固体物理第一章晶体演示课件

1、绪 论,一.固体物理学的研究对象,固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。,固体是由大量的原子（或离子）组成，1023个原子/cm3。 固体结构就是指这些原子的排列方式。,物理学论文有约1/3属于凝聚态(固体物理学),二. 固体的分类,晶 体: 规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。 长程有序性，有固体的熔点。E.g. 水晶 岩盐,非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。 短程有序性，没有固定的熔点。 玻璃 橡胶,准晶体: 有长程的取向序，有准周期性，但无长程周期

2、性 。,没有缺陷和杂质的晶体叫做理想晶体。缺陷: 缺陷是指微量的不规则性。,三. 固体物理的一些主要研究方向:,有机固体: 电, 磁, 光, 超导. 量子Hall效应: 整数, 分数. 人工微结构: 半导体超晶格, 量子点, 量子线, 量子阱, 声子晶体, 光子晶体 准晶体 高温超导 C60 C纳米管 石墨烯 磁性, 巨磁阻 自旋电子学,四. 固体物理学发展的特点,新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正

3、电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展, 并成为 微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础。,理论研究更加深入, 所用方法包括重整化群(RG, DMRG, NRG等), DMFT, Monte Carlo, DFT等, 并越来越依赖计算机进行大规模计算.,黄昆，韩汝琦.固体物理,高教出版社. Charles Kittel. Introduction to solid state physics. Gerald Burns, Solid State Physics P.M. Chaikin, T.C. Lubensky , Prin

4、ciples of condensed matterphysics 冯端, 金国钧, 凝聚态物理学 方俊鑫，陆栋. 固体物理学（上）, 上海科学技术出版社. 阎守胜.固体物理基础, 北京大学出版社. 胡安, 章维益, 固体物理学,主要参考书,1.1 晶体的共性,一. 宏观特性:自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的对称性、固定的熔点。,1.晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为自限性。（能量最小） 2.晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的解理性，这样的晶面称为解理面。 3.晶面角守恒定律:属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。,石英晶体： a、b 间夹角

5、总是14147； a、c 间夹角总是11308； b、c 间夹角总是12000。,4.晶体的各向异性: 弹性模量, 热膨胀,导热系数,电导率,折射率等. 5.晶体的对称性:晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复出现，称为晶体的对称性。 6.晶体固定的熔点:给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。 二.微观特性: 周期性.,密排六方结构（hcp）,面心立方结构（fcc）,体心立方结构,简单立方结构,NaCl结构,典型晶体：NaCl、LiF、KBr ,CsCl结构,典型

6、晶体：CsCl、CsBr、CsI ,金刚石结构,典型晶体：金刚石、Si、Ge ,注: 每个不同颜色的球表示相同的C原子,闪锌矿结构,许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、CdS、GaAs、-SiC ,在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。,NaCl结构,CsCl结构,金刚石结构,闪锌矿结构,基矢和原胞,Wigner-Seitz原胞,1.3 晶体的宏观对称性,一、点对称操作 若一个空间图形经过一空间操作（线性变换），其性质复原，则称此空间操作为对称操作。由于对称操作前后图形中任意两点间的距离保持不变，故此线性变换为正交变换。 点对称操作：在对称操作过程中至少有一

7、点保持不动。 点对称操作要素： 点：对称中心；线：对称轴；面：对称面。,二、晶体的对称轴定理 若一晶体绕一直线至少转过角或角的整数倍， 其性质复原，称为基转角，称 为对称轴的轴次。 晶体的对称轴定理：晶体中只有1，2，3，4，6 五 种对称轴。 三、晶体中八种独立的对称要素 旋转对称轴 Cn （真旋转） 旋转反映轴 Sn（旋转与反映的复合操作）晶体绕一直线转过一基转角（此时晶体未复原），紧接着对一垂直于此直线的平面反映，使晶体复原。,C1 (1),C2 (2),C3 (3),C4 (4),C6 (6),S1或CS (m),S2或Ci (i),S3=C3+CS,S4,S6=C3+Ci,晶体中独立

8、的对称要素： C1 (1)、C2 (2)、C3 (3)、C4 (4)、C6 (6)、Ci (i)、CS (m)和 S4 四、点群 实际晶体中的对称性就是由以上八种独立对称要素的组合组成，共有32种不同的组合方式，称为32种点群。 点群符号：Schnflies符号 主轴：Cn、Dn、Sn、T和O Cn：n次旋转轴； Sn ： n次旋转反映轴； Dn：n次旋转轴加上一个与之垂直的二次轴 T： 四面体群； O： 八面体群。,脚标：h、v、d h：垂直于n次轴（主轴）的水平面为对称面； v：含n次轴（主轴）在内的竖直对称面； d：垂直于主轴的两个二次轴的平分面为对称面。 1.4 晶系和Bravais格

9、子 一、晶胞与轴矢坐标系 晶胞：既能反映晶体的对称性特征又能反映晶格周期性（平移对称性）的重复单元。 轴矢：a、 b、 c 晶胞参量：a、 b、 c、,二、轴矢坐标系中的方向指数和面指数 晶向指数 晶向指数：从一个格点出发，沿晶向前进到另一格点的位移矢量：ma+nb+pcm: n: p = m: n: p，其中l、m、n为互质整数，则称 mn p为晶向指数。等效晶向（等效方向）： mnp,2. 晶面指数 在一平面族中，取一个不过原点的平面，它在三个坐标轴上的截距分别为ua、vb和wc， 其中h、k、l为互质整数，则定义该晶 面的面指数为（hkl）。 等效晶面：hkl 三、晶系 根据晶体的对称性特征， 可将晶体划分为七个晶系。,四、Bravais格子 根据晶体的对称性特征，我们将晶体划分成七个晶系，每个晶系都有一个能反映其对称性特征的晶胞。由于空间点阵是从晶格经数学抽象得来的，因此空间点阵也应分别属于这七个晶系。并且可按所属晶系的轴矢坐标系