固體物理(第1課)晶體結(jié)構(gòu).ppt

硅表面重構(gòu)的原子照片 銅表面原子的重構(gòu)： 4 8 個(gè)鐵原子構(gòu)成圍欄，內(nèi)部形成電子駐波。 基于利用 STM 對分子、原子進(jìn)行搬遷的事實(shí)， 人們產(chǎn)生了利用該技術(shù)制造分子存儲(chǔ)器甚至原子存儲(chǔ) 器的夢想。物體的表面有原子的位置為“1”，沒原子 為“0”，這不就可以表示二進(jìn)制嗎？這不就是存儲(chǔ)器 嗎？一個(gè)分子存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的信息，相當(dāng)于100萬 張光盤的存儲(chǔ)量；而一張同樣大小的原子存儲(chǔ)器的容 量，將能夠存入人類有史以來的全部知識！ 1998年IBM公司 用原子排成的世界 上最小的廣告- IBM 固體物理 教師：富容國 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院光電技 術(shù)系 光學(xué)樓一樓西(340棟102) 電話：84314969有關(guān)本課的注意事項(xiàng) v 教材和參考資料 朱建國,鄭文琛等.固體物理學(xué).科學(xué) 出版社,2005 講課內(nèi)容 ： 章， v 作業(yè) 兩個(gè)作業(yè)本 v 考試 閉卷、筆試 結(jié)課前一周講解復(fù)習(xí)重點(diǎn)，并安排 答疑 一、 本課程的作用 n 固體物理是物理學(xué)的一個(gè)重要分支 ，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，它起著及其 重要的基礎(chǔ)作用，特別是對材料科學(xué)、電 子物理、電子器件、微電子學(xué)等專業(yè)方面 的研究，固體物理為它們提供了科學(xué)依據(jù) 和理論指導(dǎo)；而固體物理所發(fā)展起來的一 整套科學(xué)概念、理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對于其 它新興科學(xué)技術(shù)也同樣產(chǎn)生了重要而深遠(yuǎn) 的影響。 二、課程的教學(xué)目標(biāo)與基本要求 n1通過本課程的教學(xué)，掌握固體物理 中的基本概念和基本理論，從而為學(xué)習(xí) 半導(dǎo)體物理等一些后續(xù)課程打下扎實(shí)的 理論基礎(chǔ)。 n2學(xué)習(xí)固體物理中分析、解決問題的 方法和手段，提高思維能力和分析、解決 實(shí)際問題的能力。 三、課程的教學(xué)內(nèi)容 n 晶體的結(jié)構(gòu)(說明)； n 晶體結(jié)合類型和結(jié)合的物理性質(zhì) ； n 晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)； n 晶體中的缺陷與運(yùn)動(dòng)； n 金屬中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量狀 態(tài)； n 能帶理論，即周期性勢場中電子 的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能態(tài)研究； 原子 電子 前 言 n1 固體研究歷史 n 固體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。 n “萬物是什么構(gòu)成的”3000年前 n 古希臘：水、空氣、火、土。 n 中國：金、木、水、火、土（商周五行說）。 n 公元前450年：巴門尼德球，即永恒不變。 n 同時(shí)期希臘：物質(zhì)無限可分。 n 畢達(dá)格拉斯學(xué)派：四元素是由形狀為規(guī)則立方 體的基 本粒子構(gòu)成的。 前 言 n原子論提出：一個(gè)整體由無數(shù)粒子構(gòu)成，每個(gè) 粒子都是一個(gè)巴門尼德球，剛硬、立體、不可分 割。 nAtom：希臘語中不可分割的意思。 n德謨克里特：物質(zhì)由原子組成。 n希臘哲學(xué)家柏拉圖：廣泛宣傳原子論。 n十七世紀(jì)自然科學(xué)開始成熟，牛頓等建立的力 學(xué)、天文學(xué)、光學(xué)的基礎(chǔ)。 n1840年，Maxwell建立了電磁學(xué)理論，確立了 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)。 n19世紀(jì)末，Bolzman奠定了統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)。 前 言 n20世紀(jì)初，普朗克、洛倫茲、愛因斯坦、玻 爾等建立了狹義相對論、原子物理，初步建立了 量子統(tǒng)計(jì)和量子理論。 n后來薛定諤、海森堡、費(fèi)米、狄拉克等人建 立了量子力學(xué)。 n上述都是對自然界事物認(rèn)識并理解的一個(gè)過 程。 n人類也用實(shí)驗(yàn)手段研究原子及更深的物質(zhì)結(jié) 構(gòu)。 n1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。 n盧瑟福建立了原子核理論。(粒子散射實(shí)驗(yàn)) n勞厄：X射線衍射。 n布拉格父子建立的X射線衍射理論。 前 言 v1. 固體物理學(xué)： v 研究固體物質(zhì)物理性質(zhì)的學(xué)科 v 通過對固體微觀結(jié)構(gòu)和組成固體的微 觀粒子之間相互作用及運(yùn)動(dòng)機(jī)制的研究來 闡明和揭示固體的宏觀性質(zhì)及用途 v2. 固體的結(jié)構(gòu)： v 從微觀角度上來說，是指組成固體 的微觀粒子在空間的排列方式 前 言 n3 微觀世界基本規(guī)律規(guī)律 n 包括力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理 、量子力學(xué)等。 n4 固體的宏觀性質(zhì) n 力學(xué)性質(zhì)、熱性質(zhì)、電性質(zhì)、聲性質(zhì)、 磁性質(zhì)、光性質(zhì)等。 n 固體物理是連接宏觀世界和微觀世界 的橋梁。 前 言 v5. 固體的分類： v晶體*： 一般有規(guī)則的幾何外形，組成 晶體的微觀粒子在空間排列是長程有序的 (晶體演示) (石英分子結(jié)構(gòu)) v準(zhǔn)晶體：1984年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) v非晶體：一般沒有規(guī)則的幾何外形，組 成非晶體的微觀粒子在空間排列是長程無 序的 v晶體圖片 晶體與非晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 常見的寶石晶體 合成剛玉（白寶石） 原料 Al 2 O 3 ，另加致色元素如 下 合成紅寶石 Cr 2 O 3 ， 1-3% 合成藍(lán)寶石 Fe ， Ti ； 0.3-0.5% 合成黃色藍(lán)寶石 Ni ， Cr 合成紫色藍(lán)寶石 Cr Fe ， Ti 合成變色藍(lán)寶石 Cr 2 O 3 ， V 2 O 5 ， 3-4% 合成星光紅寶石 TiO 2 0.1-0.3% ， Cr 2 O 3 1-3% 合成星光藍(lán)寶石 FeO+TiO 2 ： 0.3-0.5% ； TiO 2 ： 0.1-0.3% 第一章 晶體結(jié)構(gòu) v1.1 晶體的宏觀特征(說明) v長程有序：微米范圍內(nèi)的規(guī)則排列。 v自限性：晶體會(huì)自發(fā)地成長為表面為平面的 凸多面體（示意圖） v解理性：當(dāng)晶體受到敲打、剪切、撞擊等外 界作用時(shí)，可有沿某一個(gè)或幾個(gè)具有確定方位 的晶面劈裂開來的性質(zhì)。劈裂的晶面稱為解理 面。 v晶面角守恒定律：同一種晶體在相同的溫度 和壓力下，其對應(yīng)晶面之間的夾角恒定不變（ 示意圖） v各向異性：晶體的物理性質(zhì)隨觀察方向而 變的現(xiàn)象（示意圖） 在不同帶軸上，晶體的物理性質(zhì)不一樣。 其彈性常數(shù)、壓力常數(shù)、介電常數(shù)、電阻率 不再是常數(shù)，需要用張量來表示。 v均勻性：晶體的物理性質(zhì)不隨晶體的部位而改變 （示意圖） v對稱性：晶體宏觀性質(zhì)在不同方向上有規(guī)律重復(fù) 出現(xiàn)的現(xiàn)象（示意圖） v幾何外形 v物理性質(zhì)：異向同性 v最低內(nèi)能和固定熔點(diǎn)：與同種化學(xué)成分的氣體、 液體或非晶體相比，晶體的內(nèi)能最小。晶體在熔化 過程中保持溫度不變。（示意圖） v1) 布喇菲（布拉伐 Bravais）的空間點(diǎn)陣學(xué)說 v 晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些相同的 點(diǎn)子在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布，這些點(diǎn) 子的總體稱為點(diǎn)陣。 （示意圖） v 點(diǎn)子可以是原子，分子，分子團(tuán)，點(diǎn)子代表 其重心位置，這些點(diǎn)稱為格點(diǎn)。晶體由多種原子構(gòu) 成時(shí)，其基本結(jié)構(gòu)單元（基元）也由這數(shù)種原子構(gòu) 成（示意圖）。 v2) 晶格：布喇菲點(diǎn)陣基元 1.2 空間點(diǎn)陣 3) 空間任意格點(diǎn)的位置表示 v 1) 原胞： 初基原胞，固體物理學(xué)原胞 v原胞是為描述晶體周期性選取的體積最小的 平行六面體（示意圖） v原胞的選取不唯一，但體積唯一（示意圖） v對于布喇菲格子，原子只出現(xiàn)在原胞的頂點(diǎn) 上，每個(gè)原胞中只含有一個(gè)原子；對于復(fù)式格子 ，原胞和對應(yīng)的布喇菲格子一樣選取，但在原胞 的體內(nèi)或面內(nèi)包含基元中其它種類的原子每種各 一個(gè)（示意圖） v原胞的基矢常用 表示 3. 原胞和晶胞* v晶胞：是為描述晶體對稱性而選取的 平行六面體，其體積應(yīng)盡可能小（不一 定最?。?v原子不僅出現(xiàn)在晶胞的頂點(diǎn)上，也能 出現(xiàn)在其面心、體心或其它位置上 v晶胞基矢一般沿晶軸方向，常用 表示，三基矢盡可能長度相等、彼此相 垂直。 2)晶胞： 結(jié)晶學(xué)原胞，慣用晶胞，單胞 1.3 晶格周期性 布喇菲格子和復(fù)式格子* n1) 布喇菲(Bravais )格子： （示意圖） l晶格只有一種原子構(gòu)成，基元就是一個(gè)原 子，原子中心與陣點(diǎn)重合。 n 2) 復(fù)式格子： （示意圖） l由相同的布喇菲格子互相套構(gòu)而成。兩種 以上原子，每種原子各組成與格點(diǎn)相同的晶 格，即布喇菲晶格，它們相對移動(dòng)一定距離 ，套構(gòu)而成復(fù)式晶格。 l復(fù)式晶格中基元的原子團(tuán)中心與格點(diǎn)重合 。 復(fù)式晶格中格點(diǎn)不等價(jià)的原因： n格點(diǎn)本身代表不同的原子（見圖）。 n格點(diǎn)附近空間結(jié)構(gòu)不對稱（見圖） 。 v 立方晶系的布喇菲晶胞 簡立方晶格（sc）（示意圖）(演 示) 原胞 晶胞 體心立方晶格（bcc）（示意圖） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 體積 面心立方晶格（fcc） （示意圖） (演示1) (演示2) 晶胞 原胞 1.3.5 幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)： 簡立方晶格（sc）示意圖1 返回 原子鋪排方式：AAA晶胞體積a3, 原子體積 簡立方晶格（sc）示意圖2 返回 自然界中不存在此 種結(jié)構(gòu)的晶體 體心立方晶格（bcc）示意圖1 返回 原子鋪排方式： ABAB 體心立方晶格（bcc）示意圖2 Li、Na、K、Rb、Cs、Fe 晶胞中含 兩個(gè)原子 原胞中 含一個(gè) 原子 返回 原胞的體積V na是晶胞的邊長，又稱晶格常數(shù)。 n可見原胞體積是晶胞體積的一半，一個(gè) 晶胞對應(yīng)兩個(gè)格點(diǎn)，一個(gè)原胞只對應(yīng)一個(gè) 格點(diǎn)。 返回 體心立方晶格（bcc）示意圖3 由于晶胞中含兩個(gè)原子，因此晶胞體積 為a3，兩個(gè)原子占據(jù)體積為 面心立方晶格（fcc）示意圖1 返回 原子鋪排方式：密排面，ABCABC 面心立方晶格（fcc）示意圖2 返回 Au、Ag、Cu、Al 晶胞 中含 4個(gè) 原子 原胞 中含 一個(gè) 原子 面心立方晶格中原胞的體積V 原胞體積是晶胞體積的1/4，一個(gè)晶胞對應(yīng)4 個(gè)格點(diǎn)，一個(gè)原胞只對應(yīng)一個(gè)格點(diǎn)。 面心立方晶格（bcc）示意圖3 由于晶胞中含4個(gè)原子，因此晶胞 體積為a3，其中4個(gè)原子占據(jù)體積為 原胞示意圖1 返回 晶胞 返回 原胞 原胞示意圖2 返回 晶胞示意圖 返回 宏觀特性 宏觀特性宏觀特性 晶面角守恒晶面角守恒 解理性解理性 各向異性各向異性 均勻性均勻性 對稱性對稱性 固定熔點(diǎn)固定熔點(diǎn) 自限性自限性 長程有序長程有序 原原 子子 原子中原子中 的電的電 子子 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 微觀粒微觀粒 子子 宏觀特性宏觀特性 固體物理 晶體物理晶體物理 力聲光電熱磁力聲光電熱磁 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 固體物理固體物理 力學(xué)、電磁學(xué)、熱 學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、量 子力學(xué) 點(diǎn)點(diǎn) 線面體線面體 聲子聲子 單單 原子鏈原子鏈 分分 類類 晶體缺晶體缺 陷陷晶體振晶體振 動(dòng)動(dòng) 性質(zhì)性質(zhì) 分分 類類 晶體的結(jié)晶體的結(jié) 合合 結(jié)合力結(jié)合力 晶格晶格 原子 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 原子原子 倒易點(diǎn)陣倒易點(diǎn)陣 X X射線衍射射線衍射 體心立方體心立方 面心立方面心立方 簡立簡立 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 體體 心立方心立方 面心立方面心立方 簡立方簡立方 復(fù)式晶格復(fù)式晶格 晶晶 格格晶格分晶格分 類類七大晶系七大晶系 返回 黃鐵礦（FeS2） 滑石中的黃鐵礦 返回 n石英分子結(jié)構(gòu) 返回 晶體與非晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 返回 自范性示意圖 返回 晶面角守恒定律示意圖 na、b： 14147 nb、c： 12000 na、c： 11308 返回 各項(xiàng)異性和對稱性示意圖 nx z nx =