固體物理基礎

前言

固體物理學是物理學的重要分支，主要研究固體的微觀結構、運動狀態(tài)、物理性質及其相互關系。近幾十年來固體物理學的發(fā)展十分迅速，已形成了晶體學、晶格振動動力學、金屬物理學、半導體物理學、磁學、電介質物理學、壓電物理學、鐵電物理學、低溫物理學、表面物理學、超導物理學以及低維物理學等分支學科，而且新的分支尚在不斷產生。固體物理學的概念、方法和實驗技術還在向相鄰的學科滲透，尤其是有力地促進了材料科學和器件物理等學科的發(fā)展，固體物理學已成為新材料、新器件的“生長點”。本書注重使學生能迅速建立相關問題清晰的物理圖像，不讓學生迷失在過于繁雜的計算中，讓學生在學習固體物理知識的過程中，逐漸體會前輩物理學家發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思維方法和思維過程，例如在提出布洛赫電子費米氣、聲子氣模型時使用的“類比、移植”的方法等，并在此過程中使學生“潛移默化”地逐漸體會固體物理的直覺和想象力。

內容概要

　　《固體物理基礎》主要介紹了晶體結構、晶體的結合、晶體振動、固體電子論、固體能帶論、晶體的導電性等固體物理學領域的基本內容，這些內容是進一步學習半導體物理、電介質物理、磁性材料等課程的基礎。

作者簡介

曹全喜，西安電子科技大學技術物理學院教授，博士研究生導師，現(xiàn)任西安電子科技大學技術物理學院副院長。1950年10月出生。1975年畢業(yè)于西北電訊工程學院技術物理系。1984.9—1986.1在中國科學技術大學進修研究生課程。中國電子學會高級會員，中國電子學會電子材料分會委員，電壓敏專業(yè)委員會委員。陜西省電子學會傳感器專業(yè)委員會主任委員。長期從事電子材料與元器件的研究與教學工作，在電子功能材料的理論和工藝等領域有較深入的研究。近年來主持完成“SrTiO3雙功能元件的研究”、“不同制備方法對鈣鈦礦結構功能陶瓷性能影響的研究”、“環(huán)形電機消噪元件”、“壓敏瓷料的化學共沉淀技術”、“晶體結構動畫演示”等15項科研項目。所獲榮譽：曾獲陜西省科技進步三等獎、陜西省教委科技進步一等獎、二等獎、?？萍汲晒坏泉劇医涛珖嬎銠C輔助教學優(yōu)秀軟件三等獎、校優(yōu)秀教材一等獎等。參加編寫全國工科電子類規(guī)劃教材：“材料物理導論”等。每年均從事本科生、研究生的教學任務，主講“固體物理學”、“材料的表面與界面”、“近代電子材料”、“納米材料及其應用”、“敏感材料及其應用”等課程。在國內外發(fā)表學術論文50余篇，主要有“SrTiO3陶瓷中摻雜和Ti/Sr比的配合”、“Co3O4在壓敏陶瓷中的作用和影響”、“錳在SrTiO3功能陶瓷中的作用”等。其中《SCI》收錄七篇、《EI》收錄十三篇、《ISTP》收錄兩篇，十篇獲省、校優(yōu)秀論文獎。研究方向：(1)激光陶瓷制備技術研究；(2)微波隱身材料研究；(3)SrTiO3氧傳感器；(4)高性能壓敏電阻器制備關鍵技術；(5)SrTiO3雙功能元件金屬－半導體接觸研究；(6)介質薄膜（紅外反射膜）制備技術研究；(7)雷達相移器材料研究；(8)SnO2氣敏元件研究；(9)碳納米管特性及改性研究。科研成果：主持完成的主要科研項目十余項。在國內外發(fā)表學術論文四十余篇，其中被SCI、EI收錄20余篇。參加編寫工科電子類規(guī)劃教材《材料物理導論》及講義《近代電子材料》、《固態(tài)電子器件》等。主講包括《固體物理》在內的本科生、碩士生、博士生課程十余門。《固體物理》課程獲校精品課程稱號。

書籍目錄

第1章  晶體結構1.1  晶體的宏觀特性1.2  晶體的微觀結構1.2.1  空間點陣與基元1.2.2  初基原胞1.2.3  慣用原胞1.2.4  威格納-賽茲原胞1.3  晶體的基本類型1.3.1  二維晶格1.3.2  三維晶格1.3.3  晶系1.4  典型的晶體結構1.4.1  氯化鈉結構1.4.2  氯化銫結構1.4.3  金剛石結構1.4.4  閃鋅礦結構1.4.5  密堆積結構1.4.6  纖維鋅礦結構1.4.7  鈣鈦礦結構1.4.8  方解石結構1.4.9  黃鐵礦結構1.4.10  紅鎳礦和金紅石結構1.4.11  尖晶石結構1.4.12  剛玉結構1.4.13  石榴石結構1.5  晶體的對稱性1.5.1  旋轉對稱性1.5.2  中心反演對稱性1.5.3  鏡像操作1.5.4  旋轉反演操作1.5.5  螺旋操作1.5.6  滑移反映操作1.6  晶面和晶面指數(shù)1.6.1  格點指數(shù)1.6.2  晶向指數(shù)1.6.3  晶面指數(shù)1.6.4  六角晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1.7  晶體的倒格子與布里淵區(qū)1.7.1  倒格子基矢1.7.2  布里淵區(qū)1.7.3  典型晶格的倒格子與布里淵區(qū)的例子1.8  晶體中的x光衍射1.8.1  概述1.8.2 衍射波的振幅與強度1.8.3  決定散射的諸因素1.8.4  產生衍射極大的條件1.8.5  布拉格定律1.8.6  勞厄方程1.8.7  厄瓦爾德反射球1.9  非晶態(tài)材料的結構1.10  準晶態(tài)1.11  群與晶體點陣的分類1.11.1  群的概念1.11.2  7個晶系和14種空間點陣1.11.3  晶體結構的32種點群和230空間群本章小結思考題習題參考文獻第2章  晶體的結合2.1  內能函數(shù)與晶體的性質2.1.1  內能函數(shù)2.1.2  晶體的性質2.2  離子結合2.2.1  離子結合的定義和特點2.2.2  離子晶體的結合能2.2.3  馬德隆常數(shù)的計算2.3  共價結合2.3.1  共價結合的定義2.3.2  共價鍵的特性2.3.3  共價結合的內聚能2.4  金屬結合2.5  范德瓦爾斯結合2.6  氫鍵結合2.7  晶體結合的規(guī)律性本章小結思考題習題參考文獻第3章  晶格振動3.1  一維單原子晶格的振動3.1.1  物理模型與運動方程3.1.2  玻恩-卡曼周期性邊界條件3.1.3  關于格波的討論3.2  一維雙原子鏈的晶格振動3.2.1  模型與色散關系3.2.2  關于聲學波和光學波的討論3.2.3  三維晶格振動3.2.4  格波態(tài)密度函數(shù)3.3  晶格振動的量子化與聲子3.3.1  晶格振動與諧振子3.3.2  能量量子和聲子3.3.3  平均聲子數(shù)3.3.4  確定聲子譜的方法3.3.5  軟模3.4  晶體的熱容3.4.1  概述3.4.2  愛因斯坦模型3.4.3  德拜模型3.4.4  實驗和理論的比較3.4.5  關于德拜溫度的討論3.5  非簡諧效應3.5.1  簡諧近似的局限3.5.2  熱膨脹3.5.3  聲子碰撞與熱傳導3.5.4  N過程和U過程3.5.5  聲子熱導率胗胛露鵲墓叵?3.6  無序系統(tǒng)中的原子振動3.7  聲子晶體3.8  新型負熱膨脹材料本章小結思考題習題參考文獻第4章  固態(tài)電子論基礎4.1  經典自由電子論4.1.1  經典自由電子論4.1.2  歐姆定律的解釋4.1.3  維德曼-夫蘭茲定律的解釋4.1.4  經典自由電子論的缺陷4.2  費米分布函數(shù)與費米能級4.2.1  自由電子的能級和能態(tài)密度4.2.2  費米分布函數(shù)4.2.3  費米能及其相關物理量4.3  索末菲自由電子氣模型4.3.1  索末菲自由電子氣模型4.3.2  自由電子氣的熱容4.4  金屬的熱容、電導與熱導4.4.1  金屬的熱容4.4.2  金屬的電導4.4.3  金屬的熱導4.5  功函數(shù)與接觸電勢差4.5.1  功函數(shù)及熱電子發(fā)射4.5.2  接觸電勢差4.6  經典自由電子論與倫敦方程本章小結思考題習題參考文獻第5章  固體能帶論5.1  固體中電子的共有化和能帶5.2  布洛赫定理5.2.1  周期性勢場5.2.2  布洛赫定理5.2.3  布洛赫定理的證明5.2.4  布洛赫定理的一些重要推論5.3  近自由電子模型5.3.1  近自由電子模型5.3.2  近自由電子的能量與波函數(shù)5.4  緊束縛模型——原子軌道線性組合法5.5  克龍尼克-潘納模型5.6  晶體中電子的準經典運動5.6.1  布洛赫電子的速度5.6.2  布洛赫電子的準動量5.6.3  晶體中電子的加速度和有效質量張量5.7  能帶填充與導電性5.7.1  滿帶5.7.2  空穴5.7.3  導體、半導體和絕緣體5.8  實際晶體的能帶5.8.1  能帶簡并5.8.2  七空間等能面5.8.3  電子回旋共振5.8.4  硅和鍺的能帶結構5.8.5  砷化鎵的能帶結構5.8.6  氮化鎵和氮化鋁的能帶結構5.8.7  碳化硅的能帶結構5.9  能帶計算的其它方法5.10  能帶計算過程與計算軟件簡介本章小結思考題習題參考文獻第6章  晶體中的缺陷6.1  點缺陷6.1.1  幾種典型的點缺陷6.1.2  熱缺陷的統(tǒng)計理論6.1.3  色心6.2  線缺陷6.2.1  晶體的剪切強度6.2.2  位錯的基本類型6.2.3  位錯的運動6.2.4  位錯與晶體性質的關系6.3  面缺陷6.3.1  小角晶界6.3.2  堆垛層錯6.4  擴散和原子的布朗運動6.4.1  擴散的宏觀規(guī)律6.4.2  擴散的微觀機制6.4.3  擴散系數(shù)6.5  半導體中的雜質和缺陷能級6.5.1  施主能級和受主能級6.5.2  缺陷能級6.6  位錯的應力場與彈性應變能6.6.1  位錯的應力場6.6.2  位錯的彈性應變能本章小結思考題習題參考文獻第7章  晶體的導電性7.1  分布函數(shù)與玻耳茲曼方程7.1.1  電子的分布函數(shù)7.1.2  晶體中的電流密度7.1.3  玻耳茲曼方程7.2  晶體中的散射機制7.2.1  半導體中的電子散射機制7.2.2  金屬中的電子散射機制7.3  弛豫時間近似與金屬和半導體的電導率7.3.1  弛豫時間近似7.3.2  金屬的電導率7.3.3  半導體的電導率7.4  遷移率與溫度的關系7.4.1  漂移速度和遷移率7.4.2  平均自由時間與散射概率7.4.3  遷移率與雜質和溫度的關系7.5  電導率與溫度的關系7.5.1  金屬電導率與溫度的關系7.5.2  非簡并半導體的電導率與溫度的關系7.6  超導電性7.6.1  超導態(tài)與超導體7.6.2  超導態(tài)的基本特征7.6.3  倫敦方程7.6.4  BCS理論7.7約瑟夫森效應及意義本章小結思考題習題參考文獻

章節(jié)摘錄

普通物質的存在形式分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。液態(tài)和固態(tài)統(tǒng)稱為凝聚態(tài)，以區(qū)別于氣態(tài)這一種組成物質的分子等微粒之間的相互作用小的存在形式。同態(tài)區(qū)別于氣態(tài)和液態(tài)的特點在于，其組成粒子（可以是原子、離子、分子或它們的基團）的空間位置，在沒有外力作用時，大多不會有宏觀尺寸的變化，在低溫下基本上處在固定的位置。根據(jù)組成粒子空間位置的區(qū)別，即物質結構上的差別，通常將固態(tài)材料分為晶體、準晶體和非晶體三大類。晶體的結構特點是組成粒子在空間的排列具有周期性，表現(xiàn)為既有長程取向有序，又有平移對稱性，這是一種高度長程有序的結構。準晶體中組成粒子的排列也呈有序結構，只是不具有周期性或平移對稱性，而是同時具有長程準周期平移序與晶體學不允許的長程取向序。非晶體中組成粒子的排列沒有一定的規(guī)則，原則上屬于無序結構，由于近鄰原子之間的相互作用，使得數(shù)個原子間距范圍內在某些方面表現(xiàn)出一定的特征，因而可以看成具有一定的短程有序。如無特別說明，本書提到的“固體”都是指周態(tài)的晶體。

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《固體物理基礎》注重使學生能迅速建立相關問題清晰的物理圖像，不讓學生迷失在過于繁雜的計算中，讓學生在學習固體物理知識的過程中，逐漸體會前輩物理學家發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思維方法和思維過程。

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