固体物理(第1课)晶体结构.ppt

硅表面重构的原子照片 铜表面原子的重构： 4 8 个铁原子构成围栏，內部形成电子驻波。 基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实， 人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储 器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子 为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器 吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万 张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容 量，将能够存入人类有史以来的全部知识！ 1998年IBM公司 用原子排成的世界 上最小的广告- IBM 固体物理 教师：富容国 电子工程与光电技术学院光电技 术系 光学楼一楼西(340栋102) 电话：84314969有关本课的注意事项 v 教材和参考资料 朱建国,郑文琛等.固体物理学.科学 出版社,2005 讲课内容 ： 章， v 作业 两个作业本 v 考试 闭卷、笔试 结课前一周讲解复习重点，并安排 答疑 一、 本课程的作用 n 固体物理是物理学的一个重要分支 ，在现代科学技术的发展中，它起着及其 重要的基础作用，特别是对材料科学、电 子物理、电子器件、微电子学等专业方面 的研究，固体物理为它们提供了科学依据 和理论指导；而固体物理所发展起来的一 整套科学概念、理论和实验技术，对于其 它新兴科学技术也同样产生了重要而深远 的影响。 二、课程的教学目标与基本要求 n1通过本课程的教学，掌握固体物理 中的基本概念和基本理论，从而为学习 半导体物理等一些后续课程打下扎实的 理论基础。 n2学习固体物理中分析、解决问题的 方法和手段，提高思维能力和分析、解决 实际问题的能力。 三、课程的教学内容 n 晶体的结构(说明)； n 晶体结合类型和结合的物理性质 ； n 晶格振动和晶体的热学性质； n 晶体中的缺陷与运动； n 金属中电子的运动规律和能量状 态； n 能带理论，即周期性势场中电子 的 运动规律和能态研究； 原子 电子 前 言 n1 固体研究历史 n 固体结构的基础是原子结构和电子结构。 n “万物是什么构成的”3000年前 n 古希腊：水、空气、火、土。 n 中国：金、木、水、火、土（商周五行说）。 n 公元前450年：巴门尼德球，即永恒不变。 n 同时期希腊：物质无限可分。 n 毕达格拉斯学派：四元素是由形状为规则立方 体的基 本粒子构成的。 前 言 n原子论提出：一个整体由无数粒子构成，每个 粒子都是一个巴门尼德球，刚硬、立体、不可分 割。 nAtom：希腊语中不可分割的意思。 n德谟克里特：物质由原子组成。 n希腊哲学家柏拉图：广泛宣传原子论。 n十七世纪自然科学开始成熟，牛顿等建立的力 学、天文学、光学的基础。 n1840年，Maxwell建立了电磁学理论，确立了 经典电动力学。 n19世纪末，Bolzman奠定了统计物理基础。 前 言 n20世纪初，普朗克、洛伦兹、爱因斯坦、玻 尔等建立了狭义相对论、原子物理，初步建立了 量子统计和量子理论。 n后来薛定谔、海森堡、费米、狄拉克等人建 立了量子力学。 n上述都是对自然界事物认识并理解的一个过 程。 n人类也用实验手段研究原子及更深的物质结 构。 n1897年，汤姆逊发现电子。 n卢瑟福建立了原子核理论。(粒子散射实验) n劳厄：X射线衍射。 n布拉格父子建立的X射线衍射理论。 前 言 v1. 固体物理学： v 研究固体物质物理性质的学科 v 通过对固体微观结构和组成固体的微 观粒子之间相互作用及运动机制的研究来 阐明和揭示固体的宏观性质及用途 v2. 固体的结构： v 从微观角度上来说，是指组成固体 的微观粒子在空间的排列方式 前 言 n3 微观世界基本规律规律 n 包括力学、电磁学、热学、统计物理 、量子力学等。 n4 固体的宏观性质 n 力学性质、热性质、电性质、声性质、 磁性质、光性质等。 n 固体物理是连接宏观世界和微观世界 的桥梁。 前 言 v5. 固体的分类： v晶体*： 一般有规则的几何外形，组成 晶体的微观粒子在空间排列是长程有序的 (晶体演示) (石英分子结构) v准晶体：1984年，实验发现 v非晶体：一般没有规则的几何外形，组 成非晶体的微观粒子在空间排列是长程无 序的 v晶体图片 晶体与非晶体内部结构示意图 常见的宝石晶体 合成刚玉（白宝石） 原料 Al 2 O 3 ，另加致色元素如 下 合成红宝石 Cr 2 O 3 ， 1-3% 合成蓝宝石 Fe ， Ti ； 0.3-0.5% 合成黄色蓝宝石 Ni ， Cr 合成紫色蓝宝石 Cr Fe ， Ti 合成变色蓝宝石 Cr 2 O 3 ， V 2 O 5 ， 3-4% 合成星光红宝石 TiO 2 0.1-0.3% ， Cr 2 O 3 1-3% 合成星光蓝宝石 FeO+TiO 2 ： 0.3-0.5% ； TiO 2 ： 0.1-0.3% 第一章 晶体结构 v1.1 晶体的宏观特征(说明) v长程有序：微米范围内的规则排列。 v自限性：晶体会自发地成长为表面为平面的 凸多面体（示意图） v解理性：当晶体受到敲打、剪切、撞击等外 界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方位 的晶面劈裂开来的性质。劈裂的晶面称为解理 面。 v晶面角守恒定律：同一种晶体在相同的温度 和压力下，其对应晶面之间的夹角恒定不变（ 示意图） v各向异性：晶体的物理性质随观察方向而 变的现象（示意图） 在不同带轴上，晶体的物理性质不一样。 其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率 不再是常数，需要用张量来表示。 v均匀性：晶体的物理性质不随晶体的部位而改变 （示意图） v对称性：晶体宏观性质在不同方向上有规律重复 出现的现象（示意图） v几何外形 v物理性质：异向同性 v最低内能和固定熔点：与同种化学成分的气体、 液体或非晶体相比，晶体的内能最小。晶体在熔化 过程中保持温度不变。（示意图） v1) 布喇菲（布拉伐 Bravais）的空间点阵学说 v 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的 点子在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点 子的总体称为点阵。 （示意图） v 点子可以是原子，分子，分子团，点子代表 其重心位置，这些点称为格点。晶体由多种原子构 成时，其基本结构单元（基元）也由这数种原子构 成（示意图）。 v2) 晶格：布喇菲点阵基元 1.2 空间点阵 3) 空间任意格点的位置表示 v 1) 原胞： 初基原胞，固体物理学原胞 v原胞是为描述晶体周期性选取的体积最小的 平行六面体（示意图） v原胞的选取不唯一，但体积唯一（示意图） v对于布喇菲格子，原子只出现在原胞的顶点 上，每个原胞中只含有一个原子；对于复式格子 ，原胞和对应的布喇菲格子一样选取，但在原胞 的体内或面内包含基元中其它种类的原子每种各 一个（示意图） v原胞的基矢常用 表示 3. 原胞和晶胞* v晶胞：是为描述晶体对称性而选取的 平行六面体，其体积应尽可能小（不一 定最小） v原子不仅出现在晶胞的顶点上，也能 出现在其面心、体心或其它位置上 v晶胞基矢一般沿晶轴方向，常用 表示，三基矢尽可能长度相等、彼此相 垂直。 2)晶胞： 结晶学原胞，惯用晶胞，单胞 1.3 晶格周期性 布喇菲格子和复式格子* n1) 布喇菲(Bravais )格子： （示意图） l晶格只有一种原子构成，基元就是一个原 子，原子中心与阵点重合。 n 2) 复式格子： （示意图） l由相同的布喇菲格子互相套构而成。两种 以上原子，每种原子各组成与格点相同的晶 格，即布喇菲晶格，它们相对移动一定距离 ，套构而成复式晶格。 l复式晶格中基元的原子团中心与格点重合 。 复式晶格中格点不等价的原因： n格点本身代表不同的原子（见图）。 n格点附近空间结构不对称（见图） 。 v 立方晶系的布喇菲晶胞 简立方晶格（sc）（示意图）(演 示) 原胞 晶胞 体心立方晶格（bcc）（示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 体积 面心立方晶格（fcc） （示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 1.3.5 几种典型的晶体结构： 简立方晶格（sc）示意图1 返回 原子铺排方式：AAA晶胞体积a3, 原子体积 简立方晶格（sc）示意图2 返回 自然界中不存在此 种结构的晶体 体心立方晶格（bcc）示意图1 返回 原子铺排方式： ABAB 体心立方晶格（bcc）示意图2 Li、Na、K、Rb、Cs、Fe 晶胞中含 两个原子 原胞中 含一个 原子 返回 原胞的体积V na是晶胞的边长，又称晶格常数。 n可见原胞体积是晶胞体积的一半，一个 晶胞对应两个格点，一个原胞只对应一个 格点。 返回 体心立方晶格（bcc）示意图3 由于晶胞中含两个原子，因此晶胞体积 为a3，两个原子占据体积为 面心立方晶格（fcc）示意图1 返回 原子铺排方式：密排面，ABCABC 面心立方晶格（fcc）示意图2 返回 Au、Ag、Cu、Al 晶胞 中含 4个 原子 原胞 中含 一个 原子 面心立方晶格中原胞的体积V 原胞体积是晶胞体积的1/4，一个晶胞对应4 个格点，一个原胞只对应一个格点。 面心立方晶格（bcc）示意图3 由于晶胞中含4个原子，因此晶胞 体积为a3，其中4个原子占据体积为 原胞示意图1 返回 晶胞 返回 原胞 原胞示意图2 返回 晶胞示意图 返回 宏观特性 宏观特性宏观特性 晶面角守恒晶面角守恒 解理性解理性 各向异性各向异性 均匀性均匀性 对称性对称性 固定熔点固定熔点 自限性自限性 长程有序长程有序 原原 子子 原子中原子中 的电的电 子子 微观结构微观结构 微观粒微观粒 子子 宏观特性宏观特性 固体物理 晶体物理晶体物理 力声光电热磁力声光电热磁 物理性质物理性质 固体物理固体物理 力学、电磁学、热 学、统计物理、量 子力学 点点 线面体线面体 声子声子 单单 原子链原子链 分分 类类 晶体缺晶体缺 陷陷晶体振晶体振 动动 性质性质 分分 类类 晶体的结晶体的结 合合 结合力结合力 晶格晶格 原子 微观结构微观结构 原子原子 倒易点阵倒易点阵 X X射线衍射射线衍射 体心立方体心立方 面心立方面心立方 简立简立 方方 晶胞晶胞 原胞原胞 晶向和晶面晶向和晶面 晶格 布拉菲晶格布拉菲晶格 体体 心立方心立方 面心立方面心立方 简立方简立方 复式晶格复式晶格 晶晶 格格晶格分晶格分 类类七大晶系七大晶系 返回 黄铁矿（FeS2） 滑石中的黄铁矿 返回 n石英分子结构 返回 晶体与非晶体内部结构示意图 返回 自范性示意图 返回 晶面角守恒定律示意图 na、b： 14147 nb、c： 12000 na、c： 11308 返回 各项异性和对称性示意图 nx z nx =