1、固體物理學課程介紹11課程概要固體物理基礎 Solid State Physics課程屬性： 專業核心課 學時/學分： 72/4預修課程： 量子力學、熱力學與統計物理教學目的和要求:本課程為物理學與電子科學與技術專業研究生的專業核心課。主要內容包括固體物理的基本理論和基本知識，介紹晶體的結構和結合方式；研究固體的熱學、電學、光學和磁學等基本物理性質的普遍規律。要求學生掌握固體物理的基本概念和基本理論，并將其靈活地應用于物理、化學、材料和納米科學技術等學科領域。24課程主要內容第一章 晶體結構單晶、準晶和非晶；晶格；晶格的對稱性和點群、空間群；常見的晶體結構；倒格子和布里淵區；晶體結構的實驗測定

2、方法；X射線衍射條件、基元的幾何結構因子及原子形狀因子。第二章 固體的結合和類型離子性結合、共價結合、金屬性結合、范德瓦爾斯結合；金屬、離子晶體、共價晶體、分子晶體；團簇和低維固體。35課程主要內容第三章 晶格振動簡諧晶體的經典運動；簡諧晶體的量子理論；聲子、聲子態密度、晶格比熱；非簡諧效應，熱傳導，熱膨脹；晶格振動譜的實驗測定方法。第四章 金屬電子論金屬自由電子氣體模型；費米統計和電子熱容量；金屬的熱導率和電導率；泡利順磁性；第五章 能帶理論布洛赫定理；近自由電子近似；緊束縛近似；能帶和能帶結構的計算方法；費米面和態密度；費米面的實驗測量；46課程主要內容第六章 晶體中電子在電場和磁場中的運

3、動電子運動的準經典近似，恒定電場、磁場作用下電子的運動；導體、絕緣體和半導體的能帶論解釋；回旋共振、德哈斯-范阿爾芬效應；霍爾效應和磁阻。第七章 半導體電子論半導體能帶結構；半導體中的雜質；半導體中的載流子和電導；PN結及其應用。57參考書固體物理參考書黃昆編著，固體物理學，高等教育出版社，Kittel, C., Introduction to Solid State Physics (8th, Ed.), John Wiley & Sons,Inc., 2004; 基泰爾著，項金鐘、吳興惠譯，固體物理導論(原著第8版)，化學工業出版社，2011年。量子力學、熱力學統計物理參考書1. 周世勛，

4、量子力學教程，高等教育出版社，1979年；2. 曾謹言，量子力學導論（第二版），北京大學出版社，1998年；曾謹言，量子力學（卷I）（第四版），科學出版社，2004年.2. 汪志誠，熱力學統計物理（第四版），高等教育出版社，2012年.681988.美國大學開放課程MIT開放課程：/Harvard在線學習Yale開放課程/Carnegie Mellon University開放/79MOOC（Massive open online course）edX/Coursera/Udacity/可汗學院/810國內開放課程愛課程（中國大學精品開放課程官方網站）/中國大學MOOC/911國內MOOC果殼

5、網MOOC/學堂在線MOOC中國（搜集整理平臺）/1012商業網站網易公開課 搜狐課堂 /新浪公開課 /優酷公開課 /open1113其他學習資源G（） （維基英文版）科學網論壇 小木蟲論壇 m上述資源適用于各門課程的學習以及未來的科研工作1214什么是固體物理學？ 固體物理學 solid state physics研究對象：固體（晶體）。 研究內容：與普通物理不同，它的重點不在于描述固體的宏觀物理性質，而是去闡明和理解固體的宏觀性質的由來。主要集中在原子尺度的結構排列如何決定體系宏觀性質上。從而找出控制、利用、改善這些性質的方法。 研究手段：通過量子力學、結晶學、電磁學及冶金學。 它是材料科

6、學的基礎，同時具有實際應用價值，例如晶體管和半導體器件，都是固體物理學發展的直接成果。 From /wiki/Solid-state_physics1315什么是固體？ The solid state of matter is characterized by a distinctstructural rigidity and resistance to deformation (that ischanges of shape and/or volume). Most solids have high values both of Youngs modulus andof the shear

7、modulus of elasticity. This contrasts withliquids or fluids, which have zero static shear modulusand exhibit the capacity for macroscopic viscous flow.From /wiki/Solid1416說明： 固體物理研究的不是單個原子的性質，而是大量原子組成在一起形成固體后所表現出來的集體性質。 因此只有通過對固體微觀結構和組成固體微觀粒子之間的相互作用及運動機制的研究才能理解固體的性質。 例如：性質完全不同的無定形碳、石墨和金剛石都是由相同的碳原子組成

8、的，是碳原子空間排列和結合方式的差異帶來了其物理性質的極端不同。 兩次Nobel物理獎獲得者巴丁(J.Bardeen)說： 固體物理學依據物質的電子結構和原子結構來了解固體的各種性質。 1517物質的狀態1618Water is water, unless it heats up.Whirl. Swirl. Watch it curl by.Steam is steam, unless it cools high.物質的狀態1719熔點-218.4沸點-183在常壓下,液氮溫度為-196物質的狀態1820plasma lamp1921aurora20 22Plasma Display2123P

9、lasma Display2224Liquid Crystal Display2325Liquid Crystal Display2426軟物質(soft matter) Soft matter is a subfield of condensed mattercomprising a variety of physical states that are easilydeformed by thermal stresses or thermal fluctuations. They include liquids, colloids, polymers, foams, gels,granul

10、ar materials, and a number of biologicalmaterials./wiki/Soft_matterThe Nobel Prize in Physics 1991 was awarded toPierre-Gilles de Gennes for discovering thatmethods developed for studying order phenomenain simple systems can be generalized to morecomplex forms of matter, in particular to liquidcryst

11、als and polymers.“founding father of soft matter”2527固體與晶體石蠟橡膠 A crystal or crystalline solid is a solid materialwhose constituent atoms, molecules, or ions arearranged in an ordered pattern extending in all threespatial dimensions. In addition to their microscopic structure, largecrystals are usual

12、ly identifiable by their macroscopicgeometrical shape, consisting of flat faces withspecific, characteristic orientations./wiki/Crystal2628身邊的晶體食鹽藍寶石紅寶石味精/AMuseum/crystal/index.html2729sapphireruby自然界的晶體藍鐵礦立方體形狀天然黃鐵礦Pyrite,FeS2桔紅色天然水晶/AMuseum/crystal/index.html2830vivianite, Fe3(PO4)2(H2O)8crystal人工

13、合成的晶體人工石英人工石英人工石英KGdW晶體KTP晶體KTN晶體/AMuseum/crystal/index.html2931晶體的外形與微觀結構3032單晶冰糖和多晶冰糖/AMuseum/crystal/index.html3133身邊的多晶體石頭石頭硬幣螺釘瓷器陶器/AMuseum/crystal/index.htmlalloy高嶺土粘土800-100012003234上釉33晶體、多晶體與非晶體 A crystal is a solid where the atoms form a periodicarrangement. In polycrystal, each of the sma

14、ll crystals is a true crystalwith a periodic arrangement of atoms, but the wholepolycrystal does not have a periodic arrangement ofatoms. Most macroscopic inorganic solids are polycrystalline,including almost all metals, ceramics, ice, rocks, etc. Solids that are neither crystalline nor polycrystall

15、ine,such as glass, are called amorphous solids, also calledglassy, vitreous, or noncrystalline. These have noperiodic order, even microscopically./wiki/Crystal3435晶體與非晶體的微觀結構差異晶體與非晶體本質上的差異在于其微觀 結 構 中 ， 原 子（離子）的排列是否具有周期性3536晶體與非晶體的宏觀性質區別多面體外形并不是區分晶體和非晶體的必要根據是否透明、有光澤也不是區分晶體和非晶體的根據晶體具有固定的熔點，非晶體則沒有3637晶

16、體與非晶體的融化/glassresources/education/sustainabilityrecycling/section-22-glass-characteristi.html3738非晶體的應用http:/www.nakayama-steel.co.jp/menu/amorphous/index_e.html材料表面熔化后，以超急冷方式冷卻，在材料表面形成的非晶層。Liquidmetal Coatings LLC（美國）公司生產的鐵基非晶涂層材料，非晶形成能力強，使用他們的產品制備的非晶涂層具有卓越的防腐、耐磨性能、耐高溫，而且強度高、可后續加工（車、銷、磨、拋等），在石油化工、電

17、力、機械、汽車等領域已經有許多工程應用案例。3839鉆石，金剛石diamond, C39(100)(110)(111)面的原子排列？33個周期40鉆石GIA美國寶石研究院鉆石分級標準： 克拉重量(Carat) 顏色(Color) 凈度(Clarity) 切工(Cut)/zh-cn/the-diamond-4-cs.htm4041鉆石/wiki/diamonds/diamond-cut414242The cut is the most important value factor because the best cut quality makes the greatest impact on

18、a diamonds appearance compared to the other 4Cs:Carat Weight,Diamond Clarity, andDiamond Color.43石英和水晶石英(Quartz)的化學成分為SiO2SiO2有很多種結構，晶態、無定形常見的石英是-quartz無色透明的石英晶體稱水晶(rock crystal , Quartz Crystal)，含有雜質時顏色不一，紫色的稱紫水晶(amethyst)，黃褐色的稱煙晶(smoky quartz)、茶晶，黑色的稱墨晶(black quartz)。/wiki/Silicon_dioxide4344水晶和玻璃

19、玻璃的主要成分也是SiO2，水晶是純度很高的石英單晶體，而玻璃一般是含有雜質的石英非晶體玻璃為了降低熔點一般會加入Na2CO3 K2CO3 CaO，/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%834445高鉛玻璃（水晶玻璃、人造水晶）施華洛世奇Swarovski(含PbO 32%)高鉛玻璃：玻璃中加入Pb，會增加折射系數，提高白度，使得看起來更接近水晶(“水晶玻璃，人造水晶”，含PbO 24%以上)4546硼硅玻璃(borosilicate glass)硼硅玻璃具有低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性4647鋁硅玻璃大猩猩玻璃(Gorilla Glass)，是美國康寧公司(

20、Corning)生產的環保型鋁硅鋼化玻璃，光滑度高、防刮擦、耐沖擊度差早期用于防彈玻璃，目前主要應用于防刮劃性能要求高的高端智能手機、平板電腦、電視機屏幕4748How an Intel CPU is created:Fro m Sand to Silicon/aid,689436/How-an-Intel-CPU-is-created-From-Sand-to-Silicon-Making-of-a-Chip/News/48SiO24949Si片晶面及導電類型的標記方法主平面：制造過程中晶圓便于固定位置及初步定位次平面：指示晶圓的導電性和結晶方向50How an Intel CPU is c

21、reated:Fro m Sand to Silicon/aid,689436/How-an-Intel-CPU-is-created-From-Sand-to-Silicon-Making-of-a-Chip/News/5051How an Intel CPU is created:Fro m Sand to Silicon/aid,689436/How-an-Intel-CPU-is-created-From-Sand-to-Silicon-Making-of-a-Chip/News/5152準晶體(quasicrystal)A Ho-Mg-Zn icosahedral quasicrys

22、talformed as a dodecahedron, the dual ofthe icosahedronElectron diffraction pattern of anicosahedral Ho-Mg-Zn quasicrystal/wiki/Quasicrystalhttp:/www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/weber/weber/qc.html5253二十面體十二面體生命世界中的五重對稱性.uk/natnum.html5354for his discovery of quasicrystals,metallic alloys with atoms

23、arranged in orderly, infinite,aperiodic, crystal-like patternswith theoretically forbidden(typically 5 fold) symmetry.I told everyone who was ready to listen that I hadmaterial with pentagonal symmetry. People justlaughed at me,5455Linus Pauling,1954, Nobel Prize for Chemistry.1962, Nobel Peace Priz

24、e.Linus Pauling said, Danny Shechtman is talking nonsense.There is no such thing as quasicrystals, only quasi-scientists./story/2011/10/05/1022985/-Chemistry-Nobel:-Quasicrystals-Israeli-Found-New-Form-of-Matter-Imagined-in-Islamic-Art5556固體：大量原子的集體性質固體物理研究的是大量原子結合在一起形成固體后所表現出來的集體性質。固體的性質與組成固體的原子、分子

25、種類有關，但更重要的是與這些原子的空間排列方式、結合方式、相互作用力類型，特別是和原子形成固體后其價電子的運動狀態有關。例如：無定形碳、石墨和金剛石都是由碳原子組成的，但碳原子空間排列和結合方式的差異，導致了其物理性質的極端不同。5657固體物理的研究方法只有通過對固體微觀結構和組成固體微觀粒子之間的相互作用及運動機制的研究才能理解固體的性質。此外，固體物理研究的對象固體既是力學系統、又是熱學系統和電磁系統，而組成固體的微觀粒子又必須服從量子力學規律，所以固體物理是一門綜合科學，需要綜合運用各種理論工具，從不同角度、不同側面去研究實際固體的各種運動形態，從而全面地解釋固體的各種性質。5758從

26、固體物理到凝聚態物理固體物理學奠基于1930年代；（量子力學發現后的若干年）到1940年，固體物理學的主干已建立；（結構晶體學、晶格動力學、固體能帶理論、固體磁性理論）1940年，Seitz近代固體理論標志固體物理學進入成年期；1950年代，隨著晶體管的發明，固體物理學蓬勃興旺，研究范圍大為擴張，并得到廣泛應用；5859從固體物理到凝聚態物理1970年代之后，“固體物理學”這一名詞越來越多被“凝聚態物理學”所取代；1967年，劍橋大學卡文迪許實驗室Philip Anderson和VolkerHeine將他們研究組名從“Solid-State Theory” 改為“Theory ofCondensed Matter”；1978年，美國物理學會“Division of Solid State Physics”改為“Division of Condensed Matter Physics”;研究對象的擴大（從固體擴展到液體以及其它凝聚態物質）；概念體系的變遷和轉移（元