主讲,宋国利 教授哈尔滨学院物理系
◆ 固体物理学，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社
◆ 固体物理学（上），方俊鑫、陆栋编，上海科学技术出版社主要参考教材绪论第一章 晶体结构第二章 晶体的结合第三章 晶格振动与晶体热学性质第四章 能带理论第五章 半导体 超导体目 录
◆ 物质分类物理学：固体、液体、气体和等离子体化 学：有机物质和无机物质生物学：生命物质和非生命物质固体：晶体、非晶体和准晶体固体物理学,非生命的无机固体
◆ 固体物理学研究对象研究固体的结构，固体中原子间相互作用与运动规律，物理性质绪 论
◆ 固体物理学发展
20世纪 20年代中叶：量子力学和统计物理学绪 论晶体，包括金属、合金、半导体 —— 固体物理学固体中的杂质、缺陷，固体表面与界面，非晶态和准晶态物质，超导体、
超晶格等人工微结构新材料和低维量子结构材料；液体、有机材料、液晶 —— 凝聚态物理学
◆ 固体物理学课程主要内容晶体结构和晶体结合的基本类型，晶格振动和晶格热容的量子理论，固体的能带理论，金属电子的量子理论，半导体能带结构和半导体性质。
物理学是研究探索物质结构，相互作用和运动基本规律的学科绪 论凝聚态物理是研究凝聚态物质的结构、物理性质、机制与规律、原理与应用的学科材料科学与技术侧重于材料的制备工艺、材料的性能与应用、材料器件的设计与应用凝聚态物理侧重于材料结构的形成、粒子之间的相互作用、物理现象和效应产生的机制固体物理学 是凝聚态物理学的主干课程量子力学统计物理学
→ 固体物理学 → 凝聚态物理学 →
半导体物理学光电子学激光物理学金属物理学磁性物理学低温物理学材料物理学纳米物理学半导体器件微电子学非平衡态统计物理学绪 论
◆ 固体物理学的基本问题绪 论固体中原子是怎样排列和结合的？ —— 结构问题固体结构是如何形成的？ —— 结合力问题固体中，电子和原子的运动形态？ —— 量子力学固体的宏观性质与原子运动的关系？ —— 统计物理固体有哪些可能的应用？ —— 物理性质问题
18世纪，阿维观察到晶体外部的几何规则性
1850年，布喇格导出 14种点阵结构十九世纪末费奥多罗夫、熊夫利、巴洛建立了关于晶体对称性的群理论
1905年，洛伦兹建立了自由电子的经典统计理论
1853年，维德曼和夫兰兹通过实验确定了金属导热性和导电性之间关系
1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动
1912年，德拜采用连续介质模型，得到固体低温比热容的温度关系
◆ 固体物理学发展简史绪 论
1933年，迈斯纳发现超导体具有完全的抗磁性
1912年，劳厄发现晶体 X射线衍射现象，证实了晶体内原子周期性结构
1911年，昂内斯发现金属汞在 4.2K具有超导电性现象
1927年，泡利首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性
1928年，索末菲用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。
1931年，威耳逊在提出金属和绝缘体相区别的能带模型，预言介于两者之间存在半导体绪 论
1948年，巴丁、布喇顿以及肖克莱于发明晶体管
1957年，巴丁、库珀和施里弗提出超导微观理论 —— BCS理论
1961年，发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，验证了库珀对
50年代苏联的京茨堡、朗道等建立并论证了超导态宏观波函数的方程组，
导出第二类超导体的基本特性。
1946年，伦敦提出超导电性是宏观量子现象，并预言磁通是量子化的绪 论黄昆 (1919— 2005)
世界著名物理学家、我国固体物理学和半导体物理学的奠基人、中国科学院院士、
2001年度国家最高科学技术奖获得者四十年代，提出固体中杂质缺陷导致Ｘ光漫散射的理论，六十年证实并得到应用，
被称为,黄漫散射,。
1950年同其夫人艾夫合作，首次提出多声子无幅射跃迁理论 ——,黄 ─ 里斯理论,。
1951年，首次提出描述晶体中光学位移、
宏观电场与电极化三者关系的,黄方程,,
1963年拉曼散射实验所证实。
绪 论
1954年,Born（ 1882-1970） 和黄昆合作的
《晶格动力论,—— 一部有世界影响的经典科学专著。
波恩在给爱因斯坦的一封信中写道：“我现在正在同一个中国的合作者黄昆博士完成一本晶格的量子力学的书。书稿内容已完全超越了我的理解，我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西，就很高兴”。
绪 论理论课程首先，从简单晶格的认识到固体内原子结合的方式与相互之间作用；阐述了晶格振动研究的物理思想和方法，晶格振动对固体热容量的贡献。
其次，对固体中电子运动规律展开讨论，利用近自由电子近似和紧束缚方法，阐述了电子能带的形成和物理意义。介绍了在电场和磁场作用下，晶体中电子的运动特点，诠释了导体、半导体和绝缘体的区别。
讨论了金属中电子对固体热容量的贡献。考虑到半导体材料与技术的发展和应用，讨论了半导体的基本能带结构和杂质对半导体性质的影响。
近代物理实验
1、超导材料 YBaCuO电阻随温度变化的关系测量
2,X射线衍射实验
3,半导体泵浦激光原理实验教学安排第一节 晶体的基本性质第二节 晶格第三节 晶格指数第四节 倒格子第五节 晶体的 X射线衍射第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构钻石上的原子
◆ 在晶体中，原子排列具有 周期性,形成长程有序的三维空间结构
NaCl晶体结构图人工石英晶体
◆ 晶体具有规则的几何形状晶体的大小和形状主要受晶体生长技术、生长条件影响（温度、压强等）；晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构
◆ 晶体具有确定的 熔点单晶：长程有序，具有规则的几何外形和物理性质各向异性。
多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒（ 10－ 6～ 10－ 5m） 形成。
晶体的熔化热是破坏晶体有序结构的能量,使其由晶态转化为非晶态。
◆ 物理性质各向异性晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构第二节 晶格第一章 晶体结构晶体结构的基本特征是原子排列的周期性（ Periodicity）
◆ 格点
◆ Bravais点阵晶体中的原子是组成该晶体的基本单元，简称 基元
◆ 晶格（ Lattice）：格点的三维空间结构
Bravais 格子晶格晶体结构＝基元 +晶格第二节 晶格第一章 晶体结构第二节 晶格第一章 晶体结构二维空间格子金属晶格结构 —— 离子与自由电子示意图第二节 晶格第一章 晶体结构原胞
◆ 原胞（ Primitive cell）
能够反映晶体周期性的最小单元；每个原胞只含一个格点第二节 晶格第一章 晶体结构原胞的基矢：
1a?
2a?
3a?
1a 2a 3a
第二节 晶格第一章 晶体结构
)( 321 aaaV
◆ 晶胞（ Unit cell）,能够反映晶格的对称性和周期性的结构单元（ Bravais原胞 ）
cba cba;、、晶胞的基矢：
简立方晶格◆ 简立方晶格的原胞与晶胞第二节 晶格第一章 晶体结构面心立方晶格
◆ 面心立方晶格的原胞与晶胞第二节 晶格第一章 晶体结构
NaCl晶体结构图
◆ 面心立方晶格的原胞与晶胞金属中 Cu,Ag,Au,Al,Pb,Fe-γ,Ni
惰性原子
)(21 kjaa
)(22 kiaa
)(23 jiaa
第二节 晶格第一章 晶体结构体心立方晶格
◆ 体心立方晶格的原胞与晶胞
)(21 kjiaa
)(22 kjiaa
)(23 kjiaa
碱金属（ Li,Na,K,Rb,Cs）
过渡族（ Fe-α,Cr,Mo,W）
第二节 晶格第一章 晶体结构
◆ 体心立方晶格的原胞与晶胞
)(21 kjiaa
)(22 kjiaa
)(23 kjiaa
碱金属（ Li,Na,K,Rb,Cs）
过渡族（ Fe-α,Cr,Mo,W）
第二节 晶格第一章 晶体结构简立方晶格 — CsCI,CsBr,CsI 面心立方晶格 — NaCI,NaBr,NaFLiCI,LiF,MgO,BaO,CaO
◆ 复式晶格与简单晶格第二节 晶格第一章 晶体结构富勒烯石墨第二节 晶格第一章 晶体结构碳纳米管金刚石晶体结构图第二节 晶格第一章 晶体结构
GaAs,ZnS
第二节 晶格第一章 晶体结构
1974年，数学家彭罗斯 (R.Penrose)
两种边长相等锐角为 36℃ 和 72℃
的菱形拼块可以无空隙无交叠地填满整个空间，可拼出五重轴的图案，称彭罗斯拼图。
第二节 晶格第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构晶胞的基矢 cba,,构成晶体的坐标
◆ 晶列与晶向晶列指数 [n1 n2
n3]
1 2 3R n a n b n c
格矢第三节 晶格指数第一章 晶体结构
◆ 晶面指数（ hkl） 表示该晶面族的取向
222 lkhad h k l
◆ 晶格面间距确定该平面在三个晶轴上的截距
1/n1,1/n2,1/n3成正比的三个互质整数
1 2 3R n a n b n c
第三节 晶格指数第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构立方晶格晶面指数
(101)
(021)
(122)
(210)
立方晶格
(100),(001),(010)
(110),(110)
(101),(101)
(011),(011)
第三节 晶格指数第一章 晶体结构第四节 倒格子第一章 晶体结构
)(2 321 aaVb
)(2 132 aaVb
)(2 213 aaVb
◆ 倒格子基矢
)(21 kjab
)(22 kiab
)(23 jiab
体心立方晶格的倒格子
)(21 kjiab
)(22 kjiab
)(23 kjiab
面心立方晶格的倒格子
)(eV1 2 3 9 nmeVhc ＝＝?
劳厄 (1879-1860)
第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构
◆ X射线衍射
nd h k l?s i n2
◆ Bragg衍射公式
Lawrence Bragg
222 lkh
ad h k l
第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构
Henry Bragg
体心立方晶格 (001)晶面一级衍射晶格常数晶格面间距第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构劳埃法第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构原子力显微镜第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构晶体的对称性：变换后，晶格在空间的分布保持不变（重合）
对称操作：变换对称元素：点、线、面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构镜象变换
(x1,x2,x3)→ （ -x1,x2,x3）
反演变换
(x1,x2,x3)→ （ -x1,-x2,-x3）
第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的镜象面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构转动变换,(x1,x2,x3)→ （ x1′,x2′,x3′）
第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的 (100),(110),(101) 和 (011)等效晶面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的 (111)等效晶面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构
◆ 七种晶系：晶胞基矢特征
◆ 14种 Bravais晶格：格点分布特点第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构简单单斜 底心单斜第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构
◆ 固体物理学，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社
◆ 固体物理学（上），方俊鑫、陆栋编，上海科学技术出版社主要参考教材绪论第一章 晶体结构第二章 晶体的结合第三章 晶格振动与晶体热学性质第四章 能带理论第五章 半导体 超导体目 录
◆ 物质分类物理学：固体、液体、气体和等离子体化 学：有机物质和无机物质生物学：生命物质和非生命物质固体：晶体、非晶体和准晶体固体物理学,非生命的无机固体
◆ 固体物理学研究对象研究固体的结构，固体中原子间相互作用与运动规律，物理性质绪 论
◆ 固体物理学发展
20世纪 20年代中叶：量子力学和统计物理学绪 论晶体，包括金属、合金、半导体 —— 固体物理学固体中的杂质、缺陷，固体表面与界面，非晶态和准晶态物质，超导体、
超晶格等人工微结构新材料和低维量子结构材料；液体、有机材料、液晶 —— 凝聚态物理学
◆ 固体物理学课程主要内容晶体结构和晶体结合的基本类型，晶格振动和晶格热容的量子理论，固体的能带理论，金属电子的量子理论，半导体能带结构和半导体性质。
物理学是研究探索物质结构，相互作用和运动基本规律的学科绪 论凝聚态物理是研究凝聚态物质的结构、物理性质、机制与规律、原理与应用的学科材料科学与技术侧重于材料的制备工艺、材料的性能与应用、材料器件的设计与应用凝聚态物理侧重于材料结构的形成、粒子之间的相互作用、物理现象和效应产生的机制固体物理学 是凝聚态物理学的主干课程量子力学统计物理学
→ 固体物理学 → 凝聚态物理学 →
半导体物理学光电子学激光物理学金属物理学磁性物理学低温物理学材料物理学纳米物理学半导体器件微电子学非平衡态统计物理学绪 论
◆ 固体物理学的基本问题绪 论固体中原子是怎样排列和结合的？ —— 结构问题固体结构是如何形成的？ —— 结合力问题固体中，电子和原子的运动形态？ —— 量子力学固体的宏观性质与原子运动的关系？ —— 统计物理固体有哪些可能的应用？ —— 物理性质问题
18世纪，阿维观察到晶体外部的几何规则性
1850年，布喇格导出 14种点阵结构十九世纪末费奥多罗夫、熊夫利、巴洛建立了关于晶体对称性的群理论
1905年，洛伦兹建立了自由电子的经典统计理论
1853年，维德曼和夫兰兹通过实验确定了金属导热性和导电性之间关系
1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动
1912年，德拜采用连续介质模型，得到固体低温比热容的温度关系
◆ 固体物理学发展简史绪 论
1933年，迈斯纳发现超导体具有完全的抗磁性
1912年，劳厄发现晶体 X射线衍射现象，证实了晶体内原子周期性结构
1911年，昂内斯发现金属汞在 4.2K具有超导电性现象
1927年，泡利首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性
1928年，索末菲用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。
1931年，威耳逊在提出金属和绝缘体相区别的能带模型，预言介于两者之间存在半导体绪 论
1948年，巴丁、布喇顿以及肖克莱于发明晶体管
1957年，巴丁、库珀和施里弗提出超导微观理论 —— BCS理论
1961年，发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，验证了库珀对
50年代苏联的京茨堡、朗道等建立并论证了超导态宏观波函数的方程组，
导出第二类超导体的基本特性。
1946年，伦敦提出超导电性是宏观量子现象，并预言磁通是量子化的绪 论黄昆 (1919— 2005)
世界著名物理学家、我国固体物理学和半导体物理学的奠基人、中国科学院院士、
2001年度国家最高科学技术奖获得者四十年代，提出固体中杂质缺陷导致Ｘ光漫散射的理论，六十年证实并得到应用，
被称为,黄漫散射,。
1950年同其夫人艾夫合作，首次提出多声子无幅射跃迁理论 ——,黄 ─ 里斯理论,。
1951年，首次提出描述晶体中光学位移、
宏观电场与电极化三者关系的,黄方程,,
1963年拉曼散射实验所证实。
绪 论
1954年,Born（ 1882-1970） 和黄昆合作的
《晶格动力论,—— 一部有世界影响的经典科学专著。
波恩在给爱因斯坦的一封信中写道：“我现在正在同一个中国的合作者黄昆博士完成一本晶格的量子力学的书。书稿内容已完全超越了我的理解，我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西，就很高兴”。
绪 论理论课程首先，从简单晶格的认识到固体内原子结合的方式与相互之间作用；阐述了晶格振动研究的物理思想和方法，晶格振动对固体热容量的贡献。
其次，对固体中电子运动规律展开讨论，利用近自由电子近似和紧束缚方法，阐述了电子能带的形成和物理意义。介绍了在电场和磁场作用下，晶体中电子的运动特点，诠释了导体、半导体和绝缘体的区别。
讨论了金属中电子对固体热容量的贡献。考虑到半导体材料与技术的发展和应用，讨论了半导体的基本能带结构和杂质对半导体性质的影响。
近代物理实验
1、超导材料 YBaCuO电阻随温度变化的关系测量
2,X射线衍射实验
3,半导体泵浦激光原理实验教学安排第一节 晶体的基本性质第二节 晶格第三节 晶格指数第四节 倒格子第五节 晶体的 X射线衍射第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构钻石上的原子
◆ 在晶体中，原子排列具有 周期性,形成长程有序的三维空间结构
NaCl晶体结构图人工石英晶体
◆ 晶体具有规则的几何形状晶体的大小和形状主要受晶体生长技术、生长条件影响（温度、压强等）；晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构
◆ 晶体具有确定的 熔点单晶：长程有序，具有规则的几何外形和物理性质各向异性。
多晶：短程有序，由单晶构成的晶粒（ 10－ 6～ 10－ 5m） 形成。
晶体的熔化热是破坏晶体有序结构的能量,使其由晶态转化为非晶态。
◆ 物理性质各向异性晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
第一节 晶体的基本性质第一章 晶体结构第二节 晶格第一章 晶体结构晶体结构的基本特征是原子排列的周期性（ Periodicity）
◆ 格点
◆ Bravais点阵晶体中的原子是组成该晶体的基本单元，简称 基元
◆ 晶格（ Lattice）：格点的三维空间结构
Bravais 格子晶格晶体结构＝基元 +晶格第二节 晶格第一章 晶体结构第二节 晶格第一章 晶体结构二维空间格子金属晶格结构 —— 离子与自由电子示意图第二节 晶格第一章 晶体结构原胞
◆ 原胞（ Primitive cell）
能够反映晶体周期性的最小单元；每个原胞只含一个格点第二节 晶格第一章 晶体结构原胞的基矢：
1a?
2a?
3a?
1a 2a 3a
第二节 晶格第一章 晶体结构
)( 321 aaaV
◆ 晶胞（ Unit cell）,能够反映晶格的对称性和周期性的结构单元（ Bravais原胞 ）
cba cba;、、晶胞的基矢：
简立方晶格◆ 简立方晶格的原胞与晶胞第二节 晶格第一章 晶体结构面心立方晶格
◆ 面心立方晶格的原胞与晶胞第二节 晶格第一章 晶体结构
NaCl晶体结构图
◆ 面心立方晶格的原胞与晶胞金属中 Cu,Ag,Au,Al,Pb,Fe-γ,Ni
惰性原子
)(21 kjaa
)(22 kiaa
)(23 jiaa
第二节 晶格第一章 晶体结构体心立方晶格
◆ 体心立方晶格的原胞与晶胞
)(21 kjiaa
)(22 kjiaa
)(23 kjiaa
碱金属（ Li,Na,K,Rb,Cs）
过渡族（ Fe-α,Cr,Mo,W）
第二节 晶格第一章 晶体结构
◆ 体心立方晶格的原胞与晶胞
)(21 kjiaa
)(22 kjiaa
)(23 kjiaa
碱金属（ Li,Na,K,Rb,Cs）
过渡族（ Fe-α,Cr,Mo,W）
第二节 晶格第一章 晶体结构简立方晶格 — CsCI,CsBr,CsI 面心立方晶格 — NaCI,NaBr,NaFLiCI,LiF,MgO,BaO,CaO
◆ 复式晶格与简单晶格第二节 晶格第一章 晶体结构富勒烯石墨第二节 晶格第一章 晶体结构碳纳米管金刚石晶体结构图第二节 晶格第一章 晶体结构
GaAs,ZnS
第二节 晶格第一章 晶体结构
1974年，数学家彭罗斯 (R.Penrose)
两种边长相等锐角为 36℃ 和 72℃
的菱形拼块可以无空隙无交叠地填满整个空间，可拼出五重轴的图案，称彭罗斯拼图。
第二节 晶格第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构晶胞的基矢 cba,,构成晶体的坐标
◆ 晶列与晶向晶列指数 [n1 n2
n3]
1 2 3R n a n b n c
格矢第三节 晶格指数第一章 晶体结构
◆ 晶面指数（ hkl） 表示该晶面族的取向
222 lkhad h k l
◆ 晶格面间距确定该平面在三个晶轴上的截距
1/n1,1/n2,1/n3成正比的三个互质整数
1 2 3R n a n b n c
第三节 晶格指数第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构第三节 晶格指数第一章 晶体结构立方晶格晶面指数
(101)
(021)
(122)
(210)
立方晶格
(100),(001),(010)
(110),(110)
(101),(101)
(011),(011)
第三节 晶格指数第一章 晶体结构第四节 倒格子第一章 晶体结构
)(2 321 aaVb
)(2 132 aaVb
)(2 213 aaVb
◆ 倒格子基矢
)(21 kjab
)(22 kiab
)(23 jiab
体心立方晶格的倒格子
)(21 kjiab
)(22 kjiab
)(23 kjiab
面心立方晶格的倒格子
)(eV1 2 3 9 nmeVhc ＝＝?
劳厄 (1879-1860)
第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构
◆ X射线衍射
nd h k l?s i n2
◆ Bragg衍射公式
Lawrence Bragg
222 lkh
ad h k l
第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构
Henry Bragg
体心立方晶格 (001)晶面一级衍射晶格常数晶格面间距第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构劳埃法第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构原子力显微镜第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构第五节 晶体的 X射线衍射第一章 晶体结构第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构晶体的对称性：变换后，晶格在空间的分布保持不变（重合）
对称操作：变换对称元素：点、线、面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构镜象变换
(x1,x2,x3)→ （ -x1,x2,x3）
反演变换
(x1,x2,x3)→ （ -x1,-x2,-x3）
第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的镜象面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构转动变换,(x1,x2,x3)→ （ x1′,x2′,x3′）
第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的 (100),(110),(101) 和 (011)等效晶面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构立方晶体的 (111)等效晶面第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构
◆ 七种晶系：晶胞基矢特征
◆ 14种 Bravais晶格：格点分布特点第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构简单单斜 底心单斜第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构第六节 晶体的对称性第一章 晶体结构
