第1頁為學之道，莫先于窮理；窮理之要，必在于讀書；讀書之法，莫貴于循序而致精；而致精之本，則又在于居敬而持志。——朱熹窺天地之奧而達造化之極。——李時珍第2頁主要參考書黃昆，韓汝琦.《固體物理》,高教出版社.CharlesKittel.Introductiontosolidstatephysics.(漢字版第8版,或直接看英文原版）方俊鑫，陸棟.《固體物理學》（上）,上海科學技術出版社.閻守勝.《固體物理基礎》,北京大學出版社.第3頁一、固體物理學研究對象緒論固體結構及其組成粒子（原子、離子、分子、電子等）之間相互作用與運動規律，以說明其性能和用途。固體物理是固體材料和器件基礎學科，是新材料、新器件生長點。固體是由大量原子（或離子）組成，1023個原子/cm3。固體結構就是指這些原子排列方式。第4頁固體分類

晶體:規則結構，分子或原子按一定周期性排列。

長程有序性，有固體熔點。E.g.水晶巖鹽

非晶體：非規則結構，分子或原子排列沒有一定周期性。

短程有序性，沒有固定熔點。玻璃橡膠

準晶體:有長程取向序，沿取向序對稱軸方向

有準周期性，但無長程周期性

沒有缺點和雜質晶體叫做理想晶體。缺點:缺點是指微量不規則性。

第5頁規則網絡無規網絡晶體非晶體第6頁準晶Al65Co25Cu10合金第7頁二、固體物理學發展歷史規則幾何外形?內部規則性阿羽依

魏德曼-弗蘭茲定律表征金屬導電率和導熱率之間關系。為金屬電子論打下了基礎。十九世紀中葉，布拉伐（Bravais）提出空間點陣學說，提供了經驗規律。20世紀初，在X射線衍射試驗和量子力學理論基礎上，建立了固體電子態理論和晶格動力學。結果：半導體納米材料超導體第8頁二、學科領域形成許多分支學科。固體物理研究固體材料中那些最基本、有普遍意義問題。固體物理晶格理論電子理論輸運理論固體物理分論晶格結構晶格動力學晶格熱力學實際晶格理論理想晶格能帶理論（包含電磁場中電子運動）金屬中自由電子氣功函數、接觸電勢等：電子與晶格相互作用半導體、磁學、超導、非線性光學第9頁本課程學習內容1、描述晶體周期性基本方法，經典晶格結構。2、固體結協力（四種）3、晶格動力學4、晶體中電子運動規律（能帶理論，自由電子氣）5、介紹一些經典固體材料性質第10頁第一章晶體結構第11頁

晶體宏觀性質周期性－－從原子排列角度來講(均一性――從宏觀理化性質角度來講）；宏觀對稱性；3.

各向異性和解理性。比如，云母解理性；4.

有固定熔點。第12頁幾個常見晶體結構1.元素晶體一維二維二維密排堆積二維正方堆積§1－1一些晶格實例第13頁a.較渙散堆積體心立方（body-centeredcubic,bcc）

堆積簡單立方（simplecubic,sc）堆積經典晶體：Li、Na、K、-Fe三維配位數：一個原子周圍最近鄰原子數目。對于體心立方（bcc）配位數為8。第14頁面心立方（face-centeredcubic,fcc）堆積

排列方式：ABCABC(立方密堆積)經典晶體：Cu、Ag、Au、Ca、Sr、Al、b.密堆積：fcc配位數為12；第15頁

經典晶體：Be、Mg、Zn、Cd、Ti密排六方（hexagonalclose-packed,hcp）堆積排列方式：ABABAB(六方密堆積)hcp配位數為12；第16頁第17頁經典晶體：金剛石、Si、Ge

c.金剛石結構：金剛石配位數為4；金剛石結構第18頁2.簡單化合物晶體

NaCl結構經典晶體：NaCl、LiF、KBr

第19頁CsCl結構經典晶體：CsCl、CsBr、CsI

第20頁閃鋅礦結構許多主要半導體化合物都是閃鋅礦結構。經典晶體：ZnS、CdS、GaAs、-SiC

在晶胞頂角和面心處原子與體內原子分別屬于不一樣元素。第21頁§1.2晶格周期性一、晶格與布拉伐格子

晶格：晶體中原子（或離子）排列詳細形式。

2.布拉伐格子(空間點陣）布拉伐格子：一個數學上抽象，是點在空間中周期性規則排列。基元：每一個格點所代表物理實體。格點：空間點陣中周期排列幾何點。全部點在化學、物理和幾何環境上完全相同。第22頁布拉伐格子一共有14種。scbccfcc立方晶系布拉伐格子第23頁實際晶格=布拉伐格子+基元若格點上基元只包含一個原子，那么晶格為簡單晶格。若格點上基元包含兩個或兩個以上原子（或離子），那么晶格為復式晶格。

晶格中全部原子在化學、物理和幾何環境上都是完全等同。簡單晶格必須由同種原子組成；反之，由同種原子組成晶格卻不一定是簡單晶格。如金剛石和hcp晶格都是復式晶格。第24頁SC+雙原子基元fcc+雙原子基元復式晶格由同種原子組成金剛石晶格也是復式晶格。第25頁A類碳原子共價鍵方向B類碳原子共價鍵方向第26頁hcp也是復式晶格。

復式晶格包含多個等價原子，不一樣等價原子簡單晶格相同。復式晶格是由等價原子簡單晶格嵌套而成。第27頁Rl0a1a2二、基矢和原胞第28頁2.基矢：任一格矢，1.格矢:假如全部l1、l2和l3均為整數，則稱這組坐標基

、

和

為基矢。對于一個空間點陣，基矢選擇不是唯一，能夠有各種不一樣選擇方式。第29頁Rl0a1a2第30頁原胞體積：原胞空間點陣最小重復單元每個空間點陣原胞中只含有一個格點

對于同一空間點陣，原胞有各種不一樣取法（Wigner-Seitz原胞），但原胞體積均相等空間點陣原胞晶格原胞＝空間點陣原胞＋基元第31頁Wigner-Seitz原胞（對稱原胞）第32頁引入Wigner-Seitz原胞原因優點：（1）Wigner-Seitz原胞本身保持了布拉伐格子對稱性；（2）該取法今后要用到。缺點：（1）Wigner-Seitz原胞體積等計算不方便；（2）平移對稱性反而不直觀。第33頁基元中原子數目能夠是一個，也能夠是多個。基元中第j個原子中心位置相對于一個格點，能夠表示為：第34頁晶胞

除了周期性外，每種晶體還有自己特殊對稱性。為了同時反應晶格對稱性，往往會取最小重復單元一倍或幾倍晶格單位作為原胞。結晶學中慣用這種方法選取原胞，故稱為結晶學原胞，簡稱晶胞（也稱為單胞）。例：二維三角晶格第35頁晶胞三個棱邊矢量用，，表示，稱為軸矢（或晶胞基矢），其長度a，b，c稱為晶格常數。下面對結晶學中屬于立方晶系布拉格原胞簡立方、體心立方和面心立方固體物理原胞進行分析。sc晶胞：基矢體積原胞：基矢體積第36頁bcc原子個數2晶胞：基矢體積第37頁原胞：基矢體積原子個數1

由一個頂點向三個體心引基矢。第38頁bcc原胞示意圖第39頁原子個數4晶胞：基矢體積fcc第40頁原胞：基矢體積原子個數1

由一個頂點向三個面心引基矢。第41頁hcp二者之間夾角為1200第42頁堆積系數＝晶胞體積晶胞中原子所占體積fcc結構a每個晶胞有8×1/8+6×1/2=4個原子第43頁一、晶列晶列：相互平行直線系。§1.3晶列和晶面指數晶體性質各向異性，表明晶體結構含有方向性。第44頁晶列特點

（1）一族平行晶列把全部格點包含無遺。（2）在一平面中，同族相鄰晶列之間距離相等。（3）經過一格點能夠有沒有限多個晶列，其中每一晶列都有一族平行晶列與之對應。（4）有沒有限多族平行晶列。二、晶向原子沿晶向到最近鄰為

(、、為互質整數）

晶向記為

稱為晶列指數。第45頁三、晶面晶面——晶體內三個非共線結點組成平面。

在一晶面外過其它格點作一系列與原晶面平行晶面，可得到一組等距晶面，各晶面上結點分布情況是相同。這組等距晶面稱為一族晶面。面間距——同族晶面中，相鄰兩晶面距離。（晶面概念是以格點組成相互平行平面，再組成晶體。）第46頁通慣用密勒指數來標識不一樣晶面。確定密勒指數步驟：1）選任一結點為原點，作、、軸線。2）求出晶面族中離原點最近第一個晶面在、、軸上截距、、。3）將、、取倒數并化為互質整數、、，則即為密勒指數。第47頁例：立方晶系幾個晶面第48頁第49頁第50頁第51頁第52頁第53頁§1.4倒格子

為了以后計算上方便，我們引入一個新概念——倒格子。

倒格子并非物理上格子，只是一個數學處理方法，它在分析與晶體周期性相關各種問題中起著主要作用。第54頁一、倒格子定義

假設晶格原胞基矢為、、，原胞體積為，建立一個實空間，其基矢為由這組基矢組成格子稱為對應于以、、為基矢正格子倒易格子(簡稱倒格子），、、稱為倒格子基矢。

第55頁

從數學上講，倒易點陣和布喇菲點陣是相互對應傅里葉空間。倒易空間格矢量：

第56頁例1：簡立方格子倒格子。例2：二維四方格子，其基矢為。此時可假設一個垂直于平面單位矢量再計算、。第57頁二、倒格子基矢性質1、正倒格子基矢關系(為倒格子原胞體積。）2、倒格子原胞體積是正格子原胞體積倒數(2π)3倍。3、倒格矢是晶面指數為所對應晶面族法線。4、倒格矢與晶面間距關系為5、正格矢與倒格矢關系（m為整數）第58頁推論：1、假如有一矢量與正格矢點乘后等于2π整數倍，這個矢量一定是倒格矢。2、假如有一矢量與正格矢點乘后為一個