固体物理基础概论PPT课件.ppt

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1、固固 体体 物物 理理 基基 础础 主讲教师：孙会元主讲教师：孙会元教学网页教学网页1：学院的教学网站：学院的教学网站进入方式进入方式2：学校主页学校主页机构设置机构设置党政机构党政机构教务处教务处网络教学平台网络教学平台课程展示课程展示物理科学与信息工程学物理科学与信息工程学院院固体物理固体物理地址：地址：http:/202.206.99.233/gtwl/kcjs.html教学网页教学网页2：教务处的网络教学平台：教务处的网络教学平台进入方式进入方式1：学校主页学校主页校内资源校内资源网络教学（网络教学（或或学分制选课系统学分制选课系统网络教学网络教学BB平台）平台）课程内容链接地址课程内

2、容链接地址绪绪 论论一、一、固体物理基础的内容固体物理基础的内容 三、如何学好固体物理学三、如何学好固体物理学二、固体物理基础的地位二、固体物理基础的地位四、参考书目四、参考书目 固体固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，在压强和温度一定，且无外力作用性的物质，在压强和温度一定，且无外力作用时，它的形状和体积保持不变。包括时，它的形状和体积保持不变。包括晶体、准晶体、准晶体和非晶体晶体和非晶体。一、一、固体物理基础的内容固体物理基础的内容1 1概念概念 固体物理学固体物理学是研究是研究固体的性质固体的性质、它的、它的微观结微观结构构及其各种及其各种内

3、部运动内部运动，以及这种微观结构和内以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的部运动同固体的宏观性质的关系关系的学科。的学科。组成组成晶态固体晶态固体的粒子在空间的粒子在空间周期性周期性排列排列,具有长程序具有长程序,它的它的对称性是破缺的对称性是破缺的。非晶体非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间的与晶体相反，其组成粒子在空间的分布是分布是完全无序完全无序或仅仅具有短程序或仅仅具有短程序,具有具有高度高度的对称性的对称性。准晶准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间介于晶体和非晶体之间，粒子在空间分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的取向序取向序。固体物理

4、的研究对象以晶体为主。固体物理的研究对象以晶体为主。准晶准晶 2.固体物理学的基本任务：固体物理学的基本任务：是企图从微观上是企图从微观上去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。固体物理固体物理是建立在周期性和单粒子近似下的是建立在周期性和单粒子近似下的简单理论。简单理论。3.3.固体物理的学习目的：固体物理的学习目的：1 1）进一步熟悉以前所学理论物理（量子力学、热统）进一步熟悉以前所学理论物理（量子力学、热统等）知识的作用。等）知识的作用。2 2）固体物理基础强调对固体物理学的科学方法、物）固体物理基础强调对固体物理学的科学方法、物理图象以及模型建立

5、的理解。要求掌握固体物理学的理图象以及模型建立的理解。要求掌握固体物理学的基本概念、基本模型和方法并了解它们在各类技术中基本概念、基本模型和方法并了解它们在各类技术中的应用。的应用。3 3）固体物理学是凝聚态物理学、微电子技术、）固体物理学是凝聚态物理学、微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，所以希望通过本课程的学习，掌握科的基础，所以希望通过本课程的学习，掌握从事凝聚态物理和材料物理研究工作的起码的从事凝聚态物理和材料物理研究工作的起码的基础，以及进一步学习固体理论和凝聚态物理基础，以及进一步学习固体理论和凝聚态物理学所需要的基

6、本概念和知识。学所需要的基本概念和知识。4 4固体物理的基本问题和研究内容固体物理的基本问题和研究内容1）固体物理学的基本问题固体物理学的基本问题简单地说，简单地说，固体物理学的基本问题有固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？如何设么联系？各种固体有哪些可能的应用？如

7、何设计和制备自然界中不存在的固体材料并具有奇计和制备自然界中不存在的固体材料并具有奇异的物性？异的物性？2）固体物理涉及的内容有：）固体物理涉及的内容有：晶体学物理、非晶态物理、金属物理、半晶体学物理、非晶态物理、金属物理、半导体物理、相变物理、电介质物理、磁性物理、导体物理、相变物理、电介质物理、磁性物理、低温物理、高压物理、超导体物理、表面物理、低温物理、高压物理、超导体物理、表面物理、纳米电子学等。纳米电子学等。5 5固体物理的建立和发展固体物理的建立和发展 固体物理学科的建立和发展体现在了下面固体物理学科的建立和发展体现在了下面几个方面：几个方面：1 1）晶体结构的认知；）晶体结构的认

8、知；2 2）晶体结合的认知；）晶体结合的认知；3 3）晶格振动和固体比热容的认识和发展；）晶格振动和固体比热容的认识和发展；4 4）缺陷的认知；）缺陷的认知；5 5）固体电子论的发展；）固体电子论的发展；6 6）相变的研究；）相变的研究；7 7）固体磁性；）固体磁性；8 8）超导现象的认识和发展；）超导现象的认识和发展；9 9）半导体物理的研究及无序系统和一些新的）半导体物理的研究及无序系统和一些新的进展等进展等 上述不同方面的研究成果导致了固体物理的上述不同方面的研究成果导致了固体物理的诞生。诞生。1940 1940年，塞兹年，塞兹(Seitz)(Seitz)的专著的专著近代固体理近代固体理

9、论论为以后的固体物理学教材提供了样板。之为以后的固体物理学教材提供了样板。之后，伴随着固体物理学的迅猛发展，他们从后，伴随着固体物理学的迅猛发展，他们从19551955年开始，几乎每年都要出一本年开始，几乎每年都要出一本固体物理固体物理学学研究与应用的进展研究与应用的进展，以便收集各分支，以便收集各分支最新进展的综述，一致持续到今天。最新进展的综述，一致持续到今天。我国的老一辈科学家黄昆、程开甲等最早我国的老一辈科学家黄昆、程开甲等最早在国内开展了固体物理课程在国内开展了固体物理课程 从固体物理的发展可以看出，固体物理包从固体物理的发展可以看出，固体物理包含的内容非常广泛。含的内容非常广泛。国

10、内外多数的固体物理教材都是按照固体国内外多数的固体物理教材都是按照固体物理的发展顺序编排的。物理的发展顺序编排的。各章节之间缺少联系，就好像散落的珍珠各章节之间缺少联系，就好像散落的珍珠一样，缺少一条主线把它们串起来，这对初次一样，缺少一条主线把它们串起来，这对初次接触固体物理的学生来说，感到很困惑，摸不接触固体物理的学生来说，感到很困惑，摸不着头绪。着头绪。有没有可能找到一条主线，把散落的知识点有没有可能找到一条主线，把散落的知识点联系在一起呢？联系在一起呢？以以固体电子论固体电子论的发展为主线可以把散落的知识点的发展为主线可以把散落的知识点联系在一起。联系在一起。首先从金属的自由电子论讲起

11、在领略该模型的首先从金属的自由电子论讲起，在领略该模型的巨大成功时也要知道该模型的巨大成功时也要知道该模型的不足不足。并指出这些不足。并指出这些不足就是由于就是由于忽略了离子实和电子之间的相互作用忽略了离子实和电子之间的相互作用导致的，导致的，为此必须加以为此必须加以修正修正。而要考虑离子实和电子的相互作用，就必须知道而要考虑离子实和电子的相互作用，就必须知道离子实在晶体中的排列方式。由此引入离子实在晶体中的排列方式。由此引入第二章第二章晶体结晶体结构的内容。构的内容。有了晶体结构的知识以后，就可以修改自由电子有了晶体结构的知识以后，就可以修改自由电子模型了。在周期势单电子近似下，晶体电子的

12、能谱呈模型了。在周期势单电子近似下，晶体电子的能谱呈现能带结构，从而引入现能带结构，从而引入第三章第三章能带论的内容。能带论的内容。在能带论的讲述中，通过绝热近似使学生认识到在能带论的讲述中，通过绝热近似使学生认识到晶格体系和电子体系可以分开处理，为晶格体系和电子体系可以分开处理，为第四章第四章的晶格的晶格振动打下伏笔。振动打下伏笔。通过晶格振动的讲述引入声子概念，从而可以用通过晶格振动的讲述引入声子概念，从而可以用电子、声子来描述固体中的输运问题了，这就是第五电子、声子来描述固体中的输运问题了，这就是第五章固体输运现象的内容。章固体输运现象的内容。通过金属、半导体的电、热、光输运特性，尤其通

13、过金属、半导体的电、热、光输运特性，尤其是电阻的产生机制，为第六章晶体结合、晶体缺陷和是电阻的产生机制，为第六章晶体结合、晶体缺陷和相图的引入做好铺垫。相图的引入做好铺垫。这样，就以固体电子论的发展为主线把各个知识点这样，就以固体电子论的发展为主线把各个知识点结合在了一起。结合在了一起。而且从教学进度来说，采取这样的体系编而且从教学进度来说，采取这样的体系编排，科学、有效。排，科学、有效。因为第一、二两章的内容，相对容易理解，因为第一、二两章的内容，相对容易理解，容易入门。而第三章能带论作为固体物理最重容易入门。而第三章能带论作为固体物理最重要且最难的内容，恰好处在一个学期的中间。要且最难的内

14、容，恰好处在一个学期的中间。此时，学生对教师的讲课风格也已经适应了，此时，学生对教师的讲课风格也已经适应了，而且精力集中，易于消化难点。而且精力集中，易于消化难点。到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结合、晶体缺陷等学生可以自学的内容，自然轻合、晶体缺陷等学生可以自学的内容，自然轻松合理。松合理。6.6.教材内容和学时分配教材内容和学时分配第一章第一章 金属自由电子费米气体模型金属自由电子费米气体模型(10(10学时学时)第二章第二章 晶体的结构晶体的结构 (19(19学时学时)第三章第三章 能带论能带论 (23(23学时学时)第四章第四章 晶格振动晶格振动

15、10(10学时学时)第五章第五章 输运现象输运现象 (5(5学时学时)第六章第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图晶体的结合、晶体缺陷和相图(5(5学时学时)7.7.教学要求教学要求 1)1)掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对金属的电、热、光等物性进行分析；对金属的电、热、光等物性进行分析；2)2)掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性和分类、倒格子以及性和分类、倒格子以及X X射线衍射；射线衍射；3)3)掌握固体能带论的基本内容、布洛赫定理、会利用掌握固体能带论的基本内容、布洛赫定理、会利用近自由电

16、子近似和紧束缚近似方法讨论能带的形成；近自由电子近似和紧束缚近似方法讨论能带的形成；4)4)掌握一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的掌握一维晶体振动模式的色散关系，晶格振动的量子化、声子的概念、会用爱因斯坦模型和德拜模型量子化、声子的概念、会用爱因斯坦模型和德拜模型解释固体的比热性质以及确定振动谱的实验方法；解释固体的比热性质以及确定振动谱的实验方法；5)5)了解固体的输运现象；了解固体的输运现象；6)6)掌握晶体的结合类型和结合性质；掌握晶体的结合类型和结合性质；7)7)掌握晶体的缺陷类型，晶体缺陷的热力学统计数掌握晶体的缺陷类型，晶体缺陷的热力学统计数目；目；8)8)了解热缺陷的运动、产

17、生和复合以及缺陷扩散的了解热缺陷的运动、产生和复合以及缺陷扩散的微观机制，热缺陷在外力下的运动；微观机制，热缺陷在外力下的运动；9)9)了解相图了解相图 8 8 固体物理与现代科技固体物理与现代科技 日本京都大学日本京都大学SPM(Scanning Probe Microscopy)精工制造精工制造美国美国Veeco DI SPM SPM(Scanning Probe Microscopy)不同放大不同放大倍数下的倍数下的蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀AAO模板模板超薄超薄AAO的结构色的结构色5151岁的岁的安德烈安德烈海姆海姆3636岁的岁的诺沃肖洛夫诺沃肖洛夫 石墨烯石墨烯Graphene 曼彻斯特大

18、学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图这是目前这是目前世界上最世界上最薄的材料，薄的材料，仅有一个仅有一个原子厚，原子厚，是物理学是物理学和材料学和材料学的热门话的热门话题题Ultra-Thin Material 超导磁悬浮超导磁悬浮 Magnetic Domains by Magneto-optical Effect包钴氧化铁包钴氧化铁铁合金铁合金钡铁氧体钡铁氧体CrOCrO2 20.2m计算机的硬盘计算机的硬盘计算机的硬盘计算机的硬盘德国科学家德国科学家彼得彼得格林贝格尔格林贝格尔法国科学家法国科学家阿尔贝阿尔贝费尔费尔2007年诺贝尔年诺贝尔物

19、理学奖物理学奖-巨巨磁电阻效应磁电阻效应（GMR)磁涡旋核结构磁涡旋核结构（Magnetic Vortex core)Quantum Design Magnetic Property Measurement System(MPMS).电子束刻蚀设备电子束刻蚀设备EB 由于由于固体物理固体物理本身是本身是微电子技术、光电子微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基等技术学科的基础础，也由于固体物理学科内在的因素，也由于固体物理学科内在的因素，固体物固体物理的研究论文已占物理学中研究论文理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一三分之一以上以上。同同时时，固

20、固体体物物理理学学的的成成就就和和实实验验手手段段对对物物理理化化学学、催催化化学学科科、生生命命科科学学、地地学学等等的的影影响响日益增长，正在形成新的日益增长，正在形成新的交叉领域交叉领域。大学物理类专业、材料类专业的基础课。大学物理类专业、材料类专业的基础课。它是理论物理基础之上的普通物理；它是理论物理基础之上的普通物理；凝凝聚聚态态物物理理专专业业的的重重要要基基础础课课程程；硕硕士士研究生和博士研究生入学的必考课程；研究生和博士研究生入学的必考课程；二、固体物理基础的地位二、固体物理基础的地位 是是理理解解物物体体导导电电、发发光光、发发热热、超超导导、磁性等的基础；磁性等的基础；1

21、1.课上认真听讲；课上认真听讲；2.2.课下注意梳理；课下注意梳理；4.4.适当作些习题适当作些习题三、如何学好固体物理学三、如何学好固体物理学?3 3.概念及时掌握；概念及时掌握；5.5.充分利用网络资源充分利用网络资源四四、参考书目、参考书目2.2.黄黄昆昆原原著著、韩韩汝汝琦琦改改编编；固固体体物物理理学学-高高等等 教育出版社教育出版社,198819883.3.方俊鑫，陆栋；固体物理学（上册、下册）方俊鑫，陆栋；固体物理学（上册、下册）上海科技出版社，上海科技出版社，198119814.4.基泰尔（基泰尔（C.KittelC.Kittel 5 5thth edition editio

22、n）著，杨顺著，杨顺华等译，固体物理导论，科学出版社，华等译，固体物理导论，科学出版社，197919791.1.孙会元主编，固体物理基础，科学出版社，孙会元主编，固体物理基础，科学出版社，20102010 5.5.方可方可,胡述楠胡述楠,张文彬张文彬 主编主编;固体物理学固体物理学,重重庆大学出版社庆大学出版社,199319936.6.陈陈金金福福 主主编编 固固体体物物理理学学学学习习参参考考书书 高高等教育出版社等教育出版社,198619867.7.宗宗祥祥福福，翁翁渝渝民民 编编著著，材材料料物物理理基基础础，复复旦大学出版社，旦大学出版社，2001.122001.128.8.阎守胜阎守

23、胜.2000.2000.固体物理基础固体物理基础.北京：北京北京：北京大学出版社大学出版社9.9.韦丹韦丹著，著，固体物理固体物理-清华大学出版社清华大学出版社,2003.6,2003.610.Yuri M.Galperin ，Introduction to Modern Solid State Physics，Department of Physics,P.O.Box 1048 Blindern,0316 Oslo,Room 427A Phone:+47 22 85 64 95,11.Joseph Callaway,Quantum theory of the Solid State(stud

24、ent edition),AP New Yok(1976)1 1固体物理习题详解固体物理习题详解 吴代鸣吴代鸣 解答解答kittlelkittlel，19801980年，吉林人民出版社年，吉林人民出版社(130)(130)2 2固体物理学习题指导固体物理学习题指导 刘友之刘友之 等等编，编，19881988年，年，高等教育出版社（高等教育出版社（575575）3 3固体物理学问题和习题固体物理学问题和习题 黄波黄波 等等编，编，19881988年，年，国防工业出版社国防工业出版社(530)(530)4 4固体物理学习题解答固体物理学习题解答 徐至中徐至中 编，编，19891989年，上年，上海

25、科学技术文献出版社海科学技术文献出版社(方俊鑫、陆栋方俊鑫、陆栋 上册上册)5 5固体物理概念题和习题指导固体物理概念题和习题指导 王矜奉王矜奉 等编，等编，20012001年，山东大学出版社年，山东大学出版社6.课后习题参考解答和自测试题解答，孙会元，学课后习题参考解答和自测试题解答，孙会元，学校教务处校教务处BBBB平台平台习题解答类：习题解答类：作业要按时完成。作业要按时完成。辅导地点辅导地点:田家炳楼一层最西边和旧生物楼田家炳楼一层最西边和旧生物楼106,106,时间：每周四的下午时间：每周四的下午3 3：30-30-5 5：3030物理学词典，固体物理学分册物理学词典，固体物理学分册，1 1988988年，科年，科学出版社（学出版社（705705）概念解答类：概念解答类：联系方式：联系方式：