石都是由相同的碳原子组成的，是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。两次Nobel物理奖获得者巴丁(J.Bardeen)说：固体物理学依据物质的电子结构和原子结构来了解固体的各种性质。17物质的状态18Water is water,unless it heats up.Whirl.Swirl.Watch it curl by.Steam is steam,unless it cools high.物质的状态19熔点-218.4沸点-183在常压下,液氮温度为-196物质的状态20plasma lamp21a
9、urora 22Plasma Display23Plasma Display24Liquid Crystal Display25Liquid Crystal Display26软物质(soft matter)Soft matter is a subfield of condensed mattercomprising a variety of physical states that are easilydeformed by thermal stresses or thermal fluctuations.They include liquids,colloids,polymers,foam
10、s,gels,granular materials,and a number of biologicalmaterials.http:/en.wikipedia.org/wiki/Soft_matterThe Nobel Prize in Physics 1991 was awarded toPierre-Gilles de Gennes for discovering thatmethods developed for studying order phenomenain simple systems can be generalized to morecomplex forms of ma
11、tter,in particular to liquidcrystals and polymers.“founding father of soft matter”27固体与晶体石蜡橡胶 A crystal or crystalline solid is a solid materialwhose constituent atoms,molecules,or ions arearranged in an ordered pattern extending in all threespatial dimensions.In addition to their microscopic struct
12、ure,largecrystals are usually identifiable by their macroscopicgeometrical shape,consisting of flat faces withspecific,characteristic orientations.http:/en.wikipedia.org/wiki/Crystal28身边的晶体食盐蓝宝石红宝石味精http:/ A crystal is a solid where the atoms form a periodicarrangement.In polycrystal,each of the sma
13、ll crystals is a true crystalwith a periodic arrangement of atoms,but the wholepolycrystal does not have a periodic arrangement ofatoms.Most macroscopic inorganic solids are polycrystalline,including almost all metals,ceramics,ice,rocks,etc.Solids that are neither crystalline nor polycrystalline,suc
14、h as glass,are called amorphous solids,also calledglassy,vitreous,or noncrystalline.These have noperiodic order,even microscopically.http:/en.wikipedia.org/wiki/Crystal35晶体与非晶体的微观结构差异晶体与非晶体本质上的差异在于其微观 结 构 中，原 子（离子）的排列是否具有周期性36晶体与非晶体的宏观性质区别多面体外形并不是区分晶体和非晶体的必要根据是否透明、有光泽也不是区分晶体和非晶体的根据晶体具有固定的熔点，非晶体则没有37
15、晶体与非晶体的融化http:/www.gpi.org/glassresources/education/sustainabilityrecycling/section-22-glass-characteristi.html38非晶体的应用http:/www.nakayama-steel.co.jp/menu/amorphous/index_e.html材料表面熔化后，以超急冷方式冷却，在材料表面形成的非晶层。Liquidmetal Coatings LLC（美国）公司生产的铁基非晶涂层材料，非晶形成能力强，使用他们的产品制备的非晶涂层具有卓越的防腐、耐磨性能、耐高温，而且强度高、可后续加工（车
16、、销、磨、抛等），在石油化工、电力、机械、汽车等领域已经有许多工程应用案例。39钻石，金刚石diamond,C(100)(110)(111)面的原子排列？33个周期40钻石GIA美国宝石研究院钻石分级标准：克拉重量(Carat)颜色(Color)净度(Clarity)切工(Cut)http:/gia4cs.gia.edu/zh-cn/the-diamond-4-cs.htm41钻石http:/ cut is the most important value factor because the best cut quality makes the greatest impact on a di
17、amonds appearance compared to the other 4Cs:Carat Weight,Diamond Clarity,and Diamond Color.43石英和水晶石英(Quartz)的化学成分为SiO2SiO2有很多种结构，晶态、无定形常见的石英是-quartz无色透明的石英晶体称水晶(rock crystal,Quartz Crystal)，含有杂质时颜色不一，紫色的称紫水晶(amethyst)，黄褐色的称烟晶(smoky quartz)、茶晶，黑色的称墨晶(black quartz)。http:/en.wikipedia.org/wiki/Silicon_
18、dioxide44水晶和玻璃玻璃的主要成分也是SiO2，水晶是纯度很高的石英单晶体，而玻璃一般是含有杂质的石英非晶体玻璃为了降低熔点一般会加入Na2CO3 K2CO3 CaO，http:/zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%8345高铅玻璃（水晶玻璃、人造水晶）施华洛世奇Swarovski(含PbO 32%)高铅玻璃：玻璃中加入Pb，会增加折射系数，提高白度，使得看起来更接近水晶(“水晶玻璃，人造水晶”，含PbO 24%以上)46硼硅玻璃(borosilicate glass)硼硅玻璃具有低膨胀率、耐高温、高强度、高硬度、高透光率和高化学稳定性47铝硅玻
19、璃大猩猩玻璃(Gorilla Glass)，是美国康宁公司(Corning)生产的环保型铝硅钢化玻璃，光滑度高、防刮擦、耐冲击度差早期用于防弹玻璃，目前主要应用于防刮划性能要求高的高端智能手机、平板电脑、电视机屏幕48How an Intel CPU is created:Fro m Sand to Siliconhttp:/ an Intel CPU is created:Fro m Sand to Siliconhttp:/ an Intel CPU is created:Fro m Sand to Siliconhttp:/ Ho-Mg-Zn icosahedral quasicryst
20、alformed as a dodecahedron,the dual ofthe icosahedronElectron diffraction pattern of anicosahedral Ho-Mg-Zn quasicrystalhttp:/en.wikipedia.org/wiki/Quasicrystalhttp:/www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/weber/weber/qc.html53二十面体十二面体生命世界中的五重对称性http:/www.medlockandtame.org.uk/natnum.html54for his discovery
21、 of quasicrystals,metallic alloys with atomsarranged in orderly,infinite,aperiodic,crystal-like patternswith theoretically forbidden(typically 5 fold)symmetry.I told everyone who was ready to listen that I hadmaterial with pentagonal symmetry.People justlaughed at me,55Linus Pauling,1954,Nobel Prize
22、 for Chemistry.1962,Nobel Peace Prize.Linus Pauling said,Danny Shechtman is talking nonsense.There is no such thing as quasicrystals,only quasi-scientists.http:/ Anderson和VolkerHeine将他们研究组名从“Solid-State Theory”改为“Theory ofCondensed Matter”；1978年，美国物理学会“Division of Solid State Physics”改为“Division of
23、Condensed Matter Physics”;研究对象的扩大（从固体扩展到液体以及其它凝聚态物质）；概念体系的变迁和转移（元激发、对称破缺、多体效应等）；60Condensed matter physicsCondensed matter physics is a branch of physics thatdeals with the physical properties of condensed phasesof matter.Condensed matter physicists seek to understand thebehavior of these phases by
24、using physical laws.Inparticular,these include the laws of quantum mechanics,electromagnetism and statistical mechanics.The most familiar condensed phases are solids andliquids,while more exotic condensed phases include thesuperconducting phase exhibited by certain materials atlow temperature,the fe
25、rromagnetic andantiferromagnetic phases of spins on atomic lattices,andthe BoseEinstein condensate found in cold atomicsystems.http:/en.wikipedia.org/wiki/Condensed_matter_physics61固体物理和凝聚态物理的核心问题How the large-scale properties of（solidor condensed）materials result fromtheir atomic-scale properties？从原子到固体（1023量级数目的原子）；原子间电磁相互作用为主要相互作用；研究基础：电磁学、量子力学、统计物理62
