固体物理第一章 课件

电子科技大学微电子固体电子学院固体物理李竞春SolidStatePhysics电子科技大学微电子固体电子学院电子科大微固学院李竞春固体物理：用原子、电子结构阐明固体物理性质（力、热、电、光等）固体材料深入研究新材料、新器件、新技术固体非晶体（石英、玻璃等）晶体：单晶（作器件，Si、Ge、GaAs等）多晶（MOS器件多晶硅栅）人造天然电子科大微固学院李竞春1.1晶体的共性一、晶体宏观特征：规则的几何外形、解理性、物理特性各向异性。1、外形：凸多面体、外形对称、规则。

石英晶体外形电子科大微固学院李竞春2、晶面、晶棱、顶点：晶面：围成晶体多面体的面晶棱：晶面的交线。顶点：晶棱的会集点。顶点晶棱晶面电子科大微固学院李竞春3、晶面夹角守恒：属于同一品种的晶体，在相同温度、压力下，对应晶面法线之间的夹角恒定不变。

4、解理性：在外力作用下，晶体沿某些确定方位晶面裂开的性质。5、物理性质各向异性：热膨胀系数、电导率、折射率、解理性、弹性模量、导热系数电子科大微固学院李竞春石墨结构电子科大微固学院李竞春二、单晶与多晶单晶：原子有规律的周期性排列，短程、长程有序。多晶：大量微小单晶堆砌而成，长程无序。三、非晶体宏观上看：没有晶体的宏观特征。微观上看：原子排列无规律，短程、长程无序。

电子科大微固学院李竞春1.3晶体的微观特征

一、空间点阵与基元1、空间点阵学说：晶体内部结构，可以看成一些相同的点（格点或阵点），在空间作有规律的、周期性的无限分布。电子科大微固学院李竞春2、基元（basis)

：晶体中基本结构单元。在空间点阵中用格点代表，基元可能代表原子（离子）或原子团。晶体结构=基元+空间点阵基元实际晶体

格点和空间点阵

格点电子科大微固学院李竞春二、原胞1、原胞：取最小重复单元，格点在原胞顶角上，每个原胞内包含一个格点。2、基矢（）：以一个原胞的一顶角为原点，指向另三个相邻格点的边矢。

三维二维一维电子科大微固学院李竞春baij电子科大微固学院李竞春三、晶胞1、晶胞：不一定是最小重复单元，格点也不一定在元胞顶角上。每个晶胞包含格点数不限。2、晶胞的基矢（）：以一个晶胞的一顶角为原点，指向另三个相邻格点的边矢。电子科大微固学院李竞春四、根据晶胞基矢的长短与夹角不同，可分为七大晶系。三斜单斜正交三方四方六角

立方电子科大微固学院李竞春五、三种基本结构（立方晶系）晶胞：简立方（sc）、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）电子科大微固学院李竞春简立方SC立方晶系三种基本结构电子科大微固学院李竞春体心立方bcc电子科大微固学院李竞春面心立方fcc电子科大微固学院李竞春1、简立方sc：格常数为a原胞与晶胞取法相同基矢：晶胞体积原胞与晶胞体积相等电子科大微固学院李竞春2、体心立方

原胞基矢a3a2a1原胞体积O电子科大微固学院李竞春3、面心立方原胞基矢原胞的体积电子科大微固学院李竞春

O电子科大微固学院李竞春fcc

的原胞电子科大微固学院李竞春SC元胞晶胞电子科大微固学院李竞春bcc元胞晶胞包含格点数2abca3a2a1电子科大微固学院李竞春fcc元胞晶胞包含格点数4电子科大微固学院李竞春配位数：一个原子的最近邻原子数。

1、NaCl结构

1、结构

Cl-：面心立方Na+：面心立方沿体对角线滑移1/2体对角线长度，套构而成（复式格子）NaCl结构的最小重复单元——面心立方六、常见晶体结构电子科大微固学院李竞春

Cl-Na+电子科大微固学院李竞春NaCl晶格的晶胞Na+Cl-电子科大微固学院李竞春电子科大微固学院李竞春4个NaCl基元一个晶胞含Cl-

：8×1/8+6×1/2=4个Na+：12×1/4+1=4个配位数CN=6相同结构的晶体有：KCl、PbS、KBr基元构成：一个Cl-

一个Na+电子科大微固学院李竞春

2、CsCl结构

1、结构

Cl-：简立方Cs+

简立方沿体对角线滑移1/2体对角线长度，套构而成(复式格子)CsCl结构的最小重复单元——简立方电子科大微固学院李竞春一个晶胞含Cl-

：8×1/8=1个Cs+：1个1个CsCl基元相同结构的晶体有：TiCl、CsBr等基元构成：一个Cs＋一个Cl－电子科大微固学院李竞春

三、金刚石结构

1、结构

C（A类）：面心立方

C（B类）：面心立方C（A类）位于面心、顶角C（B类）位于体对角线1/4处沿体对角线滑移1/4体对角线长度，套构而成(复式格子)金刚石结构的最小重复单元——面心立方电子科大微固学院李竞春电子科大微固学院李竞春A类C原子B类C原子金刚石的晶胞金刚石是由碳C原子构成复式晶格电子科大微固学院李竞春一个晶胞含：8个C原子C（A类）：4个C（B类）：4个A类C原子B类C原子相同结构的晶体有：Si、Ge、C等电子科大微固学院李竞春4、立方密积结构立方密积堆放方法：ABCABCA……密堆积：同种元素组成的晶体，把原子看成钢性小球，作最紧密的堆放。电子科大微固学院李竞春AAABBB电子科大微固学院李竞春电子科大微固学院李竞春

具有立方密积结构的晶体有：

Cu、Ag、

Au、

Al等CCCAAAAAAABBB电子科大微固学院李竞春立方密积原子的排列方式——面心立方电子科大微固学院李竞春5、六角密积结构六角密积堆放方法：ABABA……六角密积原子的排列方式电子科大微固学院李竞春AAABBB电子科大微固学院李竞春晶胞电子科大微固学院李竞春原子半径

同种元素构成的晶体，原子半径r

指元胞中相距最近的两个原子间距的一半。例

fcc

结构，面对角线

a面对角线

七、晶体结构的重要概念电子科大微固学院李竞春OBAa体对角线bcc结构体对角线OBA电子科大微固学院李竞春致密度——描述晶体中原子排列紧密程度

定义例：fcc

结构（立方密积）

电子科大微固学院李竞春例：金刚石结构

OAOA¼体对角线长电子科大微固学院李竞春一、晶列、晶向、晶向指数

1、晶列的定义：通过晶体点阵中任意两个格点所连成的直线称为晶列。§1.4晶向与晶面电子科大微固学院李竞春晶列族电子科大微固学院李竞春2、晶向：晶列的取向。由于每一晶列族中的晶列相互平行，并且完全等同，一族晶列的特征就是该晶列的方向，称之为晶向。3、晶向指数：表示晶向的方向电子科大微固学院李竞春由原点O指向任意格点A的矢量为（以晶胞为坐标系）：ORR’电子科大微固学院李竞春OABCDEF电子科大微固学院李竞春1．定义：在晶格中，通过任何三个格点可以做一个平面，这个平面被称为晶面。二．晶面电子科大微固学院李竞春3．晶面的表示-------晶面指数晶面法线的方向表示方法：晶面在三个坐标轴的截距。晶面指数:晶面在三个坐标轴上的截距的倒数的互质整数。电子科大微固学院李竞春采用如下方法求晶面指数：（1）求出晶面在三个坐标轴X、Y、Z上的截距r、s、t（2）将这三个截距的倒数之比化成一组互质的整数（3）用这组互质的整数之比来晶面指数（h1h2h3)注意：截距为负-h,相应指数为晶面与轴平行，截距为，相应指数为0电子科大微固学院李竞春XYZXYZXYZ（100）（110）（111）电子科大微固学院李竞春XYZXYZXYZ电子科大微固学院李竞春§1.5倒格子一、倒格子的引入与定义1、倒格子的引入直接从显微镜看到晶体结构的可能性极小

X射线衍射衍射斑点倒格子点阵晶面族晶格空间点阵（正格子）晶体结构2、倒格子点阵：与晶体空间点阵（正格子）一样，倒格子点阵也具有周期性，每一个倒格点表示晶体中一族晶面的特点。电子科大微固学院李竞春3、倒格子点阵的得出

一组面间距为d的族，从平行晶面原点（在一晶面上）沿法线N取P点，使

op=2π/d，在沿法线方向平行PˊP〞……得到许多新点。其它取向的晶面相同操作，得到一个新点阵倒格子点阵电子科大微固学院李竞春NPP’P”Oa1a2a3电子科大微固学院李竞春

二、倒格子基矢、倒格子元胞、倒格矢1、定义倒格子基矢（1）a2a3晶面，面间距d2倒格子基矢b3b2a3a1a2b1电子科大微固学院李竞春(2)a1a2晶面，面间距d3（3）

a1a2面，面间距d3a3a1a2b3b2b1电子科大微固学院李竞春2、倒格子原胞

以b1、b2、b3为基矢，形成的平行六面体为倒格子元胞体积3、倒格矢：倒格子点阵，从原点指向任意格点的矢量......b2b2Kh电子科大微固学院李竞春空间点阵（正格子）倒格子点阵正格子原胞倒格子原胞基矢（原胞）基矢

格矢格矢长度空间波矢空间坐标系X、Y、Z坐标系Kx、Ky、Kz

电子科大微固学院李竞春三、倒格子与正格子的关系1、两种基矢的关系

2、正格矢与倒格矢的关系电子科大微固学院李竞春3、正格子元胞与倒格子元胞的关系电子科大微固学院李竞春4、正格子（h1

h2

h3)晶面族与倒格矢的关系Oa1a2a