固體物理基礎概論省公共課一等獎全國賽課獲獎課件

固體物理基礎

主講教師：孫會元第1頁教學網(wǎng)頁1：學院教學網(wǎng)站進入方式2：學校主頁—機構設置—黨政機構—教務處—網(wǎng)絡教學平臺—課程展示—物理科學與信息工程學院—固體物理地址：33/gtwl/kcjs.html教學網(wǎng)頁2：教務處網(wǎng)絡教學平臺進入方式1：學校主頁—校內資源—網(wǎng)絡教學（或學分制選課系統(tǒng)—網(wǎng)絡教學—BB平臺）課程內容鏈接地址第2頁緒論一、固體物理基礎內容三、怎樣學好固體物理學二、固體物理基礎地位四、參考書目第3頁固體通常指在承受切應力時含有一定程度剛性物質，在壓強和溫度一定，且無外力作用時，它形狀和體積保持不變。包含晶體、準晶體和非晶體。一、固體物理基礎內容1．概念

固體物理學是研究固體性質、它微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體宏觀性質關系學科。第4頁

組成晶態(tài)固體粒子在空間周期性排列,含有長程序,它對稱性是破缺。非晶體與晶體相反，其組成粒子在空間分布是完全無序或僅僅含有短程序,含有高度對稱性。準晶介于晶體和非晶體之間，粒子在空間分布有序，但不含有周期性，僅僅含有長程取向序。

固體物理研究對象以晶體為主。第5頁第6頁準晶第7頁

2.固體物理學基本任務：是企圖從微觀上去解釋固體材料宏觀物性，并說明其規(guī)律。固體物理是建立在周期性和單粒子近似下簡單理論。

3.

固體物理學習目標：

1）深入熟悉以前所學理論物理（量子力學、熱統(tǒng)等）知識作用。

2）固體物理基礎強調對固體物理學科學方法、物理圖象以及模型建立了解。要求掌握固體物理學基本概念、基本模型和方法并了解它們在各類技術中應用。第8頁3）固體物理學是凝聚態(tài)物理學、微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科基礎，所以希望經(jīng)過本課程學習，掌握從事凝聚態(tài)物理和材料物理研究工作起碼基礎，以及深入學習固體理論和凝聚態(tài)物理學所需要基本概念和知識。

4．固體物理基本問題和研究內容1）固體物理學基本問題第9頁簡單地說，固體物理學基本問題有：固體是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結合？這種結構是怎樣形成？在特定固體中，電子和原子取什么樣詳細運動形態(tài)？它宏觀性質和內部微觀運動形態(tài)有什么聯(lián)絡？各種固體有哪些可能應用？怎樣設計和制備自然界中不存在固體材料并含有奇異物性？第10頁2）固體物理包括內容有：

晶體學物理、非晶態(tài)物理、金屬物理、半導體物理、相變物理、電介質物理、磁性物理、低溫物理、高壓物理、超導體物理、表面物理、納米電子學等。5．固體物理建立和發(fā)展固體物理學科建立和發(fā)展表達在了下面幾個方面：1）晶體結構認知；第11頁2）晶體結合認知；3）晶格振動和固體比熱容認識和發(fā)展；4）缺點認知；5）固體電子論發(fā)展；6）相變研究；7）固體磁性；8）超導現(xiàn)象認識和發(fā)展；9）半導體物理研究及無序系統(tǒng)和一些新進展等

第12頁上述不一樣方面研究結果造成了固體物理誕生。1940年，塞茲(Seitz)專著《近代固體理論》為以后固體物理學教材提供了樣板。之后，伴伴隨固體物理學迅猛發(fā)展，他們從1955年開始，幾乎每年都要出一本《固體物理學——研究與應用進展》，方便搜集各分支最新進展綜述，一致連續(xù)到今天。

我國老一輩科學家黃昆、程開甲等最早在國內開展了固體物理課程第13頁從固體物理發(fā)展能夠看出，固體物理包含內容非常廣泛。國內外多數(shù)固體物理教材都是按照固體物理發(fā)展次序編排。各章節(jié)之間缺乏聯(lián)絡，就好像散落珍珠一樣，缺乏一條根本把它們串起來，這對首次接觸固體物理學生來說，感到很迷惑，摸不著頭緒。有沒有可能找到一條根本，把散落知識點聯(lián)絡在一起呢？第14頁以固體電子論發(fā)展為根本能夠把散落知識點聯(lián)絡在一起。首先從金屬自由電子論講起，在領會該模型巨大成功時也要知道該模型不足。并指出這些不足就是因為忽略了離子實和電子之間相互作用造成，為此必須加以修正。而要考慮離子實和電子相互作用，就必須知道離子實在晶體中排列方式。由此引入第二章晶體結構內容。有了晶體結構知識以后，就能夠修改自由電子模型了。在周期勢單電子近似下，晶體電子能譜展現(xiàn)能帶結構，從而引入第三章能帶論內容。第15頁在能帶論講述中，經(jīng)過絕熱近似使學生認識到晶格體系和電子體系能夠分開處理，為第四章晶格振動打下伏筆。經(jīng)過晶格振動講述引入聲子概念，從而能夠用電子、聲子來描述固體中輸運問題了，這就是第五章固體輸運現(xiàn)象內容。經(jīng)過金屬、半導體電、熱、光輸運特征，尤其是電阻產(chǎn)生機制，為第六章晶體結合、晶體缺點和相圖引入做好鋪墊。這么，就以固體電子論發(fā)展為根本把各個知識點結合在了一起。

第16頁而且從教學進度來說，采取這么體系編排，科學、有效。因為第一、二兩章內容，相對輕易了解，輕易入門。而第三章能帶論作為固體物理最主要且最難內容，恰好處于一個學期中間。此時，學生對教師講課格調也已經(jīng)適應了，而且精力集中，易于消化難點。到了期末，靠近考試了，此時介紹晶體結合、晶體缺點等學生能夠自學內容，自然輕松合理。第17頁6.教材內容和課時分配第一章金屬自由電子費米氣體模型(10課時)

第二章晶體結構(19課時)第三章能帶論(23課時)第四章晶格振動(10課時)第五章輸運現(xiàn)象(5課時)第六章晶體結合、晶體缺點和相圖(5課時)第18頁7.教學要求

1)掌握金屬自由電子模型內容并學會利用該模型對金屬電、熱、光等物性進行分析；

2)掌握晶體結構特點、晶格特征、晶體對稱性和分類、倒格子以及X射線衍射；

3)掌握固體能帶論基本內容、布洛赫定理、會利用近自由電子近似和緊束縛近似方法討論能帶形成；

4)掌握一維晶體振動模式色散關系，晶格振動量子化、聲子概念、會用愛因斯坦模型和德拜模型解釋固體比熱性質以及確定振動譜試驗方法；第19頁5)了解固體輸運現(xiàn)象；6)掌握晶體結合類型和結合性質；7)掌握晶體缺點類型，晶體缺點熱力學統(tǒng)計數(shù)目；8)了解熱缺點運動、產(chǎn)生和復合以及缺點擴散微觀機制，熱缺點在外力下運動；9)了解相圖8固體物理與當代科技第20頁日本京都大學SPM(ScanningProbeMicroscopy)精工制造第21頁美國VeecoDISPM

SPM(ScanningProbeMicroscopy)第22頁第23頁第24頁不一樣放大倍數(shù)下蝴蝶翅膀第25頁AAO模板第26頁超薄AAO結構色第27頁第28頁51歲安德烈·海姆36歲諾沃肖洛夫

石墨烯Graphene

第29頁第30頁曼徹斯特大學最近公布波紋式石墨烯薄片示意圖這是當前世界上最薄材料，僅有一個原子厚，是物理學和材料學熱門話題Ultra-ThinMaterial

第31頁超導磁懸浮第32頁MagneticDomainsbyMagneto-opticalEffect第33頁包鈷氧化鐵鐵合金鋇鐵氧體CrO20.2m第34頁計算機硬盤第35頁計算機硬盤第36頁德國科學家彼得·格林貝格爾法國科學家阿爾貝·費爾諾貝爾物理學獎---巨磁電阻效應（GMR)第37頁第38頁磁渦旋核結構（MagneticVortexcore)第39頁QuantumDesignMagneticPropertyMeasurementSystem(MPMS).第40頁電子束刻蝕設備EB第41頁因為固體物理本身是微電子技術、光電子學技術、能源技術、材料科學等技術學科基礎，也因為固體物理學科內在原因，固體物理研究論文已占物理學中研究論文三分之一以上。同時，固體物理學成就和試驗伎倆對物理化學、催化學科、生命科學、地學等影響日益增加，正在形成新交叉領域。第42頁

大學物理類專業(yè)、材料類專業(yè)基礎課。它是理論物理基礎之上普通物理；

凝聚態(tài)物理專業(yè)主要基礎課程；碩士碩士和博士碩士入學必考課程；二、固體物理基礎地位

是了解物體導電、發(fā)光、發(fā)燒、超導、磁性等基礎；第43頁

1.課上認真聽講；

2.課下注意梳理；4.適看成些習題三、怎樣學好固體物理學?3.概念及時掌握；5.充分利用網(wǎng)絡資源第44頁四、參考書目2.黃昆原著、韓汝琦改編；固體物理學-高等教育出版社,19883.方俊鑫，陸棟；固體物理學（上冊、下冊）上?？萍汲霭嫔?，19814.基泰爾（C.Kittel5thedition）著，楊順華等譯，固體物理導論，科學出版社，19791.孫會元主編，固體物理基礎，科學出版社，第45頁

5.方可,胡述楠,張文彬主編;固體物理學,重慶大學出版社,19936.陳金福主編固體物理學—學習參考書高等教育出版社,19867.宗祥福，翁渝民編著，材料物理基礎，復旦大學出版社，.128.閻守勝..固體物理基礎.北京：北京大學出版社9.韋丹著，固體物理-清華大學出版社,.6第46頁10.YuriM.Galperin，IntroductiontoModernSolidStatePhysics，DepartmentofPhysics,P.O.Box1048Blindern,0316Oslo,Room427APhone:+4722856495,11.JosephCallaway,QuantumtheoryoftheSolidState(studentedition),APNewYok(1976)第47頁1．固體物理習題詳解吳代鳴解答kittlel，1980年，吉林人民出版社(130)2．固體物理學習題指導劉友之等編，1988年，高等教育出版社（575）3．固體物理學問題和習題黃波等編，1988年，國防工業(yè)出版社(530)4．固體物理學習題解答徐至