固體物理基礎(chǔ)概論省公共課一等獎全國賽課獲獎?wù)n件

固體物理基礎(chǔ)

主講教師：孫會元第1頁教學(xué)網(wǎng)頁1：學(xué)院教學(xué)網(wǎng)站進(jìn)入方式2：學(xué)校主頁—機(jī)構(gòu)設(shè)置—黨政機(jī)構(gòu)—教務(wù)處—網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺—課程展示—物理科學(xué)與信息工程學(xué)院—固體物理地址：33/gtwl/kcjs.html教學(xué)網(wǎng)頁2：教務(wù)處網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)入方式1：學(xué)校主頁—校內(nèi)資源—網(wǎng)絡(luò)教學(xué)（或?qū)W分制選課系統(tǒng)—網(wǎng)絡(luò)教學(xué)—BB平臺）課程內(nèi)容鏈接地址第2頁緒論一、固體物理基礎(chǔ)內(nèi)容三、怎樣學(xué)好固體物理學(xué)二、固體物理基礎(chǔ)地位四、參考書目第3頁固體通常指在承受切應(yīng)力時含有一定程度剛性物質(zhì)，在壓強(qiáng)和溫度一定，且無外力作用時，它形狀和體積保持不變。包含晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體。一、固體物理基礎(chǔ)內(nèi)容1．概念

固體物理學(xué)是研究固體性質(zhì)、它微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動同固體宏觀性質(zhì)關(guān)系學(xué)科。第4頁

組成晶態(tài)固體粒子在空間周期性排列,含有長程序,它對稱性是破缺。非晶體與晶體相反，其組成粒子在空間分布是完全無序或僅僅含有短程序,含有高度對稱性。準(zhǔn)晶介于晶體和非晶體之間，粒子在空間分布有序，但不含有周期性，僅僅含有長程取向序。

固體物理研究對象以晶體為主。第5頁第6頁準(zhǔn)晶第7頁

2.固體物理學(xué)基本任務(wù)：是企圖從微觀上去解釋固體材料宏觀物性，并說明其規(guī)律。固體物理是建立在周期性和單粒子近似下簡單理論。

3.

固體物理學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1）深入熟悉以前所學(xué)理論物理（量子力學(xué)、熱統(tǒng)等）知識作用。

2）固體物理基礎(chǔ)強(qiáng)調(diào)對固體物理學(xué)科學(xué)方法、物理圖象以及模型建立了解。要求掌握固體物理學(xué)基本概念、基本模型和方法并了解它們在各類技術(shù)中應(yīng)用。第8頁3）固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)、微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)，所以希望經(jīng)過本課程學(xué)習(xí)，掌握從事凝聚態(tài)物理和材料物理研究工作起碼基礎(chǔ)，以及深入學(xué)習(xí)固體理論和凝聚態(tài)物理學(xué)所需要基本概念和知識。

4．固體物理基本問題和研究內(nèi)容1）固體物理學(xué)基本問題第9頁簡單地說，固體物理學(xué)基本問題有：固體是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結(jié)合？這種結(jié)構(gòu)是怎樣形成？在特定固體中，電子和原子取什么樣詳細(xì)運(yùn)動形態(tài)？它宏觀性質(zhì)和內(nèi)部微觀運(yùn)動形態(tài)有什么聯(lián)絡(luò)？各種固體有哪些可能應(yīng)用？怎樣設(shè)計和制備自然界中不存在固體材料并含有奇異物性？第10頁2）固體物理包括內(nèi)容有：

晶體學(xué)物理、非晶態(tài)物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、相變物理、電介質(zhì)物理、磁性物理、低溫物理、高壓物理、超導(dǎo)體物理、表面物理、納米電子學(xué)等。5．固體物理建立和發(fā)展固體物理學(xué)科建立和發(fā)展表達(dá)在了下面幾個方面：1）晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)知；第11頁2）晶體結(jié)合認(rèn)知；3）晶格振動和固體比熱容認(rèn)識和發(fā)展；4）缺點(diǎn)認(rèn)知；5）固體電子論發(fā)展；6）相變研究；7）固體磁性；8）超導(dǎo)現(xiàn)象認(rèn)識和發(fā)展；9）半導(dǎo)體物理研究及無序系統(tǒng)和一些新進(jìn)展等

第12頁上述不一樣方面研究結(jié)果造成了固體物理誕生。1940年，塞茲(Seitz)專著《近代固體理論》為以后固體物理學(xué)教材提供了樣板。之后，伴伴隨固體物理學(xué)迅猛發(fā)展，他們從1955年開始，幾乎每年都要出一本《固體物理學(xué)——研究與應(yīng)用進(jìn)展》，方便搜集各分支最新進(jìn)展綜述，一致連續(xù)到今天。

我國老一輩科學(xué)家黃昆、程開甲等最早在國內(nèi)開展了固體物理課程第13頁從固體物理發(fā)展能夠看出，固體物理包含內(nèi)容非常廣泛。國內(nèi)外多數(shù)固體物理教材都是按照固體物理發(fā)展次序編排。各章節(jié)之間缺乏聯(lián)絡(luò)，就好像散落珍珠一樣，缺乏一條根本把它們串起來，這對首次接觸固體物理學(xué)生來說，感到很迷惑，摸不著頭緒。有沒有可能找到一條根本，把散落知識點(diǎn)聯(lián)絡(luò)在一起呢？第14頁以固體電子論發(fā)展為根本能夠把散落知識點(diǎn)聯(lián)絡(luò)在一起。首先從金屬自由電子論講起，在領(lǐng)會該模型巨大成功時也要知道該模型不足。并指出這些不足就是因?yàn)楹雎粤穗x子實(shí)和電子之間相互作用造成，為此必須加以修正。而要考慮離子實(shí)和電子相互作用，就必須知道離子實(shí)在晶體中排列方式。由此引入第二章晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容。有了晶體結(jié)構(gòu)知識以后，就能夠修改自由電子模型了。在周期勢單電子近似下，晶體電子能譜展現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)，從而引入第三章能帶論內(nèi)容。第15頁在能帶論講述中，經(jīng)過絕熱近似使學(xué)生認(rèn)識到晶格體系和電子體系能夠分開處理，為第四章晶格振動打下伏筆。經(jīng)過晶格振動講述引入聲子概念，從而能夠用電子、聲子來描述固體中輸運(yùn)問題了，這就是第五章固體輸運(yùn)現(xiàn)象內(nèi)容。經(jīng)過金屬、半導(dǎo)體電、熱、光輸運(yùn)特征，尤其是電阻產(chǎn)生機(jī)制，為第六章晶體結(jié)合、晶體缺點(diǎn)和相圖引入做好鋪墊。這么，就以固體電子論發(fā)展為根本把各個知識點(diǎn)結(jié)合在了一起。

第16頁而且從教學(xué)進(jìn)度來說，采取這么體系編排，科學(xué)、有效。因?yàn)榈谝?、二兩章?nèi)容，相對輕易了解，輕易入門。而第三章能帶論作為固體物理最主要且最難內(nèi)容，恰好處于一個學(xué)期中間。此時，學(xué)生對教師講課格調(diào)也已經(jīng)適應(yīng)了，而且精力集中，易于消化難點(diǎn)。到了期末，靠近考試了，此時介紹晶體結(jié)合、晶體缺點(diǎn)等學(xué)生能夠自學(xué)內(nèi)容，自然輕松合理。第17頁6.教材內(nèi)容和課時分配第一章金屬自由電子費(fèi)米氣體模型(10課時)

第二章晶體結(jié)構(gòu)(19課時)第三章能帶論(23課時)第四章晶格振動(10課時)第五章輸運(yùn)現(xiàn)象(5課時)第六章晶體結(jié)合、晶體缺點(diǎn)和相圖(5課時)第18頁7.教學(xué)要求

1)掌握金屬自由電子模型內(nèi)容并學(xué)會利用該模型對金屬電、熱、光等物性進(jìn)行分析；

2)掌握晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、晶格特征、晶體對稱性和分類、倒格子以及X射線衍射；

3)掌握固體能帶論基本內(nèi)容、布洛赫定理、會利用近自由電子近似和緊束縛近似方法討論能帶形成；

4)掌握一維晶體振動模式色散關(guān)系，晶格振動量子化、聲子概念、會用愛因斯坦模型和德拜模型解釋固體比熱性質(zhì)以及確定振動譜試驗(yàn)方法；第19頁5)了解固體輸運(yùn)現(xiàn)象；6)掌握晶體結(jié)合類型和結(jié)合性質(zhì)；7)掌握晶體缺點(diǎn)類型，晶體缺點(diǎn)熱力學(xué)統(tǒng)計數(shù)目；8)了解熱缺點(diǎn)運(yùn)動、產(chǎn)生和復(fù)合以及缺點(diǎn)擴(kuò)散微觀機(jī)制，熱缺點(diǎn)在外力下運(yùn)動；9)了解相圖8固體物理與當(dāng)代科技第20頁日本京都大學(xué)SPM(ScanningProbeMicroscopy)精工制造第21頁美國VeecoDISPM

SPM(ScanningProbeMicroscopy)第22頁第23頁第24頁不一樣放大倍數(shù)下蝴蝶翅膀第25頁AAO模板第26頁超薄AAO結(jié)構(gòu)色第27頁第28頁51歲安德烈·海姆36歲諾沃肖洛夫

石墨烯Graphene

第29頁第30頁曼徹斯特大學(xué)最近公布波紋式石墨烯薄片示意圖這是當(dāng)前世界上最薄材料，僅有一個原子厚，是物理學(xué)和材料學(xué)熱門話題Ultra-ThinMaterial

第31頁超導(dǎo)磁懸浮第32頁MagneticDomainsbyMagneto-opticalEffect第33頁包鈷氧化鐵鐵合金鋇鐵氧體CrO20.2m第34頁計算機(jī)硬盤第35頁計算機(jī)硬盤第36頁德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾法國科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾諾貝爾物理學(xué)獎---巨磁電阻效應(yīng)（GMR)第37頁第38頁磁渦旋核結(jié)構(gòu)（MagneticVortexcore)第39頁QuantumDesignMagneticPropertyMeasurementSystem(MPMS).第40頁電子束刻蝕設(shè)備EB第41頁因?yàn)楣腆w物理本身是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)，也因?yàn)楣腆w物理學(xué)科內(nèi)在原因，固體物理研究論文已占物理學(xué)中研究論文三分之一以上。同時，固體物理學(xué)成就和試驗(yàn)伎倆對物理化學(xué)、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地學(xué)等影響日益增加，正在形成新交叉領(lǐng)域。第42頁

大學(xué)物理類專業(yè)、材料類專業(yè)基礎(chǔ)課。它是理論物理基礎(chǔ)之上普通物理；

凝聚態(tài)物理專業(yè)主要基礎(chǔ)課程；碩士碩士和博士碩士入學(xué)必考課程；二、固體物理基礎(chǔ)地位

是了解物體導(dǎo)電、發(fā)光、發(fā)燒、超導(dǎo)、磁性等基礎(chǔ)；第43頁

1.課上認(rèn)真聽講；

2.課下注意梳理；4.適看成些習(xí)題三、怎樣學(xué)好固體物理學(xué)?3.概念及時掌握；5.充分利用網(wǎng)絡(luò)資源第44頁四、參考書目2.黃昆原著、韓汝琦改編；固體物理學(xué)-高等教育出版社,19883.方俊鑫，陸棟；固體物理學(xué)（上冊、下冊）上?？萍汲霭嫔?，19814.基泰爾（C.Kittel5thedition）著，楊順華等譯，固體物理導(dǎo)論，科學(xué)出版社，19791.孫會元主編，固體物理基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，第45頁

5.方可,胡述楠,張文彬主編;固體物理學(xué),重慶大學(xué)出版社,19936.陳金福主編固體物理學(xué)—學(xué)習(xí)參考書高等教育出版社,19867.宗祥福，翁渝民編著，材料物理基礎(chǔ)，復(fù)旦大學(xué)出版社，.128.閻守勝..固體物理基礎(chǔ).北京：北京大學(xué)出版社9.韋丹著，固體物理-清華大學(xué)出版社,.6第46頁10.YuriM.Galperin，IntroductiontoModernSolidStatePhysics，DepartmentofPhysics,P.O.Box1048Blindern,0316Oslo,Room427APhone:+4722856495,11.JosephCallaway,QuantumtheoryoftheSolidState(studentedition),APNewYok(1976)第47頁1．固體物理習(xí)題詳解吳代鳴解答kittlel，1980年，吉林人民出版社(130)2．固體物理學(xué)習(xí)題指導(dǎo)劉友之等編，1988年，高等教育出版社（575）3．固體物理學(xué)問題和習(xí)題黃波等編，1988年，國防工業(yè)出版社(530)4．固體物理學(xué)習(xí)題解答徐至