材料结构无机开篇和量子力学

材料结构无机开篇和量子力学第1页，课件共36页，创作于2023年2月《材料结构（无机材料）》名称说明《材料结构》与本科《固体物理基础》类似，但研究生课程偏重应用，偏重相关的基本知识的应用；名词：“材料”——与“冶金”、“机械”对应；材料科学的核心问题？——材料与结构之间关系，结构是研究重点……无机材料：以无机材料（包括水泥，玻璃以及陶瓷，而陶瓷主要以晶体结构为主）为背景来介绍，涉及一些具体材料应用问题；第2页，课件共36页，创作于2023年2月相关课程与《材料物理性能（无机材料）》——重点在结构和性能之间的规律，本课程不是重点，而是研究这种关系的方法和工具，我们主要强调基础知识和研究方法……《材料现代研究方法（无机材料）》——是本课程的后续课程，偏重理论研究方法介绍，讲具体操作过程和在具体应用方法……其课程与《材料合成与制备》课程内容也完全相互弥补和配合，一个理论一个实验……第3页，课件共36页，创作于2023年2月课程的特点和思路说明——本科生学过《固体物理》或者《材料结构基础》等课程……本科生课特点：基础规律，先学后用；研究生课特点；以用带学，学以致用；本课程特点：实践认识+基础知识；第4页，课件共36页，创作于2023年2月参考书目《固体物理导论》基泰尔化学工业出版社2005.6《固体物理学》黄昆北京大学出版社2009.9《材料的晶体结构原理》毛卫民,冶金工业出版社,2007.8第5页，课件共36页，创作于2023年2月主要内容第1章晶体结构(4学时)：晶体学概述、原子的周期性、晶格的基本类型、各晶系空间群特征、国际表示和使用方法、常见的无机晶体结构；第2章晶体衍射和倒格子(4学时)：晶体衍射、布里渊区与倒格子、X射线衍射基础、常见无机晶体结构的测定、中子衍射结构分析；第3章晶体结合与弹性常数(4学时)：惰性气体晶体，离子晶体共价晶体，金属晶体等，弹性应变的分析和立方晶体中的弹性波；第4章晶格振动与热学性质(2学时)：声子与晶格振动，声子比热容，热膨胀，导热性；第5章晶体中的缺陷和扩散(2学时)：晶体结构中点缺陷、点缺陷与扩散；第6章能带(2学时)：近自由电子模型，金属与绝缘；第6页，课件共36页，创作于2023年2月主要内容第7章金属晶体(2学时)：电子气的热容，电导率和欧姆定律，无机材料中的电子导电规律也结构特点；第8章半导体晶体(2学时)：能隙，本征载流子，杂质导电性，相关无机材料结构与性质规律；第9章陶瓷磁性(2学时)：抗磁、顺磁、铁磁，反铁磁，相关典型无机材料的结构特点与规律；第10章陶瓷光学性质(2学时)：光学反射与拉曼效应；第11章高温超导体(2学时)；基本规律，高温超导体结构特点与性能第7页，课件共36页，创作于2023年2月问题的提出材料科学的核心问题——性能与结构的关系；材料结构范围包括理想晶体和非理想晶体：分别对应：晶格、缺陷等晶体概念，以及非晶体，纳米，关联等概念；结构概念也非常多，它们之间也是有密切联系的：例如，晶格（平移矢量和基元）、倒空间（动量）与能量空间（能带）——核心概念：对称性……；第8页，课件共36页，创作于2023年2月重点概念与名词——无机材料结构研究重点在哪里？材料结构有哪些重点？理想晶体结构和缺陷与哪些性能关系，以及非理想晶体结构有哪些概念问题？——这些都是材料研究的热点……固体材料（凝聚态）——无机材料——无机非金属（包括水泥、玻璃和陶瓷）——特别是陶瓷以晶体结构为主……第9页，课件共36页，创作于2023年2月晶体中的其他结构

材料——无机非金属材料——陶瓷——晶体结构特征非常明显，因此，课程内容重点在晶体结构相关内容……晶体结构包括哪些？单晶和多晶；孪晶和层错；位错——螺旋位错，刃型位错；点缺陷——空位，杂质，间隙等；……——都是结构中的重要概念，在某些性质中起关键的作用……也是学习了解非理想结构的基础；第10页，课件共36页，创作于2023年2月小结：概念与重点——材料结构的范围包括理想晶体和非理想晶体：对应不同晶格、缺陷和非晶体，纳米，关联等概念和名词——无机非金属（其中的陶瓷材料）理想晶体概念非常重要，——理想晶体概念包括晶格与缺陷等，以及动量空间和能量空间关系……关注重要概念本身，注意基本概念之间的联系……第11页，课件共36页，创作于2023年2月继续研究结构的实用工具之一——量子力学方法第12页，课件共36页，创作于2023年2月新问题的提出——决定结构的最根本原因是什么？理想结构还是非理想结构材料；结构组织还是晶体？原子之间以及电子之间电子（不涉及原子核结构）是最基础的……——虽然，这些和研究的问题密切相关，有的有直接关系，有的则是间接关系……，特别是对于陶瓷（无机非金属材料之一，另外还包括水泥和玻璃）电子结构都最重要的！第13页，课件共36页，创作于2023年2月从原子的周期性开始分析第14页，课件共36页，创作于2023年2月第15页，课件共36页，创作于2023年2月气体，液体和固体——如何解释气体、液体、固体……与外界因素相关，而本质因素是什么？惰性气体；固体金属；非金属金刚石C；——外层电子的特点最为关键，因此形成材料最初结合动力……第16页，课件共36页，创作于2023年2月电子结构电子结构是本质决定因素，外界环境是外因，两者作用决定原子最终状态——也就是纯原子的最终形态是气体，液体还是固体；甚至于决定这些纯物质是金属还是非金属……但是，电子结构是如何决定的呢？电子结构的运行规则是什么？用什么方法来研究呢？——量子力学第17页，课件共36页，创作于2023年2月从电子结构到量子力学工具电子结构——原子核和电子，电子和电子之间相互作用；不能用牛顿方程研究，什么原因？相对论问题？描述电子的形式——波函数——薛定额方程——量子力学；一些必要的近似——量子力学程序——Dmol3

和CASTEP等软件工具包；第18页，课件共36页，创作于2023年2月电子的离子和波动第19页，课件共36页，创作于2023年2月第20页，课件共36页，创作于2023年2月第一性原理——薛定谔方程第21页，课件共36页，创作于2023年2月求解薛定谔方程第22页，课件共36页，创作于2023年2月第23页，课件共36页，创作于2023年2月原子反应第24页，课件共36页，创作于2023年2月第一性原理计算方法第25页，课件共36页，创作于2023年2月绝热近似（Born-Oppenheimerapproximation）也被称为定核近似，它是由奥本海默和他的导师玻恩在1927年共同提出的。在热力学统计物理、固体物理中，讨论晶格布里渊区时假定晶格中的原子在平衡位置静止不动。实际上晶体中的原子进行着热振动。这对电子的运动将产生一定的影响。但原子核的质量比电子的质量要大得多，其运动比电子慢得多。因此，可近似认为，某一时刻电子的运动状态只由该时刻原子核在晶体中的位置决定，电子状态的能量是晶格位行的函数，称为绝热近似。第26页，课件共36页，创作于2023年2月单电子近似（Singleelectronapproximation）对于晶体，本来是一个由电子和原子实组成的多体问题，通过采取所谓绝热近似以后，把电子的运动与原子的运动分开来了，则晶体电子的问题即变成了一个多电子的问题；但是这种问题仍然很难求解，于是再通过所谓单电子近似，即简化成为有可能求解的单电子问题。单电子近似的实质就是着眼于晶体中的一个电子，而把该电子所受到的作用归结为由3个部分(离子实,其余电子,交换势)组成的周期性势场V(r)（称为晶格周期性势场）。由此可建立起单电子运动方程(Hartree方程)：[－(ħ2/2m)δ2+V(r)]φ(r)=Eφ(r)。只要知道了周期性势场，即可求解出结果。所谓单电子近似方法，是进一步假定把每一个电子所受其它电子的库仑作用，以及考虑电子波函数反对称性而带来的交换作用，可以看成是一个平均的等效的势场。第27页，课件共36页，创作于2023年2月电子之间的关联也有近似在Hartree-Fock理论中，很重要的一项误差就是在Hartree-Fock理论中，电子之间的关联项被全部忽略了。这其中的原因是因为我们将体系的基态波函数近似为单行列式的形式，电子所感受到的是平均场的作用，这使得我们可以将多体的波函数分解成为单电子波函数简化计算。但是，电子之间的关联有个重要的处理，会对一些问题产生影响……第28页，课件共36页，创作于2023年2月量子力学程序量子力学程序——Dmol3第29页，课件共36页，创作于2023年2月第30页，课件共36页，创作于2023年2月从原子到分子，再到晶体H原子；H2分子；H2O水分子；苯酚——C6H6；C60；C60晶体及其化合K3C60

——从简单到复杂……第31页，课件共36页，创作于2023年2月小结电子结构决定原子本身性质；原子之间轨道电子相互作用决定分子的性质和形态；分子或原子之间相互作用决定晶体材料的重要性质和形态……——本课程重点关注：陶瓷的晶体结构是重点内容之一，结构和性能关系次之……第32页，课件共36页，创作于2023年2月课程学习的基本要求考核和考试（为主）；理论概念与演示内容（并重）；学习与研究（有机结合）；下节课程内容第33页，课件共36页，创作于2023年2月主要内容第1章晶体结构(4学时)：晶体学概述、原子的周期性、晶格的基本类型、各晶系空间群特征、国际表示和使用方法、常见的无机晶体结构；第2章晶体衍射和倒格子(4学时)：晶体衍射、布里渊区与倒格子、X射线衍射基础、常见无机晶体结构的测定、中子衍射结构分析；第3章晶体结合与弹性常数(4学时)：惰性气体晶体，离子晶体共价晶体，金属晶体等，弹性应变的分析和立方晶体中的弹性波；第4章晶格振动与热学性质(2学时)：声子与晶格振动，声子比热容，热膨胀，导热性；第5章晶体中的缺陷和扩散(2学时)：晶体结构中点缺陷、点缺陷与扩散；第6章能带(2学时)：近自由电子模型，金属与绝缘；第34页，课件共36页，创作于2023年2月主要内容第7章金属(2学时)：电子气的热容，电导率和欧姆定律，无机