1、固体物理一、什么是固体物理什么是固体物理？固体物理学研究内容 固体物理学研究固体物质的物理性质物理性质、微观结微观结构构、构成物质构成物质的各种微观粒子的运动形态及其相互运动形态及其相互关系关系的科学。它是物理学中内容及其丰富、应用极广泛的分支学科。概括地说：研究固体物质的物理性能（宏观）与研究固体物质的物理性能（宏观）与 固体物质微观结构（微观），以及运动形态相互关固体物质微观结构（微观），以及运动形态相互关系。系。特点特点:(1)宏观和微观的结合点宏观和微观的结合点 (2)是基础理论与应用基础的结合点是基础理论与应用基础的结合点 (3)是建立在原有物理学基础上新研究进展是建立在原有物理学基
2、础上新研究进展的学科。的学科。绪绪 论论 一、什么是固体物理？绪 论 要特别指出特别指出：固体物理研究的不是固体中单个原子的性质，而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的各种集体集体性质。例如：导电性；导热性；磁性等。固体是由大量的大量的原子或分子组成的，固体物理关注的固体性质固然也和组成固体的原子、分子种类有关（硅和铜），但更主更主要要的是和这些原子采用什么方式结合在一起采用什么方式结合在一起，他们的空间排列，他们的空间排列方式、相互作用力类型、方式、相互作用力类型、特别是和原子形成固体后其价电子的状特别是和原子形成固体后其价电子的状态和运动机制有关。态和运动机制有关。要特别指出：固体物
3、理研究的不是固体中单个原子的性二二 固体物理的发展过程固体物理的发展过程 晶体规则的几何形状几何形状和对称性对称性与其它物理性质物理性质之间 有一定联系;晶体外形的规则性外形的规则性是内部规则性内部规则性的反映 十七世纪惠更斯惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的 双折射性质和解理面 十八世纪，阿羽依阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平 行六面形的小基石”有规则地重复堆集而成的 十九世纪中叶，布拉格布拉格发展了空间点阵学说空间点阵学说 概括了晶格周期性晶格周期性的特征二 固体物理的发展过程 晶体规则的几何形状和对称性与 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地发 展了关于晶体微观晶体微观几何结
4、构的理论体系，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据 描述晶体比热_杜隆珀替定律杜隆珀替定律 描述金属导热和导电性质的魏德曼佛兰兹魏德曼佛兰兹定律 二十世纪初特鲁德特鲁德和洛伦兹洛伦兹建立了经典金属自由电子 论，对固体认识进入一个新的阶段 1912年，劳厄指出晶体晶体可以作为X射线的衍射光栅衍射光栅 十九世纪末叶，费多洛夫，熊夫利、巴罗等独立地发 描 爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论 费米费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学10/16 量子理论量子理论发展正
5、确描述了晶体内部微观粒子运动过程 爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲在金 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间 半导体 20世纪四十年代末，以锗、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管 产生了半导体物理 1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器 件不断地提出新要求 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 2第一章 晶格结构Shape of Snow CrystalS h a p e o f S n o w C r y s t a l前言固体的结构：固体材料由大量原子（离子或分子）组成固体的原子在微米量级以上排列是有序
6、的（称为晶体晶体晶体晶体单晶：原子、分子在整个固体中排列有单晶：原子、分子在整个固体中排列有序。序。多晶：原子、分子在微米量级范围内排列多晶：原子、分子在微米量级范围内排列有序，整个晶体是由这些排列有序的晶粒有序，整个晶体是由这些排列有序的晶粒随机堆砌而成的。随机堆砌而成的。晶体：组成固体的原子在微米量级以上排列是有序的（称为有长程序 晶体所具有的自发地形晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为成封闭凸多面体的能力称为自限性。自限性。2.2.晶体的解理性晶体的解理性:晶体沿某些确定方位的晶面晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的解理性，劈裂的性质，称为晶体的解理性，这样的晶面称为这
7、样的晶面称为解理面解理面。1abcd2 晶体的宏观特性晶体的宏观特性1.1.自限性自限性:晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为自限性。晶面的交线称为晶面的交线称为晶棱晶棱，晶棱，晶棱互相平行的晶面的组合称为互相平行的晶面的组合称为晶带晶带，如右图中如右图中a，1，b，2。1abcd2 互相平行的晶棱的共同互相平行的晶棱的共同方方向向称为该晶带的称为该晶带的带轴带轴，晶轴晶轴是是重要的带轴。如右图中重要的带轴。如右图中OO 晶面的交线称为晶棱，晶棱互相平行的晶面的组3.3.晶面角守恒定律：晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。属于同一品种的晶体，两个对应晶面间
8、的夹角恒定不变。石英晶体：石英晶体：a、b 间夹角总是间夹角总是14147；a、c 间夹角总是间夹角总是11308；b、c 间夹角总是间夹角总是12000。3.晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角4.4.晶体的各向异性晶体的各向异性在不同方向上，晶体的物理性质不同。在不同方向上，晶体的物理性质不同。OO1O ClAC1A*AB）面示意图晶体结构（100NaCl 由右图可以看出，在不同的方向上晶由右图可以看出，在不同的方向上晶体中原子排列情况不同，故其性质不同。体中原子排列情况不同，故其性质不同。5.5.晶体的均匀性晶体的均匀性 晶体中任意两点晶体中任意两点(在同一方向上在同
9、一方向上)的的物理性质相同。物理性质相同。4.晶体的各向异性在不同方向上，晶体的物理性质不同。6.6.晶体的对称性晶体的对称性:晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复出现，称为质在不同的方向上有规律地重复出现，称为晶体的对称性晶体的对称性。7.7.晶体固定的熔点晶体固定的熔点:给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。
10、始上升，即晶体有固定的熔点。6.晶体的对称性:晶体在某几个特定方向上可以异向同性晶体为什么具有这些宏观特性呢晶体为什么具有这些宏观特性呢?晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。即晶体的宏观特性是微观特性的反映。自限性自限性、晶面角守恒晶面角守恒、解理性解理性、晶体的各向异性晶体的各向异性、晶体、晶体的均匀性、晶体的对称性、的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点固定的熔点。晶体的宏观特性：晶体的宏观特性：晶体为什么具有这些宏观特性呢?晶体的宏观特性是由晶体内部结构 非晶体（非晶）非晶体（非晶）：原子排列不具有长程序
11、。：原子排列不具有长程序。但在原子间距量级但在原子间距量级10-10m的范围内原子排列是有序的（称为短的范围内原子排列是有序的（称为短程有序，短程序）。程有序，短程序）。非晶体非晶体特点：无固定熔点，各向同性特点：无固定熔点，各向同性 非晶体（非晶）：原子排列不具有长程序。短程有序，即近邻原Be2O3晶体与晶体与Be2O3玻璃的内部结构玻璃的内部结构由图可以看出，两者间具有显著的不同，由图可以看出，两者间具有显著的不同，组成组成Be2O3晶体的粒子在空间的排列具有周期性，是长程有序的；晶体的粒子在空间的排列具有周期性，是长程有序的；而而Be2O3玻璃中的粒子只有在近邻的范围内的粒子间保持着一定
12、的短程玻璃中的粒子只有在近邻的范围内的粒子间保持着一定的短程有序，当隔开三、四个粒子后就不再保持这种关系，形成无规则网络有序，当隔开三、四个粒子后就不再保持这种关系，形成无规则网络B e 2 O 3 晶体与B e 2 O 3 玻璃的内部结构由图可以看出，两者间：介于晶体与非晶体之间，原子呈定向有序排列，但不做周期性平移重复。准晶体：准晶体：1984 年年Shechtman等人用快速冷却方法制备等人用快速冷却方法制备的的AlMn准晶体。用准晶体。用XRD测得一种介于晶体和非晶体测得一种介于晶体和非晶体结构之间的物质结构。结构之间的物质结构。准晶体：介于晶体与非晶体之间，准晶体准晶体：1 9 8
13、4 年S hAlNiAlMn准晶体电子衍射准晶体电子衍射A l Mn 准晶体电子衍射本章从晶体的周期性出发本章从晶体的周期性出发,阐述晶体结构的一些基本阐述晶体结构的一些基本几何性质几何性质.晶体结构的晶体结构的周期性周期性是晶体物质共同的也是最基本的特是晶体物质共同的也是最基本的特点点,是研究晶体的宏观性质和各种微观过程的重要基是研究晶体的宏观性质和各种微观过程的重要基础础.本章从晶体的周期性出发,阐述晶体结构的一些基本几何性质.晶体闪锌矿晶格的结构1-1 一些晶格的举例学习内容：定义一个原子周围最近邻原子的数目。堆积系数)：晶体中原子排列的具体形式，称为晶体格子。原子、原子间距不同，但有相
14、同的排列规则，原子、原子间距不同，但有相同的排列规则，则这些原子构成的晶体具有相同的晶格（如则这些原子构成的晶体具有相同的晶格（如Cu 和和Ag；Ge 和和Si 等等）。等等）。注：配位数和致密度 原子堆积成晶格时愈紧密.配位数：一原子层AAAA简单立简单立方晶格方晶格a02ra一、简单立方晶格（s c）简单立方晶格典型单元正方排列A A A 堆积方式：最简单的原子球规则排列形式 没有一、简单立方晶二、体心立方晶格（b o d y-c e n t e r e d c u b i c 体心立方的堆积方式表示为：AB AB AB 02ra034ar031.0r（原子沿体对角线相接触）（原子沿体对角
15、线相接触）二、体心立方晶格（b o d y-c e n t e r e d c u b i c 典型晶体：典型晶体：Li、Na、K、Rb、Cs、Fe 等等Fe的体心立方晶格结构的体心立方晶格结构典型晶体：二、体心立方晶格（b o d y-c e n t e r e d c u密排面：原子球在一个平面内最紧密排列的方式.把密排面叠起来可第二层也是同样的铺排，只是这层的第二层也是同样的铺排，只是这层的小球处在小球处在A层的球隙中层的球隙中.全同的小圆球平铺在平面上：全同的小圆球平铺在平面上：u任一个球都与任一个球都与6 个球相切，个球相切，u每三个相切的球的球心构成每三个相切的球的球心构成一等边三
16、角形，一等边三角形，u并且每个球的周围有并且每个球的周围有6 个空个空隙隙，这样构成一层，记为这样构成一层，记为A 层层.第二层也是同样的铺排，只是这层的小球处在A 层的球隙中.全同的BA以以AB AB AB 方式堆积方式堆积以A B A B A B 六角密排晶格的堆积方式上、下两个底面为A 典型晶体典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti 配位数为:1 2 三、六角密排晶格(h e x a g o n a l c l o sBAAC以以ABC ABC ABC 方式堆积方式堆积以A B C A B C A B C 面心立方晶格的典型单元和原子密排面面 面心立方（面心立方（face-centere
17、d cubic,fcc）堆积）堆积 排列方式：排列方式：ABCABC (立方密堆积立方密堆积)典型晶体：典型晶体：Cu、Ag、Au、Ca、Sr、Al、密堆积密堆积：fcc的配位数为的配位数为12；面心立方（f a c e-c e n t e r e d c u b i c,典型晶体典型晶体：Cu、Ag、Al、Ca 配位数：1 2 四、面心立方晶格（f a c e-c e n t e r e d c构成：由面心立方单元的中心到顶构成：由面心立方单元的中心到顶角引角引8 8条对角线，在互不相邻的条对角线，在互不相邻的4 4条条对角线的中点处各加一个原子，就对角线的中点处各加一个原子，就得到金刚石结
18、构。得到金刚石结构。金刚石由碳原子构成金刚石由碳原子构成.一个碳原子和其它四个碳原子一个碳原子和其它四个碳原子构成一个正四面体。构成一个正四面体。五、金刚石晶格构成：由面心立方单元的中心到顶角引8 条对角线，1 特点：每个原子有4 个最近邻，它们正好在一个正2 堆重要的半导体材料，如重要的半导体材料，如Ge、Si 等等Silicon 晶格结构晶格结构典型晶体典型晶体：重要的半导体材料，如G e、S i 等五、金刚石晶格S i l i c o金刚石和石墨晶格结构金刚石和石墨晶格结构金刚石和石墨晶格结构几种化合物晶体的晶格几种化合物晶体的晶格几种化合物晶体的晶格六、六、NaCl 晶体的结构：晶体的
19、结构：配位数配位数:6沿立方体的棱平移1/2棱长)堆积方式堆积方式六、N a C l 晶体的结构：配位数:6 N a C l 晶格结构的典型典型晶体：典型晶体：Li，Na,K,Rb和卤族元素和卤族元素F,Cl,Br,I结结合的化合物晶体合的化合物晶体NaCl、LiF、KBr 典型晶体：L i，N a,K,R b 和卤族元素F,C l,B r,I 结CsCl 结构是由结构是由两个简立方格两个简立方格子子彼此沿立方体空间对角线彼此沿立方体空间对角线位移位移12 的长度套构而成。的长度套构而成。七、七、CsCl 晶体的结构：晶体的结构：配位数配位数:8C s C l 结构是由两个简立方格子彼此沿立方
20、体空间对角线位移1八、闪锌矿八、闪锌矿(ZnS)晶体的结构晶体的结构立方系的硫化锌具有和金刚石类立方系的硫化锌具有和金刚石类似的结构，其中似的结构，其中硫和锌分别组成硫和锌分别组成面心立方面心立方结构的子晶格而沿空间结构的子晶格而沿空间对角线位移对角线位移14 的长度套构而成。的长度套构而成。这样的结构统称闪锌矿结构。这样的结构统称闪锌矿结构。配位数配位数：4八、闪锌矿(Z n S)晶体的结构立方系的硫化锌具有和金刚石类典型晶体：如锑化铟、砷化镓、磷化铟等都是闪锌矿结构。典型晶体：如锑化铟、砷化镓、磷化铟等都是闪锌矿结构。ZnS、CdS、-SiC 典型晶体：如锑化铟、砷化镓、磷化铟等都是闪锌矿
21、结构。Z n S钙钛矿结构钙钛矿结构许多重要的介电晶体，例如，许多重要的介电晶体，例如，BaTiO3,PbZrO3,LiNbO3,LiTaO3等都属于这种类型的结构。等都属于这种类型的结构。Ba、Ti 和和OI、OII、OIII 各自组成的简单立各自组成的简单立方晶格（共方晶格（共5 个）套构而个）套构而成的成的典型单元典型单元钙钛矿结构是指钙钛矿结构是指钛酸钙（钛酸钙（CaTiO3）的结构）的结构。钙钛矿结构许多重要的介电晶体，例如，B a T i O 3,P b Z r如果把如果把OI、OII、OIII 连结连结起来，它们构成等边三角形；起来，它们构成等边三角形；整个单元共有整个单元共有8
22、 个这样的三个这样的三角形面，围成一个八面体，角形面，围成一个八面体，称为称为氧八面体氧八面体。整个结构又可看作为氧八面体整个结构又可看作为氧八面体的排列。的排列。Ba则在则在8 个氧八面体个氧八面体的间隙里。的间隙里。如果把O I、O I I、O I I I 连结起来，它们构成等边三角形；实际上，许多具有亚铁磁性的晶体（通称铁氧体），也实际上，许多具有亚铁磁性的晶体（通称铁氧体），也具有氧八面体结构，但不属钙钛矿型。具有氧八面体结构，但不属钙钛矿型。氧八面体结构和金刚石或闪锌矿型中的正四面体结构是氧八面体结构和金刚石或闪锌矿型中的正四面体结构是固体物理领域中很受重视的两大典型结构。固体物理领域中很受重视的两大典型结构。钙钛矿型的化学式可写为钙钛矿型的化学式可写为ABO3，其中，其中A一般代表二一般代表二价或一价的金属，价或一价的金属，B代表四价或五价的金属。常把代表四价或五价的金属。常把BO3称为氧八面体基团。称为氧八面体基团。实际上，许多具有亚铁磁性的晶体（通称铁氧体），也具有氧八面体
