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null固体物理学 (Solid State Physics)固体物理学 (Solid State Physics)主讲：金迎九 教材：《固体物理学》 著者：黄昆 编著 出版社：北京大学出版社参考书目：参考书目：1、《固体物理学》，黄昆 原著，韩汝琦改编； 2、《固体物理基础》，阎守胜 编著； 3、 《固体理论》，李正中 著 4、《Introduction to Solid State Physics》， Kittel 著;null★课程性质：专业必修课！ ★课堂要求：不得无故缺席； 请保持课堂肃静！ （缺习者请事先交请假条）null1、成绩考核:平时成绩： 30%期 末考试： 70% 1）独立完成全部作业，及时上交作业。 作业纸上写班级、姓名、点名册序号。 2）作业要整洁条理，不准抄袭作业。2、作业要求：总成绩：满分100分黄昆 （1919.9.2－2005.7.6 ）黄昆 （1919.9.2－2005.7.6 ）1941年毕业于燕京大学。 1947年获英国布里斯托尔大学博士学位，导师是莫特。 1951年回国，北京大学任物理系教授。 1977年后任中国科学院半导体研究所所长直到退休。国际著名的中国物理学家、教育家、中国固体物理学先驱、中国半导体技术奠基人。null1955年选聘为中国科学院院士。 1980年当选为瑞典皇家科学院外籍院士。 1985年当选为第三世界科学院院士。中国科学院半导体研究所研究员、名誉所长。40年代首次提出固体中杂质缺陷导致 X光漫散射的理论(被誉为黄散射)。了无辐射跃迁绝热近似和静态耦合理论的等价性，澄清了这方面的一些根本性问题。 50 年代与合作者首先提出多声子的辐射和无辐射跃迁的量子理论即“黄-佩卡尔理论”；首先提出晶体中声子与电磁波的耦合振动模式及有关的基本方程(被誉为黄方程)。 获2001年度国家最高科学技术奖。 null黄昆早年在爱丁堡大学与著名物理学家、诺贝尔奖得主玻恩教授一起从事研究工作，合著了在固体物理学界享有声誉的《晶格动力学》一书。 1956年，黄昆在北京大学物理系任教授期间，参与创建了中国第一个半导体物理专业，为中国信息产业培养了第一批人材。在北京大学任教期间，黄昆还主持本科生教学体系的创建工作，并著有《固体物理学》教材。 主要内容主要内容第 一 章 晶体的几何 第 二 章 固体的结合 第 五 章 晶格振动和晶体热学性质 第 六 章 能带论 第 七 章 金属电子论 绪 言绪 言1. 固体物理学研究对象 组成固体的原子、离子、电子等的相互作用及运动规律，并阐明其特性与用途。null0702 一级学科：物理学 070201 理论物理070202 粒子物理与原子核物理 070203 原子与分子物理070204 等离子体物理 070205 凝聚态物理070206 声学 070207 光学2.固体物理的发展过程2.固体物理的发展过程 自然界中固体材料分布广泛，有水晶，岩盐，金刚石，各种金属及陶瓷材料等等。 人们在改造自然界的过程中，利用固体材料制作工具，同时也对它们的特性进行着研究和探索，依据大量客观现象的观察实验，总结一系列的规律，成为固体物理学发展的基础。人类对晶体的研究人类对晶体的研究晶体规则的几何外形很早就引起人们的注意，而且晶体的外形对称性与其物理性质有关系，外形的规则性可能是内部规则性的反映。 17世纪，惠更斯用椭球堆砌模型来解释方解石的双折射性质和解理面； 18世纪，阿羽衣认为方解石晶体是由相同的，平行六面形的小”基石“有规则重复堆砌而成； null到19世纪中叶，布喇菲（Brabais）提出空间点阵学说，概括晶格周期性特征； 19世纪末，费多洛夫，熊夫利，巴罗等发展了关于晶体微观几何结构理论体系，为进一步研究晶体结构的规律提供理论依据。 随近代物理学发展，固体物理研究领域进入一个新阶段。 一方面，20世纪初（1912年），劳厄首先指出晶体可以作为X射线的衍射光栅； 另一方面，量子理论的发现，使人们能更深入地描述晶体内部微观粒子的运动过程，如爱因斯坦引进量子化概念研究晶格振动，索末菲在特鲁德和洛伦兹的金属自由电子论的基础上提出固体量子论。 此外，还有费米发展了统计理论等等。 null20世纪三十年代，在大量关于晶体中电子能量状态，电子运动规律及晶体中原子热运动和热缺陷的研究工作基础之上，逐渐建立固体电子态理论（能带论）和晶格动力学，带来固体物理学发展史的一次飞跃。能带论提出了导电的微观机理，指出了导体，绝缘体与半导体的区别。 20世纪四十年代末，五十年代初，以锗、硅为代的半导体单晶出现，并制成晶体三极管，产生半导体物理。标志固体物理学发展过程中的又一次飞跃，在半导体物理带动下，固体物理获得较大发展。无论是实验方法上，还是理论分析上都适应了客观需要。null2007年度的诺贝尔物理学奖，将授予两位物理学家：来自法国的Albert Fert和德国的Peter Grünberg，以表彰他们对于发现巨磁阻效应（GMR: Giant Magnetoresistance）所作出的贡献。他们于1988年独立作出的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。Fert和Grünberg将分享总金额为一千万瑞士法郎的奖金，大概相当于一百五十万美元。 巨磁阻效应是指当铁磁性材料（ferromagnetism）和非磁性金属（Non-Magnetic Metal）层交替组合成的材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。特别值得注意的是，如果相邻材料中的磁化方向平行的时候，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单层磁化材料中散射性质不同而造成的。 null巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的技术。2010年，英国曼彻斯特大学2位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov因在二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验而获诺贝尔物理学奖奖。 3.固体物理的学科领域3.固体物理的学科领域固体物理研究范围高纯度的完整晶体杂质、缺陷对金属、半导体、电介质、磁性材料及固体材料性能的影响金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料等在一般条件下的各种性质金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料等在强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下的各种现象发展新材料和新器件以及制备材料和器件的新工艺和新理论此外，超导理论，断裂微观理论，多体理论，非晶态理论，表面理论，催化微观理论，强光与物质作用相互作用理论等等固体物理的主要研究领域固体物理的主要研究领域固体中的元激发及其能谱——发展固态光电子器件及固态光子学固体内部原子间结合力的综合性质与复杂结构的关系，缺陷的形成和运动以及结构变化的规律——发展多功能复合材料研究极低温，超高压，强磁场，强辐射条件下固体的性质——为发展新能源和能量转换方式提供技术准备表面物理——对金属材料的防腐蚀防断裂有重要作用，是介于物理、化学和生物学之间的边缘学科非晶态物理——研究非晶体中原子、电子的微观过程，以发展新器件。4. 预备知识4. 预备知识一、固体的两类状态——晶体与非晶体 大量原子聚集到一起构成固体，原子排列方式有无限多种。按组成固体的粒子（原子、离子或分子）在空间的排列特征不同，将固体分为晶体、非晶体。 晶体——空间的排列是具有周期性的规则排列，称长程有序。 非晶体——固体内部长程无序，但短程有序。准晶体——结构介于晶体与非晶体之间晶体与非晶体结构示意图晶体与非晶体结构示意图图1a-晶体的规则排列图1b-玻璃的无规网格二、晶体的宏观特征二、晶体的宏观特征各种晶体由于其组分和结构不同，因而不仅在外形上各不相同，性质上也有很大差异，然而一切晶体都具有一些决定于内部结构规律性的宏观特征。 1、规则的几何外形 如典型晶体的石英，中间是六面棱柱，两端是六面 棱锥的晶体；岩盐结晶成为立方体，等等。 规则的几何外形表明：晶体内部结构是规则的。 注意：当受到外界条件影响时，同一晶体物质的各种不同样品的外形可能不完全一样，因而，晶体外形不是晶体品种的特征因素。2、晶面角守恒定律2、晶面角守恒定律同一类型的晶体，其外形不一定相同。实验测量表明：在相同的温度的条件下，同一晶体物质的各种不同样品中，各晶面之间夹角保持恒定。3、具有最低内能和固定熔点3、具有最低内能和固定熔点实验表明：从气态、液态或非晶态过渡到晶态都要放热；反之，从晶态转变为非晶态、液态或气态时都要吸热——表明相同的热力学条件下，与同种化学成分的气体、液体或非晶体比，晶体的内能为最小。而且相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体与非晶体比晶体是稳定的，而非晶体不稳定，有自发转变为晶体的趋势。null在固体熔化过程中，晶体具有固定的熔点，而非晶体没有，非晶体的熔化过程是随着温度的升高而逐渐完成。如石英晶体的熔点是1470℃，硅单晶的熔点是1420℃。4、物理性质各向异性4、物理性质各向异性晶体的物理性质是各向异性的，而非晶体是各向同性的。晶体的各向异性表明晶体内部结构的规则性在不同方向上是不一样的。如：石墨的电导率在不同的方向的数值是不同的，此外，晶体的压电性质、光学性质、磁学性质、热学性质等都表现出各向异性。三、晶体的微观结构三、晶体的微观结构晶体的微观结构包括两个因素第一，晶体是由什么粒子组成；第二，这些粒子以怎样的方式在空间排列空间点阵学说晶体结构周期性描述—空间点阵学说晶体结构周期性描述—空间点阵学说空间点阵学说认为： 一个理想晶体是由全同的，称作基元的结构单元在空间无限重复而构成；基元是原子群（可以是一个原子，也可以是多个原子组成），晶体中的所有基元是等同的，即其组成、位形和取向都是全同的；因此，晶体内部结构可概括为由一些相同的几何点在空间作周期性的无限分布，几何点代表基元的某个相同位置，点的总体称为空间点阵，简称“点阵”。晶体结构=点阵+基元null