晶体的特征课件

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1、主要参考书主要参考书 1）胡安）胡安固体物理学固体物理学，高教出版社，高教出版社O48/HA0 2）黄昆）黄昆固体物理学固体物理学，高教出版社，高教出版社O48/HK0 3）杨兵初）杨兵初固体物理学固体物理学,中南大学出版社中南大学出版社O48/ZX7 4）王矜奉）王矜奉固体物理教程固体物理教程第第4版版,山东大学出版社山东大学出版社O48/WJ6 5）季振国）季振国半导体物理半导体物理,浙江大学出版社浙江大学出版社O47/JZ7 6）美美C.基泰尔（基泰尔（Charles Kittel）固体物理导论，）固体物理导论，化工出版社化工出版社O48/JT5 课程基本要求课程基本要求 1.学时：学时

2、：54学时（无实验教学）。学时（无实验教学）。2.内容：内容：第第1，2，3，5，6，7章。先修：热统、量子。章。先修：热统、量子。3.考核：考核：期末期末80%，平时，平时20%（作业、课堂、答疑）。（作业、课堂、答疑）。4.作业：作业：教材习题。教材习题。学习委员收；批改一半；缺学习委员收；批改一半；缺1/3取消考试资格。取消考试资格。5.答疑：答疑：周四下午周四下午1517点。章辉楼点。章辉楼541室。室。电话：，电话：，6181048。邮箱：邮箱：固体固体晶体晶体:非晶体非晶体:准晶体准晶体:长程有序长程有序（周期性）（周期性）至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。至少在微米量级范围

3、内原子排列具有周期性。长程有序长程有序:课程概述课程概述 一、研究对象一、研究对象 固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。NaCl结构结构二维蜂窝结构二维蜂窝结构石墨石墨晶体周期性示例：晶体周期性示例：固体固体晶体晶体:非晶体非晶体:准晶体准晶体:长程有序长程有序（周期性）（周期性）无周期性无周期性（长程无（长程无序序，短程有序）；，短程有序）；有对称性。有对称性。单晶体单晶体多晶体多晶体至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。至少在微米量级范围内原子排

4、列具有周期性。长程有序长程有序:课程概述课程概述 一、研究对象一、研究对象 固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。非晶体非晶体：原子排列：原子排列不具有长程不具有长程的周期性，但基本保留了的周期性，但基本保留了短程有序短程有序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离(键长键长)、近邻原子配置的几何方位、近邻原子配置的几何方位(键角键角)都与晶体相近。都与晶体相近。具具有对称性有对称性。非晶体结构的非晶体结构

5、的长程无序排列长程无序排列小资料：小资料：我们吃的盐是我们吃的盐是氯化钠氯化钠的结晶，的结晶，味精味精是谷氨酸钠的是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花冰花和天上飘下的和天上飘下的雪花雪花，是，是水的结晶。水的结晶。“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体光的未必就不是晶体”。每家厨房中常见的每家厨房中常见的砂糖砂糖、盐盐、碱碱、冰冰是晶体；每是晶体；每个人身上的个人身上的牙齿牙齿、骨骼骨骼是晶体；半导体、工业中的是晶体；半导体、工业中的矿矿物岩石物岩石是晶体；日常见到的各种是晶体；日常见到的各种金属金属及及合金

6、制品合金制品也属也属晶体；就连地上的晶体；就连地上的泥土砂石泥土砂石都是晶体。都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶等之外，几乎都是晶体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。固体固体晶体晶体:非晶体非晶体:准晶体准晶体:长程有序长程有序（周期性）（周期性）无周期性无周期性（短程有序，长程无（短程有序，长程无序序）；有对）；有对称性。称性。无周期性无周期性；有一定的有序性。有一定的有序性。单晶体单晶体多晶体多晶体

7、至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。长程有序长程有序:课程概述课程概述 一、研究对象一、研究对象 固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组固体物理学：研究固体的结构、性能、用途；组成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。成固体的粒子（原子、离子、电子）之间的相互作用。PenrosePenrose拼接图案拼接图案 准晶体：准晶体：没有长程的平移对称性（周期性），但具有一定的没有长程的平移对称性（周期性），但具有一定的有序性。可以用有序性。可以用Penrose拼接图案显示其结构特点。拼接图案显示其结构特点。19841984年：快速冷却年：快速冷

8、却AlMnAlMn合金得到合金得到5 5度对称的准晶（无周期性，度对称的准晶（无周期性，但有一定的有序性：夹角但有一定的有序性：夹角 ，5 5个对称轴的长度只有个对称轴的长度只有1 1或两种）或两种）52 总之，固体分为晶体、非晶、准晶。几十年来，总之，固体分为晶体、非晶、准晶。几十年来，固体物理学主要研究对象是晶体，近些年才真正开始固体物理学主要研究对象是晶体，近些年才真正开始研究非晶和准晶。研究非晶和准晶。本课程：研究晶体的结构、结合、晶格振动、能本课程：研究晶体的结构、结合、晶格振动、能带、金属、半导体。带、金属、半导体。二、课程体系二、课程体系预备知识（统计物理，量子力学）预备知识（统

9、计物理，量子力学）晶体结构晶体结构周期性周期性对称性对称性晶体结合晶体结合结合类型结合类型结合能结合能晶格动力学晶格动力学格波格波声子声子热学性质热学性质 能带论能带论布洛赫波布洛赫波近自由电子近似近自由电子近似紧束缚近似紧束缚近似准经典近似准经典近似 金属电子论金属电子论自由电子模型自由电子模型比热比热电导率电导率热导率热导率半导体半导体 电子论电子论三、学习方法三、学习方法1.1.先修知识：先修知识：统计物理（三种统计方法）统计物理（三种统计方法）量子力学（薛定谔方程，微扰论）量子力学（薛定谔方程，微扰论）2.2.深度与广度：深度与广度：考试与考研；专题；扩展。考试与考研；专题；扩展。3.

10、3.题量要保证。题量要保证。1.1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性1.2 空间点阵空间点阵1.3 晶格的周期性（含典型晶体结构）晶格的周期性（含典型晶体结构）1.4 密堆积、配位数密堆积、配位数1.5 晶面和晶向晶面和晶向1.6 晶体的宏观对称性晶体的宏观对称性1.7 倒格子倒格子1.8 晶体结构的实验确定晶体结构的实验确定第第1 1章章 晶体结构晶体结构 长程有序（周期性）长程有序（周期性）固定的熔点固定的熔点 自限性与解理性自限性与解理性 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 晶体的各向异性晶体的各向异性1 1 晶体的宏观晶体的宏观特性特性 晶体具有自发地形成封闭凸多面体的能力，称为晶体具有自发地形

11、成封闭凸多面体的能力，称为自限性自限性。晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的解理性解理性，这样的晶面称为这样的晶面称为解理面解理面。3.自限性与解理性自限性与解理性1.长程有序长程有序 粒子排列具有三维周期性、对称性。粒子排列具有三维周期性、对称性。可用可用X射线衍射研究晶体的周期性结构。射线衍射研究晶体的周期性结构。2.固定的熔点固定的熔点 给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中温度保持不变，直到晶体全部熔化，温度化，且在熔化过程中温度保持不变，直到晶体全部

12、熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。才开始上升，即晶体有固定的熔点。1 1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性 晶面的交线称为晶面的交线称为晶棱晶棱，晶棱互，晶棱互相平行的晶面的组合称为相平行的晶面的组合称为晶带晶带，如，如右图中右图中a1b2。1abcd2 互相平行的晶棱的共同互相平行的晶棱的共同方向方向称为该晶带的称为该晶带的带轴带轴。晶轴晶轴是重要是重要的带轴。如右图中的带轴。如右图中OO。食盐：立方体，六面体，混合体食盐：立方体，六面体，混合体4.晶面角守恒定律晶面角守恒定律属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。石英晶体：石

13、英晶体：a、b 间夹角总是间夹角总是14147；a、c 间夹角总是间夹角总是11308；b、c 间夹角总是间夹角总是12000。5.晶体的各向异性晶体的各向异性 在不同方向上，晶体的物理性质不同。在不同方向上，晶体的物理性质不同。（电阻率、导电性能、导热性能、介电常（电阻率、导电性能、导热性能、介电常数、光的折射、弹性、硬度等）数、光的折射、弹性、硬度等）OO1O ClAC1A*AB）面示意图晶体结构（100NaCl 由右图可以看出，在不同的方向上晶由右图可以看出，在不同的方向上晶体中原子排列情况不同，故其性质不同体中原子排列情况不同，故其性质不同（电阻率、（电阻率、导电性能、导热性能、导电性

14、能、导热性能、介电常介电常数等，要用张量表示）。数等，要用张量表示）。各向异性是区别晶体与非晶体的重要特征。各向异性是区别晶体与非晶体的重要特征。晶体为什么具有这些宏观特性呢晶体为什么具有这些宏观特性呢?晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即即晶体的宏观特性是微观晶体的宏观特性是微观周期性周期性、对称性对称性的反映。的反映。长程有序、长程有序、固定的熔点固定的熔点、自限性自限性与与解理性解理性、晶面角守恒晶面角守恒、晶体的各向异性晶体的各向异性。晶体的宏观特性：晶体的宏观特性：小资料：小资料：晶体和非晶体的主要区别晶体和非晶体的主要区别 在

15、外形上：晶体具有规则的几何形状，而非晶体则没有。在外形上：晶体具有规则的几何形状，而非晶体则没有。食盐晶体、明矾晶体、石英晶体的形状虽然各不相同，但都食盐晶体、明矾晶体、石英晶体的形状虽然各不相同，但都有规则的几何形状，所以食盐、明矾、石英都是晶体，有些晶体有规则的几何形状，所以食盐、明矾、石英都是晶体，有些晶体可以有各种不同的几何形状，例如雪花可以有多种不同的几何形可以有各种不同的几何形状，例如雪花可以有多种不同的几何形状。状。非晶体没有规则的几何形状非晶体没有规则的几何形状。在物理性质上：晶体具有各向异性，而在物理性质上：晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同非晶体则是各向同性的性的。例如晶体在不同的方向上可以有不同的硬度、弹性、导热性例如晶体在不同的方向上可以有不同的硬度、弹性、导热性能、导电性能等。能、导电性能等。在熔点上：晶体具有一定的熔点，而在熔点上：晶体具有一定的熔点，而非晶体则没有一定的非晶体则没有一定的熔点熔点。【特别提示特别提示】判断晶体与非晶体的依据是看它们有无确定的判断晶体与非晶体的依据是看它们有无确定的熔点熔点。只有单晶体才具有确定的几何形状和各向异性的特点只有单晶体才具有确定的几何形状和各向异性的特点；多晶体和多晶体和非晶体没有确定的几何形状，在物理性质上是各向同性的。非晶体没有确定的几何形状，在物理性质上是各向同性的。