固体物理学课件.ppt
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1、材 料 物 理,潘保武 教授中北大学 材料科学与工程学院,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,2,序 固体物理学的历史,如果要从人类使用固体来谈固体物理学的发展史,那么可以追溯到几百万年前的石器时代,或者几万年前人类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。通过炼金术,人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质,并用之于绘画、装饰等,但这只能说人们学会了使用固体。在这段漫长的历史时期中,固体并没有构成一门学问。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,3,早在1611年,开普勒就开始思考雪花为什么呈六角形;1843年,法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着温度
2、的升高而下降;1929年,迈斯纳又观测到硫化铜在非常低的温度(2K)下突然变成比纯铜还好得多的导体;,从公元前3000年一直到本世纪初的整个历史阶段,人们一直被指南针为什么能指方向这个问题所困惑。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,4,到了19世纪,随着科技的进步,人们对固体的认识速度加快了,程度加深了。1830年布拉菲(A.Bravais)提出了晶体结构的空间点阵学说,认为晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作周期性地无限分布;尔后,熊夫利(Schoenflies)从理论上证明晶体有32个点群,230个空间群;1827年欧姆经过对不同材料导电性的
3、研究建立了欧姆定律;1895年居里在研究不同材料的磁性之后提出居里定律。尽管上述对固体的结构,固体在外场中的特性都是固体物理学的研究课题,尽管已经发现了很多新现象、新效应,但是当时还没有形成固体物理学,因为那时还没有提出能够用于计(估)算、并与实验相符的物理模型。经过漫长岁月的孕育,特别是有了19世纪以来在晶体结构,固体的电学、磁学、光学、热学等方面的发展所奠定的基础,固体物理学才形成一门完整的学科。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,5,固体物理学经过20世纪的迅速发展,我们现在已从根本上完全理解了这些问题,而且可以依据物质的原子结构和电子结构来解释材料的各种特性;
4、可以按照预先的构想和设计制备具有新奇性能的微结构固体,制备具有优异性能的人工材料和器件;还可以利用扫描隧道显微镜直接观察固体中原子的形貌及其运动;以及在极端条件下,如毫开(mK)量级的低温,10-10乇的超高真空,4106MPa 的超高压,强磁场,强光作用等极端条件下研究固体的原子结构、电子结构及其与宏观性质的关系。人们可以从固体的基本原理出发,建立物理模型,借助于大型计算机计算固体的电子结构,获得与实验大致符合的结果。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,6,现在,固体物理学的领域已扩大成为包括量子液体H3、H4及其它液体的凝聚态物理学。自从第二次世界大战以来,固体物
5、理学发展非常之快,已经成为当今物理学的重要分支学科之一。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,7,固体物理研究的对象,固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科。固体可分为:晶体、准晶体、多晶体、非晶体。固体物理主要研究晶体及晶体中原子和电子的运动规律及其性质。参考教材:1.方俊鑫、陆栋 固体物理学 2.黄 昆、韩汝琦 固体物理学,第一章 晶体学基础,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,9,1.1 晶体的特征,一个理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构成的。最简单的晶体,如铜、铁、铝和碱金属,它们的
6、结构单元都是一种原子。有的结构单元包含多种原子和分子,如无机物晶体可以多达100个,而蛋白质晶体更是高达10000个。不同原子构成的晶体,其性质有很大的区别。如Al是良好的导电体,而Al2O3是优良的绝缘体。同种原子构成的晶体,如果结构不同,其性质也会相差很远。(如金刚石与石墨)但是,晶体有着其共同的特征,我们可以归纳为如下几点:,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,10,1.1.1 长程有序,现在人们已经可以用X射线衍射的方法对构成金属的小晶粒进行研究,结果表明,在这些尺寸为微米(m)数量级的小晶粒内部,原子的排列是有序的。在晶体内部呈现的这种原子的有序排列,称为长程
7、有序。它是晶体材料具有的共同的特征。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,11,1.1.2 解理性,发育良好的晶体,外形上最显著的特征是晶面有规则的排列。一个理想的完整的晶体,相应的晶面具有相同的面积。晶体外形上的这种规则性是晶体内部分子(原子)之间的有序排列的反映。晶体具有沿着某些确定方位的晶面劈裂的性质,这种性质称为晶体的解理性,相应的晶面称为解理面。显露在晶体外面的往往是一些解理面。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,12,1.1.3 晶面角守恒,同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。,石英(SiO2)晶体,b面和c面之间的夹角总是1
8、2000,a面和c面之间的夹角总是11308。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,13,人造石英晶体,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,14,1.1.4 自限性,晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性,称之为晶体的自限性。这一特性是晶体内部原子的规则排列在晶体宏观形态上的反映。由于生长条件不同,同一晶体的外形会有差异。尽管同一晶体其外形可能不同,但相应的两晶面之间的夹角总是不变的,这一规律称之为晶面夹角守恒规律。石英晶体的mm夹角为600,mR两面的夹角为3813,mr两面的夹角为3813。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与
9、工程学院,15,1.1.5 各向异性,晶体的物理性质在不同方向上存在着差异,这种现象称为晶体的各相异性。(晶体的解理性也是各向异性的表现,是晶体区别于非晶体的重要特征)晶体的晶面往往排列成带状,晶面间的交线(称为晶棱)互相平行,这些晶面的组合称为晶带,晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。例如石英的m面构成一个晶带,晶带的带轴是石英的一个晶轴,即c轴。在不同的带轴方向上,晶体的物理性质是不同的。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,16,如图1-1中的a-1-c-2组成一个带。这些互相平行的晶棱的共同方向称为该晶带的带轴,如图1-1中oo。通常所说的晶轴是重要的带轴。在不同的
10、带轴方向上晶体的物理性质不同,这是晶体的各向异性。,图1-1,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,17,氯化钠晶体的几种外形:由于生长条件的不同,同一品种的晶体,其外形不是一样的,例如氯化钠晶体的外型可以是立方体或八面体,也可以是立方和八面的混合体,如下图所示。,(a)立方体,(b)八面体,(c)立方和八面混合体,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,18,1.2 空间点阵,晶体最主要的特征是晶体内部原子排列具有周期性。晶体具有规则的几何外形,晶体的各向异性晶体的宏观对称性,是晶体中原子规则排列的结果。晶体中原子排列的形式是研究晶体的宏观性质和各种
11、微观过程的基础。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,19,晶体中原子排列具有周期性是指,晶体是由完全相同的原子或原子团在空间中规则地重复排列组成的,晶体可以看成一个原子或一个原子团以某种方式在空间周期重复平移的结果。也就是说,当沿晶体的任一方向行进时,会周期性的遇见完全相同的原子或原子团,这就是原子排列的周期性,或者称为长程有序.晶体原子排列的周期性也叫平移对称性。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,20,19世纪布拉菲提出的空间点阵学说就是对晶体的长程有序的有效描述。按照空间点阵的学说,晶体内部结构是由一些相同的点子在空间规则地做周期性无限
12、分布所构成的系统,这些点子的总体称为点阵。我们把布拉菲空间点阵学说简单概括为四个要点:,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,21,空间点阵的四个要点,1.空间点阵的点子代表了结构中相同的位置,称为结点。组成晶体的原子可以是一种,也可以是多种。结点一般代表原子周围相应点的位置,也可以是原子的位置。我们把由几种原子构成晶体的基本结构单元称为基元。节点既可以代表基元中任意的点子,也可以代表基元的重心。如下图。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,22,结点示意图,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,23,2.空间点阵学说准确的描
13、述了晶体的周期性。由于晶体中所有的基元完全等同,所以,整个晶体的结构可以看作是由基元沿空间三个不同的方向,各按照一定周期性平移而构成的。一般的,晶体在同一方向上具有相同的周期,在不同方向上具有不同的周期。(这一点在薛定谔方程中分析势能必须用到的。),2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,24,3.沿三个不同方向,通过点阵中的结点,可以作许多平行的直线族和平行的晶面族,使点阵形成三维网格。这些将结点全部包括在其中的网格称为晶格。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,25,需要区分的一对概念:原胞与晶胞原胞:固体物理使用的概念。通常可以取一个结点为顶点
14、,边长分别为三个不同方向的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性。这个体积最小的重复单元称为原胞。晶胞:结晶学使用的概念。结晶学要求在反映周期性的同时,还要表述每种晶体特殊的对称性,因而选取的重复单元体积不一定最小。这种重复单元称为布拉菲原胞或结晶学原胞,简称晶胞。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,26,晶胞的选择,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,27,4.结点的总体称为布拉菲点阵,或布拉菲格子。布拉菲格子中,每点周围的情况都一样。如果晶体由完全相同的一种原子组成,且基元中仅包含一个原子,则相应的网格就是布拉菲格子,与结点所组成的相同。
15、以下,我们用更为精确的方法来描述晶体的这些特性,或者说定量的来表述晶体的性质。这样需要使用数学工具来表达。其中最主要的数学工具之一是矢量分析!,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,28,1.3 晶体的矢量描述,空间点阵的描述方式:点阵+基元=晶体结构,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,29,晶格的周期性、基矢,通过点阵中的结点,可以作许多平行的直线族将结点连接起来,形成格子状图形,这样点阵就成为网格,称为晶格(或空间格子)。空间点阵与空间格子是一回事。之所以要引入空间格子的概念,是为了把空间点阵划分成许许多多的平行六面体,整个空间点阵就是这些小
16、的平行六面体堆砌而成的。这样的平行六面体称为原胞。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,30,原胞的特点,原胞是以格点为顶点,以三个不共面的独立方向上的晶格的周期为边长所构成的平行六面体。三个不共面的独立方向上的周期,称为晶格基矢,一般用 表示。,原胞的特征由基矢的大小a1、a2、a3以及它们之间的夹角、规定。,2023/3/24,材料物理 中北大学 材料科学与工程学院,31,原胞是晶格中体积最小的周期性重复区域:原胞的格点只能位于平行六面体的的顶点上。原胞只包含一个格点;原胞的重复堆砌,便可以得到整个晶格;原胞的选取是不唯一的。原胞的体积为:,2023/3/24,材料
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