固体物理绪论(新疆大学李强老师课件)

固体物理SolidStatePhysics物理科学与技术学院李强2009.1sttermXinjiangUniversity2023/4/19教师信息教师： 李强办公室： 3＃412电话：-mail： qli@XinjiangUniversity2023/4/19考核方法平时成绩 10%(*不要抄作业！)期末成绩 90%XinjiangUniversity2023/4/19绪论固体物理的研究对象固体物理的发展历史固体物理的研究内容固体物理的研究特点课程内容简介教材和参考书目XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象凝聚态物理的研究对象晶体非晶体准晶体多晶体单晶体原子在空间呈周期排列原子在空间呈无规排列原子排列具有5次对称性组成材料的原子间具有较强的相互作用理想晶体:内在结构完全规则的固体实际晶体:固体中或多或少地存在有不规则性(称为缺陷)，在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体固体液体软物质液晶XinjiangUniversity2023/4/19方铅矿(Galena,PbS)纯铁1、固体物理的研究对象XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象NaCl晶体原子堆积模型食盐晶体XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象NaCl晶体的结构示意图NaCl晶体原子堆积模型XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象金刚石金刚石的晶体结构XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象石墨石墨的晶体结构XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象YBaCuO高温超导体的结构示意图XinjiangUniversity2023/4/19石英(Quartz,SiO2),玻璃(glass,SiO2)

1、固体物理的研究对象XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象SiO2晶体（石英）SiO2玻璃原子排列短程有序，长程无序XinjiangUniversity2023/4/191、固体物理的研究对象准晶体：1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金电子衍射图中具有五重对称的斑点分布介于晶体和非晶体之间的新的状态通常只能存在于很小的区域XinjiangUniversity2023/4/192、固体物理的发展历史晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间有一定联系，晶体外形的规则性是内部规则性的反映;十八世纪，阿羽依(Hauy)认为晶体由一些坚实、相同的平行六面体的小‘基石”有规则地重复堆集而成的;十九世纪中叶，布喇菲(Bravais)发展了空间点阵学说概括了晶格周期性的特征；XinjiangUniversity2023/4/192、固体物理的发展历史十九世纪末叶，费多洛夫、熊夫利、巴罗等独立地发展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研究晶体结构的规律提供了理论依据;1912年，劳厄(Laue)进行了晶体X射线衍射实验，证实了晶体中原子在空间的周期排列;二十世纪初特鲁德(Drude)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;二十世纪初逐步建立起来的量子理论使晶体内部微观粒子运动过程能够被正确描述，这使得固体物理的研究得到了极大的发展；XinjiangUniversity2023/4/192、固体物理的发展历史1907年，爱因斯坦(Einstein)引进量子化的概念来研究晶格振动，发展了固体比热理论;1912年，德拜(Debye)改进了爱因斯坦固体比热理论，解释了固体比热在低温时的变化规律;1926年，费米(Femi)建立统计理论，使之可能研究大量电子组成的体系;1928年，索末菲(Sommerfeld)在特鲁德(Drude)金属自由电子理论的基础上，发展了金属自由电子气的量子理论;XinjiangUniversity2023/4/192、固体物理的发展历史1928年，布洛赫(Bloch)等提出固体电子能带理论，使固体物理逐渐从物理学科中分离出来，形成一门单独学科。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；1947年出现了第一只晶体三极管,引发了一场科技革命。1957年，巴定(Bardeen)、库珀(Cooper)和施里弗(Schrieffer)提出了超导电性量子理论。1960年，出现红宝石激光器。……XinjiangUniversity2023/4/193、固体物理的研究内容一般环境条件下，理想晶体的金属、半导体、电介质、磁性物质、发光材料等的各种物理性质；杂质和缺陷对上述各种固体材料物理性质的影响；强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下材料表现出的各种性质和现象。固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的科学。XinjiangUniversity2023/4/193、固体物理的研究内容探索新材料和设计新器件；发展制备材料和器件的新工艺和新理论；超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论、纳米材料理论等等；固体物理学负担着众多的理论课题。XinjiangUniversity2023/4/193、固体物理的研究内容固体物理金属物理半导体物理电介质物理磁性物理固体光谱固态光电子学激光物理半导体器件超导体物理表面物理介观物理纳米物理量子力学统计物理电磁理论…《材料科学》的基础XinjiangUniversity2023/4/193、固体物理的研究内容固体物理学已成为当今物理学中最大、最主要的分支。论文数目---1/2；科研工作者---1/3；诺贝尔物理奖中---1/2。固体物理学研究内容日益丰富，日益复杂，形成了以晶体结构、晶体原子动力学、晶体的电、磁、光性质及半导体和超导等核心论题为中心的分支学科。XinjiangUniversity2023/4/193、固体物理的研究内容与凝聚态物理有关的诺贝尔物理学奖1985：整数量子霍尔效应1987：高温超导1991：液晶和聚合物1994：中子谱

1998：分数量子霍尔效应2000：半导体异质结2001：玻色爱因斯坦凝结2003：超导和超流体2007：巨磁电阻效应

诺贝尔化学奖1998：密度泛函理论2000：导电聚合物………1996：C602010：石墨烯XinjiangUniversity2023/4/194、固体物理的研究特点固体物理是在原子和电子层次，研究固体的宏观物理性质大部分情况需要量子理论，有时可以采用经典方法固体是一个复杂的多粒子体系，每立方厘米包含1023个原子和电子，而且这些粒子间存在强的相互作用晶体中原子呈周期排布，引入傅里叶空间(倒易空间)使很多问题的讨论大大简化

*固体物理的核心问题就是波在周期结构中的运动采用统计理论根据讨论的问题，抽出主要矛盾，忽略次要矛盾，化简模型，从而使问题得以求解XinjiangUniversity2023/4/194、固体物理的研究特点固体物理是以实验为主的应用基础学科学习中不仅要掌握理论知识，也要掌握和了解实验方法固体物理是建立在量子力学、统计物理、电磁理论以及普通物理各门课程基础上的一门物理课程，是物理学中内容极其丰富、应用极其广泛的分支学科，有人说固体物理是“高级”普通物理任何时候都要注重物理基础理论的学习和积累XinjiangUniversity2023/4/195、课程内容简介固体物理课程内容原子论电子论晶体中原子的排布（晶体结构）(1)晶体中原子的结合(2)晶体中原子的振动及热学性质(3)晶体中电子的运动（能带理论）(4)晶体中电子在外部电磁场中的运动(5)晶体缺陷(12)固体的电学性能，磁性能，光学性能等电子-晶格原子相互作用(电声相互作用):

超导元激发(晶体中电子，原子，离子的集体运动）XinjiangUniversity2023/4/196、教材和参考书目教材

《固体物理》，黄昆、韩汝琦，高教出版社，1988

参考书《IntroductiontoSolidStatePhysics》，Kittel，加州伯克利分校，2004，