高校物理专业固体物理专业概论ppt课件制作
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固体物理(中科大PPT)6-2
在k空间中，波矢k的分布密度为
N va V k N 3 3 b 8 8
V Nva 晶体体积
在简约区中，波矢k的取值总数为
k b N 晶体的原胞数
2. Bloch函数的性质
Bloch函数
ik r
k r eikr uk r
周期性边界条件：
r r N a
而 得 所以
r N a TN r N r r
N 1 ei 2 h
2 h exp i N
h＝整数， ＝1, 2, 3
{ T r r + a r
＝1, 2, 3
其中是平移算符T 的本征值。为了确定平移算符 的本征值，引入周期性边界条件。
设晶体为一平行六面体，其棱边沿三个基矢方向， N1，N2和N3分别是沿a1，a2和a3方向的原胞数，，即 晶体的总原胞数为N＝N1N2N3 。
零级近似方程：
能量本征值： Ek(0)
H 0 k(0) Ek(0) k(0)
2k 2 2k 2 U0 2m 2m
令U0 0
2 d 2 H0 U0 2 2m dx 2 nx H U n exp i a n 0
零级近似 微扰项
分别对电子能量E(k)和波函数(k)展开
E k Ek(0) Ek(1) Ek(2)
k k(0) k(1) k(2)
r + R eikR r ik r 定义一个新函数： uk r e k r
uk r R e
ik r R
N va V k N 3 3 b 8 8
V Nva 晶体体积
在简约区中，波矢k的取值总数为
k b N 晶体的原胞数
2. Bloch函数的性质
Bloch函数
ik r
k r eikr uk r
周期性边界条件：
r r N a
而 得 所以
r N a TN r N r r
N 1 ei 2 h
2 h exp i N
h＝整数， ＝1, 2, 3
{ T r r + a r
＝1, 2, 3
其中是平移算符T 的本征值。为了确定平移算符 的本征值，引入周期性边界条件。
设晶体为一平行六面体，其棱边沿三个基矢方向， N1，N2和N3分别是沿a1，a2和a3方向的原胞数，，即 晶体的总原胞数为N＝N1N2N3 。
零级近似方程：
能量本征值： Ek(0)
H 0 k(0) Ek(0) k(0)
2k 2 2k 2 U0 2m 2m
令U0 0
2 d 2 H0 U0 2 2m dx 2 nx H U n exp i a n 0
零级近似 微扰项
分别对电子能量E(k)和波函数(k)展开
E k Ek(0) Ek(1) Ek(2)
k k(0) k(1) k(2)
r + R eikR r ik r 定义一个新函数： uk r e k r
uk r R e
ik r R
固体物理导论第八章课件.ppt
3
8.1 晶格热容一般公式
8.1.2 晶体的量子化晶格振动总能量
由第七章讨论已知，晶格振动用声子系统表示，声子服从玻色分 布。在温度 T，处于
j (q) j 1,2,3,.....，.
q 取值数目为晶体原胞数N
状态的声子平均数目：
其平均能量： 系统总能量：
n j (q)
1 e j (q) / kBT
)2
3PNkB
结果与经典论由能均分定理得到热容结果----杜隆-珀替定律一 致。因为，系统的原子数目为 PN 个，每个原子的自由度 为 3，能均分定理给出，原子每个自由度的能量为 kBT，每 个原子对热容的贡献为 3kB。
8
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.1 爱因斯坦模型
讨论：
(2) 在低温下， T ΘE， 因为 eΘE /T 1
11
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.2 德拜模型
将
g
j
()
3N
D30
2
D D
代入
CV
3P
j
0 kB
( j (q) / kBT )2 e j (q) / kBT
(e j (q) / kBT 1)2
g j ()d j
得
CV
3kB
D 0
3N
D3
2 (
kBT
)2
e / kBT (e / kBT 1)2
7
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.1 爱因斯坦模型
讨论：
ex (ex 1)2
(ex / 2
ex ex/2)2 ex
(1) 在高温下， T ΘE
((1
1 x ) (1
x ))2
8.1 晶格热容一般公式
8.1.2 晶体的量子化晶格振动总能量
由第七章讨论已知，晶格振动用声子系统表示，声子服从玻色分 布。在温度 T，处于
j (q) j 1,2,3,.....，.
q 取值数目为晶体原胞数N
状态的声子平均数目：
其平均能量： 系统总能量：
n j (q)
1 e j (q) / kBT
)2
3PNkB
结果与经典论由能均分定理得到热容结果----杜隆-珀替定律一 致。因为，系统的原子数目为 PN 个，每个原子的自由度 为 3，能均分定理给出，原子每个自由度的能量为 kBT，每 个原子对热容的贡献为 3kB。
8
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.1 爱因斯坦模型
讨论：
(2) 在低温下， T ΘE， 因为 eΘE /T 1
11
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.2 德拜模型
将
g
j
()
3N
D30
2
D D
代入
CV
3P
j
0 kB
( j (q) / kBT )2 e j (q) / kBT
(e j (q) / kBT 1)2
g j ()d j
得
CV
3kB
D 0
3N
D3
2 (
kBT
)2
e / kBT (e / kBT 1)2
7
8.2 爱因斯坦和德拜模型
8.2.1 爱因斯坦模型
讨论：
ex (ex 1)2
(ex / 2
ex ex/2)2 ex
(1) 在高温下， T ΘE
((1
1 x ) (1
x ))2
第8课大学固体物理ppt
1
4mM (m M
)2
sin 2
aq
在长波极限下： q 0 则
4mM (m M
)2
sin 2
aq
4mM (m M
)2
aq 2
利用：
1 x 1 1 x o(x) 2
得到：
1
4mM (m M )2
aq 2
1
1 2
4mM (m M )2
q
-
2 a
0
2 a
运动方程： Q&&j q,t j2 qQj q,t 0
晶体中所有原子共同参与的同一频率的简谐振动称为 一种振动模式。
能量本征值： 声子的概念：
Ej
n
j
1 2
h
j
nj 0,1, 2,L
声子是晶格振动的能量量子 h j
一种格波即一种振动模式称为一种声子，对于由N个原 子组成的一维单原子链，有N个格波，即有N种声子, nj：声子数
➢长声学支格波的特征是原胞内不同原子没有相对位 移，原胞作整体运动（质心运动），振动频率较低， 它包含了晶格振动频率的最低振动模式；
➢任何晶体中都存在声学制格波，但是简单晶格（非 复式晶格）晶体不存在光学支格波。
5.思考题长声学支格波能否将晶体宏观极化？
➢不能。长声学支格波的特征是原胞内不同原子没有 相对位移，原胞作整体运动（质心运动）。长光学支 格波可以使晶体宏观极化。长光学支格波的特征是每 个原胞中的不同原子做相对振动，使正负离子产生相 对位移。
1
4mM (m M
)2
sin2
1/ 2
aq
固体物理第一讲 绪论PPT课件
70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，
在于晶体结构的观察方面有所进步。近年来发展
的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表
面的原子结构。
• 晶体的结构以及它的物理、化学性质 同晶体结合的基本形式有密切关系。通常 晶体结合的基本形式可分成：离子键合、 金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳 斯键合)和氢键合。根据X射线衍射强度分 析晶体的物理、化学性质，或者依据晶体 价电子的局域密度分布的自洽理论计算， 人们可以准确地判定该晶体具有何种键合 形式。
(二)、固体物理的发展史
几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开
始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术， 人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质， 并用之于绘画、装饰等。
1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角 形；
1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着 温度的升高而下降；
阿拉克西曼德：万物是由无数的原始物质构成的。 阿拉克西美尼：万物的本质是空气。 赫拉克里特：万物的本质是火，火与其他物类的混合物，一
般都以我们可以感知气味的其他物类来命名，但是火本身 是不变的因素。 埃姆毕多克拉斯：万物是由水、气、火、土组成。
• 巴门尼德： 宇宙中只有一个永恒的存在，像一个充实的
固体物理学
第一讲 绪论
• 一：固体物理学 • 二：发展史 • 三：当前研究的热点和前沿 • 四：本课程的主要讲解内容 • 五、参考书籍
一：固体物理学
固体物理学是研究固体物质的物理 性质、微观结构、构成物质的各种粒 子的运动形态，及其相互关系的科学。 它是物理学中内容极丰富、应用极广 泛的分支学科。
融汇了力学、热力学与统计物理学、 电动力学、量子力学和晶体学等多学 科的知识。
《固体物理》课件PPT 20 有效质量
1. 满带 满带中电子的对称分布不会因外场的存在而改变，
所以不产生宏观电流，I＝0。 2. 导带
在外电场的作用下，导带中电子的对称分布被破坏， 产生宏观电流，I 0 。
3. 近满带和空穴
在有外场时，由于近满带中仍有少量没有电子占据 的空态，所以在外场的作用下，电子也会发生能级跃迁， 导致电子的不对称分布，所以， I0。
当满带顶附近有空状态k时，整个能带中的电流以 及电流在外电磁场作用下的变化，完全如同一个带正电 荷e，具有正有效质量m*和速度v(k)的粒子的情况一样， 我们将这种假想的粒子称为空穴。
电子导电性：导带底有少量电子所产生的导电性
空穴导电性：满带中缺少一些电子所产生的导电性
空穴是一个带有正电荷e，具有正有效质量的准粒 子。它是在整个能带的基础上提出来的，它代表的是近 满带中所有电子的集体行为，因此，空穴不能脱离晶体 而单独存在，它只是一种准粒子。
么，系统的总声子数就正比于T3。因此，有
单位时间内的散射次数 T 3 （当T<<D时）
另一方面，由于对金属电导有贡献的只是在费米面 附近的一小部分电子，其波矢近似等于费米波矢，kkF。
而当T<<D时，只有能量很低的长波声学声子才能被热
激发，这些声子的波矢q<<qm。可以认为， kF与qm同数 量级。
由于F外只是外场对电子的作用力，它并不是电子所
受的合外力，因此， k 并不是电子的真实动量，而是
电子的准动量就不难理解了。
在讨论晶体中电子的准经典运动时， k 是一个很
有用的量，它往往比电子的真实动量mv更有用。这是因 为在k空间中去理解电子的运动往往比在真实空间中更容 易。
电子的有效质量和电子的准动量是两个人为引入的物 理量，至少我们可以在形式上不必考虑晶格力，而只考虑 外场力对电子运动的影响。
大学课件固体物理学黄昆
凝聚态物理的研究对象除晶体、非 晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠 密气体、液体以及介于液态和固态之间 的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、 熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶 等。
固体物理研究对象
晶体、非晶体与准晶体等固相物质
几百万年前的石器时代，或者几万年前人 类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。 通过炼金术，人们了解了一些材料的颜色、 硬度、熔化等性质，并用之于绘画、装饰等， 但这只能说人们学会了使用固体。
• 在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子 态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预 测了半导体的存在。 3) 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导 体单晶的出现并制成了晶体三极管______ 产生 了半导体物理。 4）1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光 和磁光器件不断地提出新要求。
近代物理以研究对象作为分类依据
研究對象
基本粒子物理(elementary particle physics) 原子核物理(nuclear physics) 原子分子物理(atomic and molecular physics) 凝聚态物理(condensed matter physics) 表面物理(surface physics) 等离子体物理(plasma physics)
kB T 3 e
2
特鲁德、洛仑兹：经典金属自由电子论 金属中的价电子象气体分子一样组成电 子气体，可以同离子碰撞，在一定温度下 达到平衡。电子气服从麦克斯韦-玻尔兹 曼统计。
二十世纪： 1） 1912年，劳厄：晶体可以作为X射线衍射光 栅，证实空间群理论。 XRD确定晶相。 2） 量子理论的发现可以深入正确描述晶体内部 微观粒子的运动过程。 • 爱因斯坦：引入量子化概念研究晶格振动。 • 索末菲：在自由电子论基础上发展了固体量子论。 • 费米发展了电子统计理论：电子服从费米-狄拉克 统计。为以后研究晶体中电子运动的过程指出了 方向。
固体物理第1课晶体结构 ppt课件
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体心立方晶格（bcc）示意图3
R 3a 4
单个原子体积
V 4 R3 3 a3
3பைடு நூலகம்
16
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 3 a 3 8
面心立方晶格（fcc）示意图1
原子铺排方式：密排面，ABCABC…… 返回
面心立方晶格（fcc）示意图2
晶胞
中含 4个 原子
4. 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 （示意图） (云母)。
5. 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。
a、c： 113°08′
返回
各项异性和对称性示意图
σx σz σx=σy
返回
均匀性示意图
a1 a a
2 3
a( 2 a
2 a
2
i (i (i
j j j
k) k) k)
返回
原胞的体积V
V a 1 ( a 2 a 3 ) a 3 /2
a是晶胞的边长，又称晶格常数。 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。
复式晶格中格点不等价的原因：
格点本身代表不同的原子（见图）。 格点附近空间结构不对称（见图） 。
1.3.5 三维布拉菲晶格
❖ 简立方晶格（sc）（示意图）(演示) 原胞 晶胞 Li、Na、K、Rb、Cs、F
❖ 体心立方晶格（bcc）（示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 体积 Li、Na、K、Rb、
体心立方晶格（bcc）示意图3
R 3a 4
单个原子体积
V 4 R3 3 a3
3பைடு நூலகம்
16
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 3 a 3 8
面心立方晶格（fcc）示意图1
原子铺排方式：密排面，ABCABC…… 返回
面心立方晶格（fcc）示意图2
晶胞
中含 4个 原子
4. 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 （示意图） (云母)。
5. 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。
a、c： 113°08′
返回
各项异性和对称性示意图
σx σz σx=σy
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均匀性示意图
a1 a a
2 3
a( 2 a
2 a
2
i (i (i
j j j
k) k) k)
返回
原胞的体积V
V a 1 ( a 2 a 3 ) a 3 /2
a是晶胞的边长，又称晶格常数。 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。
复式晶格中格点不等价的原因：
格点本身代表不同的原子（见图）。 格点附近空间结构不对称（见图） 。
1.3.5 三维布拉菲晶格
❖ 简立方晶格（sc）（示意图）(演示) 原胞 晶胞 Li、Na、K、Rb、Cs、F
❖ 体心立方晶格（bcc）（示意图） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 体积 Li、Na、K、Rb、
固体物理学精品PPT课件
பைடு நூலகம்
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下 可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小， 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之， 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部，原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们 不是晶体品种的特征因素。
例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体 或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所 示。
有些晶体的解理性不明显，例如，金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义， 例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生，以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性，布拉菲在1848年提 出空间点阵学说，从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说，晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统，这些点子的总体称为点阵。
4.最小内能性
由同一种化学成分构成的物质，在不同的条件下 可以呈现不同的物相，其相应的结合能或系统的内 能也必不相同。
但是，在相同的热力学条件下，在具有相同化学 成分物质的各种物态——气体、液体、非晶体、晶 体中，以晶体的内能最小，这个结论称为晶体的最 小内能性。
对于固体物质，由于晶体内能比非晶体内能小， 所以非晶体具有自发地向晶体转变的趋势；反之， 晶体不可能自发地转变为其它的物态形式。
在单晶体内部，原子都是规则地排列的。
* 多晶体( Multiple Crystal )
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。 多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内 的原子排列是不同的。
晶面的大小和形状受晶体生长条件的影响，它们 不是晶体品种的特征因素。
例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体 或八面体，也可能是立方和八面的混合体，如图所 示。
有些晶体的解理性不明显，例如，金属晶体等。
晶体解理性在某些加工工艺中具有重要的意义， 例如，在划分晶体管管芯时，利用半导体晶体的解 理性可使管芯具有平整的边缘和防止无规则的断裂 发生，以保证成品率。
3.晶面角守恒定律
发育良好的单晶体，外形上最显著的特征是晶面 有规则地配置。一个理想完整的晶体，相应的晶面 具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性，是晶 体内部分子或原子之间有序排列的反映。
晶格振动是晶体的特性之一。
§1.2 晶体的周期性
一、空间点阵学说 1.空间点阵
为了描述晶体结构的周期性，布拉菲在1848年提 出空间点阵学说，从而奠定了晶体结构几何理论的 基础。
按照空间点阵学说，晶体内部结构是由一些相同 的点子在空间规则地作周期性无限分布所构成的系 统，这些点子的总体称为点阵。
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高校物理专业固体物理专业概论ppt课件制
作
固体物理是物理学中一个重要的分支，研究物质的结构、性质和相
互作用。
在高校物理专业中，固体物理是一门重要的专业课程之一，
为学生奠定深厚的物理基础。
为了帮助学生更好地理解固体物理的概
念和原理，制作一份精美的PPT课件十分必要。
以下是关于制作高校物理专业固体物理专业概论PPT课件的具体步
骤和要点：
第一步：确定PPT的整体结构和布局
1.1 根据课程内容和学习目标，确定PPT的整体结构，分为引言、
基本概念、重要原理、实例与案例、总结等部分，以逻辑清晰为原则。
1.2 设计合适的PPT布局，如选择经典的标题-内容布局，确保信息
层次清晰、简洁明了。
第二步：编写内容
2.1 引言部分：
在引言部分简要介绍固体物理的研究对象、意义和应用范围，吸引
学生的注意力，激发学生对固体物理学的学习兴趣。
2.2 基本概念部分：
列举和解释固体物理学中常见的基本概念，如晶体、非晶体、晶格
常数等，让学生对概念有初步了解。
2.3 重要原理部分：
介绍固体物理学中的关键原理和定律，如布拉格方程、费米能级、声子、近独立电子模型等，解释其背后的物理机制和应用。
2.4 实例与案例部分：
通过实际案例和生动的实验示意图来说明固体物理学的理论与实践的联系，增强学生对知识点的理解和记忆。
2.5 总结部分：
对前面的知识点进行简要总结和概括，以巩固学生的学习成果。
第三步：选择合适的配色和多媒体元素
3.1 选择适合的配色方案，如选择与物理学相关的颜色，例如蓝色和白色，营造清晰、专业的视觉效果。
3.2 合理运用多媒体元素，如插入相关实验视频、物理模型图片、动态效果等，使课件更加生动有趣。
第四步：注意字体和排版
4.1 选择合适的字体，建议使用宋体或雅黑等常见字体，以确保字体清晰可读。
4.2 根据内容需要，合理设置字体样式，如标题加粗、重点内容标亮等，以突出重点和凸显内容的层次感。
4.3 注意排版的整洁和美观，避免内容过于拥挤或过于稀疏，保持适当的留白。
第五步：编辑和美化
5.1 检查和编辑文本内容，确保语句通顺、逻辑严谨，避免错别字和语病。
5.2 使用PPT中的图形工具，如图形、表格、矢量图等，补充或修饰相关内容，使PPT更加丰富多样。
最后，制作完成的高校物理专业固体物理专业概论PPT课件应当符合以下要求：
- 内容要准确、清晰地表达固体物理的概念、原理和应用。
- PPT布局要合理，信息层次清晰，不过于拥挤或稀疏。
- 字体清晰可读，排版整洁美观，无错别字或语病。
- 图形、表格、视频等多媒体元素应与内容相符合，突出重点和加强理解。
- 总体风格要专业、简洁明了，能够有效地辅助学生学习和掌握固体物理的基本知识。
通过以上步骤和要点的制作，我们可以制作出一份高质量的高校物理专业固体物理专业概论PPT课件，提供给学生用于学习和参考。
希望这份课件能够帮助学生更好地理解固体物理学的概念和原理，提升他们的学习效果和兴趣。