固体物理导论
固体中学物理学导论
固体物理学导论第一章晶体结构1.1 原子的周期性阵列一个晶体的所有各面的方向指数都是精确的整数。
衍射实验决定性的证明了晶体是由原子或原子团的周期性阵列组成的。
在理想情况下，晶体是由全同的原子团在空间无限重复排列而构成的，这样的原子团被称为基元。
在数学上这些基元可以抽象为几何点，而这些点的集合被称为晶格。
原胞是体积最小的晶胞，初基基元是包含原子数目最少的基元。
1.2 晶格的基本类型晶格可以通过晶格平移或其它各种对称操作与其自身重合。
典型的对称操作是围绕一个通过格点的晶轴进行转动。
，，，与这些角度相对应的转动轴分别被称为一重、二重、三重、四重和六重轴，通常用符号1、2、3、4和6分别表示这些转动轴。
晶格平移矢量具有任意性，由此给出的一般性晶格通常被称为斜方晶格。
二维晶格的分类：有五种，即一种斜方晶格和四种特殊晶格。
布拉维晶格（Bravais lattice）是对某种具体晶格类型的统称，于是有五种二维布拉维晶格。
三维晶格的分类：有14种，即三斜晶格和13种特殊晶格。
为方便起见，通常按照七种惯用晶胞将这14种晶格划分为7种晶系，即三斜（1）、单斜（2）、正交（4）、四角（2）、立方（3）、三角（1）和六角晶系（1）。
立方晶系包括简单立方(sc)，体心立方(bcc)和面心立方(fcc)三种晶格。
1.3 晶面指数系统一个晶面的取向可以由这个晶面上的任意三个不共线的点确定。
晶体中某一方向的指数是指这样一组最小整数，这组最小整数间的比率等于该方向的一个矢量在轴上的诸分量的比率。
1.4 简单晶体结构氯化钠型结构：面心立方。
基元由一个钠离子和一个氯离子组成，每个原子有六个异类原子作为最近邻。
每一个单位立方体中有4个氯化钠基元。
氯化铯型结构：简单立方，基元由一个铯离子和一个氯离子组成，每个原子有八个异类原子作为最近邻。
每个原胞有1个分子。
六角密堆积型结构(hcp)：与面心立方结构的总体积被球占据的体积比率一样，都为0.74。
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《固体物理导论》
摘要：本文介绍了固体物理的基本概念、原理和应用。
通过对固
体物理学的探讨，读者可以了解到固体的结构、性质以及固体在电学、热学和光学等领域的应用。
第一部分：固体的基本结构与性质
1. 固体的分类与特点
2. 晶体结构与晶格
3. 晶体缺陷与固体缺陷的性质和影响
4. 固体中的电子行为：导体、绝缘体和半导体的基本概念
5. 固体中的振动：声子和声子的产生、传播与吸收
第二部分：固体物理的应用
1. 固体的热学性质及其应用：热导率、热膨胀等
2. 固体的电学性质及其应用：导体、绝缘体和半导体的应用
3. 固体的光学性质及其应用：折射、吸收和反射等基本原理
第三部分：现代固体物理的发展与前沿
1. 低维固体物理：纳米材料和薄膜的研究进展
2. 新型材料的发现与应用：石墨烯、拓扑绝缘体等
3. 固体物理与纳米电子学、光电子学的交叉研究
结论：固体物理作为一门重要的物理学科，不仅有助于我们理解
固体的性质和行为，还为现代技术的发展提供了重要的理论支持。
希
望通过本文的介绍，读者能够对固体物理有一个全面的了解，为深入
研究和应用固体物理奠定基础。
关键词：固体物理、晶体结构、电学性质、热学性质、光学性质、纳米材料、新型材料、纳米电子学、光电子学。
固体物理导论读书随笔
《固体物理导论》读书随笔1. 固体物理导论概述在开始阅读这本《固体物理导论》时，我被其深厚的理论底蕴和丰富的实践应用所吸引。
这本书作为固体物理学的入门教材，为初学者提供了一个全面、系统的学习框架，让我对固体物理学有了更加清晰的认识。
固体物理学是研究固体物质的物理性质和行为的一门科学，它不仅探究固体的微观结构，还研究固体中的电子行为、力学性质、热学性质等。
在现代科技领域，固体物理学的重要性日益凸显，因为固体材料的应用几乎无处不在，涉及到能源、电子、光学、磁学等多个领域。
这本书的导论部分详细介绍了固体的基本性质，包括晶格结构、晶体缺陷、相变等。
接着介绍了固体的电子理论，包括能带理论、费米能级等概念。
还介绍了固体的力学性质、热学性质以及电磁性质等。
这些内容构成了固体物理学的核心知识体系。
固体物理的研究方法涉及到实验和理论两个方面，实验方面主要包括各种物理性质的测量和表征，如X射线衍射、电子显微镜等。
理论方面则涉及到量子力学的应用，如波函数、量子力学方程等。
计算机模拟也成为现代固体物理研究的重要工具。
通过阅读《固体物理导论》的导论部分，我对固体物理学有了更深入的了解。
这本书为我揭示了固体物理学的奥秘，激发了我对这门学科的浓厚兴趣。
在接下来的学习中，我将继续深入探索固体的微观世界，理解固体的各种物理性质和行为。
通过不断学习和实践，我将能够更好地掌握固体物理学的基本原理和应用。
1.1 固体物理的定义与意义在量子力学和现代物理学的宏大舞台上，固体物理以其独特的魅力占据了重要的一席之地。
它不仅仅是对微观粒子在固态条件下的行为进行研究，更是探讨物质的基本组成、结构、性质以及演变规律的学科。
当我们谈论固体物理时，我们实际上是在探索物质世界的本质，以及在这些性质中体现出来的宏观现象。
固体的定义多种多样，但最基本的特征是具有固定的晶格结构和电子排布。
晶格结构为固体提供了稳定的几何外形，而电子排布则决定了物质的内在特性，如导电性、磁性等。
基泰尔. 固体物理导论. 参考文献
基泰尔. 固体物理导论. 参考文献一、概述1. 介绍固体物理学的重要性和研究对象2. 引出本文主要内容二、基泰尔固体物理导论概述1. 基泰尔的学术背景和成就2. 《固体物理导论》的出版历史和影响三、固体物理导论的主要内容1. 原子结构和晶体学1) 原子的结构和性质2) 晶体的分类和性质2. 晶格振动和声学性质1) 晶格振动的基本理论2) 固体中的声波传播3. 电子结构和导电性1) 原子的电子结构2) 固体中的电子行为与导电性4. 磁性与磁介质1) 磁性材料的分类与特性2) 磁介质的应用与研究5. 绝缘体和半导体1) 绝缘体与半导体的性质对比2) 半导体材料与器件的发展四、《固体物理导论》的学术贡献1. 对固体物理学的理论框架和实验研究的影响2. 在教学和科研领域的地位和价值五、结论1. 总结基泰尔的《固体物理导论》对固体物理学研究的重要性和影响2. 展望固体物理学领域的未来发展方向参考文献基泰尔. 固体物理导论. Springer-Verlag出版社. 1986.六、基泰尔固体物理导论概述基泰尔（Charles Kittel）是一位美国著名的物理学家，生于1916年。
他曾在伯克利加州大学任教并从事磁性物理学、凝聚态物理学等领域的研究工作。
基泰尔教授是固体物理学领域的权威专家，他在磁性、声子、电子结构等方面的研究成果丰硕，对固体物理学的发展做出了杰出贡献。
《固体物理导论》是基泰尔教授于1953年首次出版的著作，其后多次修订，成为固体物理学领域最为权威和经典的教材之一。
这部著作系统全面地介绍了固体物理学的基本理论和方法，对研究者和学习者有着重要的指导意义。
《固体物理导论》对于推动固体物理学的研究和教学有着深远的影响，被誉为固体物理学领域的“圣经”。
七、固体物理导论的主要内容1.原子结构和晶体学《固体物理导论》首先介绍了固体物理学的基本概念和原子结构的特点。
基泰尔教授深入浅出地阐述了原子结构的基本理论，包括原子核和电子的构成，以及原子的能级和轨道结构。
1.1 固体物理导论--半导体物理
—— 金刚石结构的半导体晶体
Ge、Si等
6. 几种化合物晶体的晶格
1) NaCl晶体的结构 氯化钠由Na+和Cl－结合而成 —— 一种典型的离子晶体 Na+构成面心立方格子；Cl－也构成面心立方格子
的整数倍
的倒数是晶面族中最靠近原点的晶面的截距
密勒指数 —— 标记这个晶面系 —— 以单胞的基矢为参考， 所得出的晶列指数和晶面的
密勒指数，有着重要的意义
立方晶格的几种主要晶面标记
面等效的晶面数分别为：3个 表示为
面等效的晶面数分别为：6个 表示为
面等效的晶面数分别为：4个 表示为
—— 符号相反的晶面指数只是在区别晶体的外表面时才有 意义, 在晶体内部这些面都是等效的
CsCl的复式晶格 —— CsCl结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方体空间 对角线位移1／2 的长度套构而成
ZnS的复式晶格 立方系的ZnS —— S和Zn分别组成面心立方结构的子晶格沿 空间对角线位移 1／4 的长度套构而成
复式晶格：任一原子A的位矢
原胞中各种等价原子之间的相对位移 —— 金刚石晶格
蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩 下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分 清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全 部清除后就可以看到设计好的电路图案。
光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光 的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材 料。 离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、 要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的 区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经 过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小 时 清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区 域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的 绿色和之前已经有所不同。
物理学专业优质课固体物理学导论
物理学专业优质课固体物理学导论物理学专业优质课 | 固体物理学导论导言物理学是自然科学中探讨物质、能量及其相互作用的学科，而固体物理学则是物理学中一个广泛且重要的分支。
固体物理学研究固体物质的性质、结构与行为，对于了解材料科学、电子学、光学、能源领域等具有重要的应用价值。
本文将介绍物理学专业中一门优质课程——固体物理学导论。
第一章 | 课程简介固体物理学导论是物理学专业本科阶段的一门核心课程。
该课程旨在培养学生对固体物理学基本概念、现象和理论的初步了解，以及运用物理学方法解决实际问题的能力。
通过学习固体物理学导论，学生将对材料的结构、热学性质、电学和磁学性质等有一个全面的认识。
第二章 | 课程内容1. 固体物质的结构与晶体学在固体物理学导论中，学生将学习固体内部的结构和晶体学原理。
了解晶体的结构对于理解固体物理学的基本概念和性质具有重要意义。
通过讲授晶体的点阵、晶胞和晶面，学生能够了解晶体的周期性结构以及晶体学中的基本术语和概念。
2. 热学性质固体物理学导论也涵盖了固体的热学性质，包括热膨胀、热导率和热容等。
学生将学习热学性质与固体内部结构的关系，以及如何应用热学性质来解决实际问题。
3. 电学性质电学性质是固体物理学的另一个重要方面。
在固体物理学导论中，学生将了解固体材料中电子的行为以及带电粒子在晶格中的运动。
电导率、介电常数等概念将被介绍，并与固体材料的特性相关联。
4. 磁学性质通过固体物理学导论，学生将初步了解固体材料的磁性。
课程将包括磁场的概念、磁畴理论、铁磁性等相关内容。
通过学习磁学性质，学生将了解磁场对固体物质的影响以及如何利用磁学性质来设计和开发磁性材料。
第三章 | 学习方法与实践1. 理论学习固体物理学导论侧重于理论知识的学习。
学生将通过教材阅读、课堂讲解和小组讨论等学习方式，掌握固体物理学导论的基本概念和理论框架。
2. 实验研究为了加深对固体物理学的理解，课程还包含实验研究的环节。
现代固体物理学导论
现代固体物理学导论
1.固体结构和晶格理论：介绍晶体结构的基本概念和晶格理论，包括晶体对称性、布拉伐格子、倒格子和布里渊区等。
2. 基本电子理论：介绍电子在晶体中的行为和能带理论，包括原子轨道、价带、导带、费米面和能级密度等。
3. 载流子输运理论：介绍电子、空穴、声子在晶体中的输运行为和输运方程，包括欧姆定律、霍尔效应、电学迁移率、热导率和热电效应等。
4. 磁性和自旋电子学：介绍自旋和磁矩在固体中的运动和相互作用，包括磁矩和磁性的基本概念、磁性材料和磁性现象、自旋电子学和磁隧道效应等。
5. 光学和声学性质：介绍光和声在固体中的传播和相互作用，包括光的吸收、折射、反射、透射和散射，以及声波的传播、吸收、衍射和散射等。
本课程旨在让学生了解固体物理学的基本原理和现代研究进展，能够理解和分析固体材料的物理性质和行为，为后续的学习和研究打下坚实的基础。
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固体物理导论基泰尔
固体物理导论基泰尔
固体物理（基泰尔）导论是一门研究固体物质的基本性质和行为
的学科。
它涵盖了固体物质的结构、晶体学、物理性质以及与固体中
的电子和声子相关的现象。
该学科的目标是深入理解固体物理学的原则，并应用它们来解释和预测固体材料的行为。
固体物理导论基于基本定律和量子力学原理，探讨了原子和分子
如何在固体中组合成结晶结构，以及固体结构如何与其物理性质相互
关联。
在这门学科中，我们学习了晶体学的基本概念和方法，包括点
阵结构、晶胞和布拉伐格点。
我们还研究了晶体中的缺陷和扩散问题，以及固体中的晶格振动和声子特性。
固体物理导论还包括对固体中的电子行为的研究。
我们研究了固
体中的能带结构、导电性和磁性等现象，并探讨了电子在固体中的输
运性质。
我们还研究了金属、绝缘体和半导体等不同类型的固体以及
它们的性质。
固体物理导论基泰尔的一个重要应用领域是材料科学和工程。
通
过深入了解固体物理的原理，我们可以设计和合成具有特定性质的新
材料，并优化现有材料的性能。
例如，在电子器件和能源存储领域，
我们可以利用对固体中电子行为的理解来设计更高性能的材料。
总之，固体物理导论基泰尔是一门重要的学科，它研究了固体物
质的基本性质和行为，并为我们理解和应用材料科学提供了基础。
通
过学习固体物理导论，我们能够探索和理解固体世界中的奇妙现象，
并为解决现实世界中的问题做出贡献。
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Bonding in solids: Ionic solids
Properties of ionic solid crystals: • relatively stable and hard • poor electrical/heat conductors • high melting/boiling temperatures • transparent to visible light • strong IR absorption • soluble in polar solvents (e.g., water)
(Ohm’s law)
! E =0
! ! vd = v (t ) = 0 ! ! ! vd = v (t ) = − µE
v rms =
L = v rms τ (mean free path)
! 3kBT v (t )2 = m
eτ 2 s = vd τ = E m
2 τ ne −1 σ=ρ = y t i m ity tiv v c i u t nd sis co re ne 2L ne 2L = = mv rms 3kBTm
experimentally ρ~T and not T1/2 !!!
Heat conduction: Wiedemann-Franz law
Heat current density:
dQ dT = −K JT ≡ Adt dx
thermal conductivity
1 1 2 = K = C v L k nv v rms " rms τ B " 3 3 2 v τ
Physics 215 Winter 2002
Introduction to Modern Physics
Prof. Ioan Kosztin Lecture #23
Solid State Physics
• Bonding in solids (metals, isolators, semiconductors) • Classical free electron theory of metals • Quantum theory of metals • Band theory of solids • Semiconductors • Lasers
Amorphous solids
• Ideal solid crystals exhibits structural long range order (LRO) • Real crystals contain imperfections, i.e., defects and impurities , which spoil the LRO • Amorphous solids lack any LRO [though may exhibit short range order (SRO)]
Classical free electron theory of metals
• Free electron model of metals: metal = an ideal gas of conduction electrons moving through the fixed lattice of positive ion cores • Features of the free electron model: • explains the high electrical (σ) and σ ~ 106 (Ωm) −1 − ~ 10 100 W/mK K thermal (K) conductivity of metals ! ! J = σE • explains the functional form of Ohm’s law • explains the relationship between σ and K [K / σT = const ] (Wiedemann-Franz law) • fails to predict accurately the experimental values of σ and K
Electrical conduction: Ohm’s Law
! ! J = envd , ! ! vd = v (t )
drift velocity
! ! vd = − µE ,
current density
electron density
eτ µ= m
! ! J = σE
mobility
mean free time
K mkB 2 3kB2 v = 2T = 2 rms 2e σ 2e ⇓ K 3kB2 −8 2 1.1 10 W Ω /K = const = = × ⋅ 2e 2 $ σT #$$$$$$ %$$$$$$$ &
= Lorentz nums different from the experimental value !!!
Classification of solids
• Phases of matter: • solid (well defined shape and volume) • liquid (only well defined volume) • gas (no defined shape or volume) • plasma (an overall neutral collection of charged and neutral particles) • Solids • crystalline (atoms form a regular periodic structure) • amorphous (atoms have irregular spatial distribution) • Solids • metals (good electrical/heat conductors) • semiconductors • insulators (poor electrical/heat conductors)
Bonding in solids: Ionic solids
Ionic solid crystals (e.g. NaCl) are held together by the Coulomb attractive interaction between ions with opposite sign (ionic bonding)
Crystal
Glass (amorphous)
Gas
Degree of (dis)ordering in a solid
can be quantified by the two particle correlation (radial distribution) function g2(r) = probability of finding a 2nd atom at a distance r from a given atom; g2(r) can be measured experimentally and calculated theoretically/numerically.
Bonding in solids: Metallic solids
Atoms in a metallic crystal are held together by the effective attractive electrostatic interaction mediated by the conduction (valence) electron gas (metallic bonding) Properties of metallic crystals: • smaller cohesive energies (~1 eV) than in covalent/ionic crystals • sufficiently hard and stable • good electrical/heat conductors • strong interaction with light • form solid solutions
Bonding in solids: Covalent solids
Atoms in the crystal are held together by covalent bonding C atoms in diamond form a tetragonal crystal structure Properties of covalent crystals: • very hard and stable • high melting point • good insulators • do not absorb light • larger cohesive energies (~10 eV) than in ionic crystals
Metal ion
Conduction electron gas
Bonding in solids: Molecular crystals
Molecules in the crystal are held together by: • weak Van der Waals bonds exp: solid methane (Ec=0.10 eV/molecule) solid argon (Ec=0.076 eV/molecule) • relatively strong hydrogen bonds exp: solid ice (Ec=0.53 eV/molecule)
e2 b U = −αk + m r r
(α = 1.7476 for Na +Cl − )
(m ~ 10)
k = 1 / 4πε 0
Madelung constant
Ionic cohesive energy: