固體物理 第一張章 緒論專業(yè)課教材

固體物理學(xué)周健2011.02.172011-2012學(xué)年第二學(xué)期周健主要研究方向：計算凝聚態(tài)物理研究興趣：納米材料的電子結(jié)構(gòu)，光學(xué)性質(zhì)；磁性和鐵電材料的電子結(jié)構(gòu)；高性能計算等聯(lián)系方法：zhoujian.class@83596863一、緒論提綱課程目的和要求3課程內(nèi)容和安排5課程目標(biāo)2固體物理學(xué)簡介64課程重點課程教材和參考書1課程教材胡安、章維益，《固體物理學(xué)》，高等教育出版社，2006年參考書CharlesKittel,Introductiontosolidstatephyscs(7thedition),NewYork:Wiley,1996.（中譯本：《固體物理導(dǎo)論》）NeilW.AshcroftandN.DavidMermin,Solidstatephysics,FortWorth:Saunders課程目標(biāo)固體物理學(xué)是物理系、材料系、強化部和理科基地學(xué)生的物理必修課。固體物理課程教學(xué)既要傳授固體物理學(xué)知識，也要培育同學(xué)分析和解決問題的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)方法及技巧，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研精神，使同學(xué)們在以后的實際應(yīng)用中能夠獨立地分析解決問題，從而達到強化基礎(chǔ)、提高研究能力、加強創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)。本課程具體的定位與目標(biāo)在于通過固體物理學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握從事凝聚態(tài)物理研究工作的物理基礎(chǔ)，以及進一步學(xué)習(xí)《固體理論》和《凝聚態(tài)物理學(xué)》所需要的基本概念，為凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)以及相關(guān)學(xué)科培養(yǎng)優(yōu)秀后備人才。

課程目的和要求通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握從事凝聚態(tài)物理研究工作的物理基礎(chǔ)，以及進一步學(xué)習(xí)《固體理論》、《凝聚態(tài)物理導(dǎo)論》的基本概念和知識。課程將晶態(tài)物質(zhì)作為主要研究對象，充分利用晶體的平移對稱性，統(tǒng)一處理周期結(jié)構(gòu)中波的傳播問題。周期結(jié)構(gòu)中波的傳播問題包括晶格動力學(xué)導(dǎo)致的聲波、電子德布羅意波導(dǎo)致的能帶論，也包括自旋波和電磁波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播。由于晶體對弱外場擾動的響應(yīng)決定了體系的基態(tài)物理性能和元激發(fā)類型，在各相應(yīng)的章節(jié)中應(yīng)用了簡單模型和處理方法論述系統(tǒng)的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)屬性，自然地引入了各類元激發(fā)，包括電子、空穴、聲子、自旋波量子、極化激元和等離激元等，而不必將固體中元激發(fā)作專章處理。對于建立在周期性基礎(chǔ)上的晶格動力學(xué)和固體能帶論在特殊情況下遭到的破缺問題不做全面論述，但在適當(dāng)?shù)恼鹿?jié)中穿插某些典型例子，如準(zhǔn)周期系統(tǒng)和無序系統(tǒng)，偏離周期性系統(tǒng)（缺陷，表面，界面等）以及由無序?qū)е碌木钟蚧瘑栴}，以說明簡單模型的局域性和解決問題的思路。超出單粒子近似而計入例子間相互作用的多體效應(yīng)問題，如金屬磁性與超導(dǎo)電性及窄帶體系中強電子關(guān)聯(lián)所導(dǎo)致的金屬絕緣體相變等，也作為典型例子穿插在相應(yīng)章節(jié)中討論。課程重點第一章：晶體的結(jié)構(gòu)及其對稱性。該章簡要闡明晶體中原子周期排列和對稱性的一些基本規(guī)律、基本概念和數(shù)學(xué)描述，及其結(jié)構(gòu)的實驗確定。第三章：晶格動力學(xué)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)。該章主要闡述經(jīng)典波（格波）在周期結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。第四章：能帶論。該章主要闡述德布羅意波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。

課程主要內(nèi)容：（參見教材目錄）課程安排(2.13-6.17,二十周)

第一周（講授4學(xué)時）緒言：固體物理的研究對象和內(nèi)容、發(fā)展歷史、研究方法和特點；第一章：晶體結(jié)構(gòu)和X射線衍射中晶格及其周期性第二周（講授4學(xué)時）第一章中正點陣，晶列、晶面及標(biāo)志，倒點陣第三周（講授4學(xué)時）第一章中晶體的宏觀對稱性及其限制第四周（講授4學(xué)時）第一章中晶體的空間群及其分類第五周（講授4學(xué)時）第一章中晶體X射線衍射，準(zhǔn)晶體第六周（講授4學(xué)時）第二章原子的負電性和晶體結(jié)合類型第七周（講授4學(xué)時）第二章晶體的結(jié)合能第八周（講授4學(xué)時）第三章本征模和格波，一維單雙原子鏈，三維晶格振動第九周（講授4學(xué)時）第三章離子晶體中黃昆方程，極化激元和局域模第十周（講授4學(xué)時）第三章晶格比熱，狀態(tài)方程和熱膨脹第十一周（講授4學(xué)時）第四章一維三維近自由電子近似，布里淵區(qū)第十二周（講授4學(xué)時）第四章布洛赫定理、電子能帶、緊束縛方法和能態(tài)密度及其測量第十三周（講授4學(xué)時）第四章準(zhǔn)經(jīng)典運動和晶體分類第十四周（講授4學(xué)時）第四章平面波方法和其他能帶計算方法第十五周（講授4學(xué)時）第五章晶體的電子比熱和電輸運第十六周（講授4學(xué)時）第五章晶格振動對電子的散射，第七章固體磁性分類，順磁離子磁性，載流子磁性和鐵磁性第十七、十八周（講授8學(xué)時）第七章自旋波量子，巡游電子磁性和自旋相關(guān)散射第十九、二十周復(fù)習(xí)考試如何學(xué)好本課程上課認(rèn)真聽講獨立完成作業(yè)課后復(fù)習(xí)鞏固公式需要自己推導(dǎo)，同時要特別注重對物理圖像的理解成績評定平時20%（作業(yè)和點名）期中考試20%期末考試60%考試閉卷或者取消平時成績，按照期中和期末考試分別30%和70%算最后成績？固體物理學(xué)簡介固體物理研究對象固體：物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，與液體和氣體相比，固體有比較固定的體積和形狀。固體由原子構(gòu)成，在一立方厘米的固體中大約含有1023個原子。通常大部分固體中的原子按照嚴(yán)格的次序排列，原子之間有較強的相互作用。固體的宏觀性質(zhì)（力、熱、電、磁、光等性質(zhì)）都由微觀的原子種類和排列決定。固體物理學(xué)是研究固體的性質(zhì)、固體的微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運動，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的學(xué)科。固體物理學(xué)即研究固體宏觀的物理性質(zhì)，也研究其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，更研究其兩者之間是如何聯(lián)系起來的。它是物理學(xué)中內(nèi)容極豐富、應(yīng)用極廣泛的分支學(xué)科。也是最實用、最重要的一門基礎(chǔ)課程。固體物理發(fā)展歷程如果要從人類使用固體來談固體物理學(xué)的發(fā)展史，那么可以追溯到幾百萬年前的石器時代，或者幾萬年前人類開始冶煉金屬、制造農(nóng)具和刀箭的時代。通過煉金術(shù)，人們了解了一些材料的顏色、硬度、熔化等性質(zhì)，并用之于繪畫、裝飾等，但這只能說人們學(xué)會了使用固體。在這段漫長的歷史時期中，固體并沒有構(gòu)成一門學(xué)問。兩千多年前古希臘的原子論：德謨克利特探討了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，提出了原子論的思想。他認(rèn)為萬物的本原是原子和虛空。原子是一種最后的不可分割的物質(zhì)微粒，它的基本屬性是"充實性"，每個原子都是毫無空隙的。虛空的性質(zhì)是空曠，原子得以在其間活動，它給原子提供了運動的條件。原子的數(shù)目是無窮的，它們之間沒有性質(zhì)的區(qū)別，只有形狀、體積和序列的不同。運動是原子固有的屬性。18世紀(jì)，阿羽依（Hauy）認(rèn)為：方解石是有一些堅實的相同的平行六面體的小基石有規(guī)律重復(fù)堆積而成。19世紀(jì)中，布拉維、（布拉格，Bravais）發(fā)展了空間點陣學(xué)說，概括了晶體周期性的特征。19世紀(jì)末，費多洛夫，熊夫利，巴羅等人獨立發(fā)展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系。1819年，晶體比熱的杜隆-玻替定律（Dulong-Petitlaw）:Cv=3NkB1853年，金屬熱導(dǎo)和電導(dǎo)的關(guān)系,魏德曼-弗拉茲定律(Wiedemann-Franzlaw)

:κ/σ=LT。Drude和Lorentz建立的經(jīng)典的金屬自由電子理論。1912年，勞厄首先提出晶體可以作為x射線的衍射光柵，通過大量實驗和數(shù)據(jù)分析，對晶體結(jié)構(gòu)有了較深的了解，證實了空間群理論。量子力學(xué)使得人們能夠深入和比較正確地描述晶體內(nèi)部微觀粒子的運動規(guī)律。比如愛因斯坦提出了量子化的固體比熱，索末菲發(fā)展了固體量子論；費米發(fā)展了量子統(tǒng)計理論。二十世紀(jì)三十年代，人們進行了關(guān)于晶體中電子能量狀態(tài)、運動規(guī)律以及晶體中原子的熱運動和熱缺陷的研究工作。人們對固體的認(rèn)識開始由表及里，由宏觀到微觀、由定性到定量、由現(xiàn)象到本質(zhì)。在以上基礎(chǔ)上，建立了晶格動力學(xué)和固體電子態(tài)理論（能帶論）。區(qū)分了導(dǎo)體和絕緣體。預(yù)測了半導(dǎo)體的存在。20世紀(jì)四十年代末，以諸、硅為代表的半導(dǎo)體單晶的出現(xiàn)并制成了晶體三極管--產(chǎn)生了半導(dǎo)體物理。1960年誕生的激光技術(shù)，第一臺激光器是紅寶石激光器，就是固體激光器。對晶體結(jié)構(gòu)的檢測和組裝：X光，中子衍射技術(shù)，SEM，TEM，HRTEM，AFM等等各種材料的制備技術(shù)，如超硬材料，非線性光學(xué)晶體，各種薄膜沉積技術(shù)以及各種外延生長技術(shù)。新型固體元件：除了半導(dǎo)體，還有固體激光器，磁性、壓電和超導(dǎo)元件各種微和納米加工技術(shù)新的學(xué)科：磁學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、低溫物理學(xué)、薄膜物理學(xué)，低維物理學(xué)以及計算凝聚態(tài)物理學(xué)。1947年，Bardeen

等人