固体物理学习心得.docx
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固体物理学习心得
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固体物理学习心得
篇一:
学习固体物理后的感想
学习固体物理的感受
经过了十几周的学习,我们这门《固体物理学》也结束了最后的任务,虽然说这门课对于咱们专业的同学来说总体上难度很大,但是在您的指导下,同学们还是基本能够按时出勤,最重要的是达到了开设这门课的最初用意,能够为我们以后学习和了解更多物理学相关的知识打下良好的基础。
本课程是材料科学与工程专业的物理类基础课,包括晶格结构、晶格振动与热性质、固体电子理论、半导体、固体磁性质、绝缘体、介电体等部分。
这门课程系统介绍固体物理研究的基本理论与重要试验方法提示丰富多彩的固体形态(如金属、绝缘体、磁性材料等)形成的基本物理规律,给出研究这些固体的实验(如x光衍射、中子散射、磁散射等)设计的基本原理。
简单地说,固体物理学的基本问题有:
固体是由什么原子组成?
它们是怎样排列和结合的?
这种结构是如何形成的?
在特定的固体中,电子和原子取什么样的具体的运动形态?
它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系?
各种固体有哪些可能的应用?
探索设计和制备新的固体,研究其特性,开发其应用。
其实固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。
固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质,包括晶体和非晶态固体。
固体的内部结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简单,而且具有明显的规律性,较易研究。
晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷,它们对固体的物性,
以及功能材料的技术性能都起重要的作用。
半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷;大规模集成电路的工艺中控制和利用杂质及缺陷是极为重要的。
非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别,这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。
从结构上来分,非晶态固体有两类。
一类是成分无序,在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子或者不同的磁矩;另一类是结构无序,表征长程序的周期性完全破坏,点阵失去意义。
但近邻原子有一定的配位关系,类似于晶体的情形,因而仍然有确定的短程序。
在无序体系中,电子态有局域态和扩展态之分。
在局域态中的电子只有在声子的合作下才能参加导电,这使得非晶态半导体的输运性质具有新颖的特点。
1974年人们掌握了在非晶硅中掺杂的技术,现在非晶硅已成为制备高效率太阳能电池的重要材料。
无序体系是一个复杂的新领域,非晶态固体实际上是一个亚稳态。
目前对许多基本问题还存在着争论,有待进一步的探索和研究。
新的实验条件和技术日新月异,为固体物理不断开拓出新的研究领域。
极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段,使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用,晶体管发明以后,集成电路技术迅速发展,电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。
其经济影响和社会影响是革命性
的。
这种影响甚至在日常生活中也处处可见的。
由以上分析我们看到,学生在学习固体物理时,一不留神,学习中便会出现问题、出现障碍。
这就要求同学们一开始在思想上便要给予足够的重视,同时要和老师密切合作,认真听讲、虚心学习是必要的。
由于考试制度没改变,所以尽管不少人高呼什么素质教育、渗透式教育、创造式教育,但当前的教育基本上还是应试教育。
就当前的考试制度而言,死读书、死背书是免不了的。
就是说,主要的公式、定理、定义、结论还必须记住。
学号:
132411151姓名:
姚松
篇二:
固体物理学习总结
第二章
1、晶体有哪些宏观特性?
答:
晶体的有序性、各向异性、周期性、对称性、固定的熔点
这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。
说明晶体宏观特性是微观特性的反映
2、什么是空间点阵?
答:
晶体可以看成由相同的格点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统,这些格点的总和称为点阵(布拉菲点阵)。
3、什么是简单晶格和复式晶格?
答:
简单晶格:
如果晶体由完全相同的一种原子组成,且每个原子周围的情况完全相同,则这种原子所组成的网格称为简单晶格。
复式晶格:
如果晶体的基元由两个或两个以上原子组成,相应原子分别构成和格点相同的网格,称为子晶格,它们相对位移而形成复式晶格。
4、试述固体物理学原胞和结晶学原胞的相似点和区别。
答:
(1)固体物理学原胞(简称原胞)
构造:
取一格点为顶点,由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量,以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。
特点:
格点只在平行六面体的顶角上,面上和内部均无格点,平均每个固体物理学原胞包含1个格点。
它反映了晶体结构的周期性。
是最小单位。
(2)结晶学原胞(简称晶胞)
构造:
使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向,它具有明显的对称性和周期性。
特点:
结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点,面上及内部亦可有格点。
其体积不一定最小,是固体物理学原胞体积的整数倍。
反应对称性。
5、晶体的7大晶系
6、答:
七大晶系:
三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。
立方:
简单立方、体心立方、面心立方
7.密堆积结构包含哪两种?
各有什么特点?
答:
(1)六角密积
第一层:
每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号1,2,3,4,5,6。
第二层:
占据1,3,5空位中心。
第三层:
在第一层球的正上方形成AbAbAb······排列方式。
六角密积是复式格,其布拉维晶格是简单六角晶格。
(2)立方密积
第一层:
每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号为1,2,3,4,5,6。
第二层:
占据1,3,5空位中心。
第三层:
占据2,4,6空位中心,按AbcAbcAbc······方式排列,形成面心立方结构,称为立方密积。
8.倒格子与正格子(5个性质)
9.晶向指数、晶面指数、密勒指数
10.等效晶向与等效晶面
第三章
1、什么是晶体的结合能,按照晶体的结合力的不同,晶体有哪些结合类型及其结合力是什么力?
答:
晶体的结合能就是将自由的原子(离子或分子)结合成晶体时所释放的能量。
结合类型:
离子晶体—离子键分子晶体—范德瓦尔斯力共价晶体—共价键
金属晶体—金属键氢键晶体—氢键
2、原子间的排斥力主要是什么原因引起的?
库仑斥力与泡利原理引起的
3.金属晶体的特点、一般金属晶体的结构,最大配位数
答:
特点:
良好的导电性和导热性,较好的延展性,硬度大,熔点高。
金属性的结合方式导致了金属的共同特性。
金属结合中的引力来自于正离子实与负电子气之间的库仑相互作用,而排斥力则有两个来源,由于金属性结合没有方向性要求的缘故,所以金属具有很大的塑性,即延展性较好。
金属晶体多采用立方密积(面心立方结构)或六角密积,配位数均为12;少数金属为体心立方结构,配位数为8。
4、为什么分子晶体是密堆积结构?
答:
由于范德瓦耳斯力引起的吸引能与分子间的距离r的6次方成反比,因此,只有当分子间的距离r很小时范德瓦耳斯力才能起作用。
而分子晶体的排斥能与分子间的距离r的12次方成反比,因此排斥能随分子间的距离增加而迅速减少。
范德瓦耳斯力没有方向性,也不受感应电荷是否异同号的限制,因此,分子晶体的配位数越大越好。
配位数越大,原子排列越密集,分子晶体的结合能就越大,分子晶体就越稳定,在自然界排列最密集的晶体结构为面心立方或六方密堆积结构。
5、一维单、双原子链振动模型与色散关系(求解、结论)
6、玻恩卡门条件
答:
(1)方便于求解原子运动方程.
(2)与实验结果吻合得较好.
玻恩卡门条件是晶格振动理论的前提条件.实验测得的振动谱与理论相符的事实说明,玻恩卡门周期性边界条件是目前较好的一个边界条件.
7、什么叫格波?
答:
晶格中的原子振动是以角频率为ω的平面波形式存在的,这种波就叫格波。
8、为什么把格波分为光学支与声学支?
答:
因为晶格振动波矢为n,格波支数为mp,这其中,m支为声学支,m(p-1)支为光学支。
9、长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?
答:
长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动,振动频率较高,它包含了晶格振动频率最高的振动模式.长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移,原胞做整体运动,振动频率较低,它包含了晶格振动频率最低的振动模式,波速是一常数.任何晶体都存在声学支格波,但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.
10、什么叫声子?
与光子有何区别?
答:
将格波的能量量子(hw)叫声子。
声子和光子的区别:
光子是一种真实粒子,它可以在真空中存在;但声子是人们为了更好地理解和处理晶格集体振动设想出来的一种粒子,它不能游离于固体之外,更不能跑到真空中,离开了晶格振动系统,也就无所谓声子,所以,声子是种准粒子。
声子和光子一样,是玻色子,它不受泡利不相容原理限制,粒子数也不守恒,并且服从玻色-爱因斯坦统计。
11、爱因斯坦模型、为什么爱因斯坦模型计算的热容在低温下与实验值不符?
答:
爱因斯坦对晶格振动采用了一个极简单的假设,即晶格中的各原子振动都是独立的,这样所有原子振动都有同一频率。
按照爱因斯坦温度的定义,爱因斯坦模型的格波的频率属于光学支频率.但光学格波在低温时对热容的贡献非常小,低温下对热容贡献大的主要是长声学格波.也就是说爱因斯坦没考虑声学波对热容的贡献是爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源.
12.德拜模型、为什么温度很低时,德拜近似与实验符合较好,爱因斯坦近似与实验结果的偏差增大?
为什么德拜近似还不能与实验完全符合?
答:
在极低温下,不仅光学波得不到激发,而且声子能量较大的短声学格波也未被激发,得到激发的只是声子能量较小的长声学格波.长声学格波即弹性波.德拜模型只考虑弹性波对热容的贡献.因此,在极低温下,德拜模型与事实相符,自然与实验相符.
13.晶体中波矢数目、原胞数目、自由度数之间的关系(n,l,n)
15.在利用能带理论计算晶体能带时,固体是由大量原子组成,每个原子又有原子核和电子,实际上是要解多体问题的薛定鄂方程,而我们要把多体问题转化为单电子问题,需要对整个系统进行简化,试叙述需要哪些简化近似?
答:
首先应用绝热近似,由于电子质量远小于离子质量,电子的运动速度就比离子要大得多,故相对于电子,可认为离子不动,或者说电子的运动可随时调整来适应离子的运动。
第二个近似是平均场近似,在多电子系统中,可把多电子中的每一个电子看作在离子场及其他电子产生的平均场中运动这种考虑叫平均场近似。
第三个近似是周期场近似,每个电子都在完全相同的严格周期性势场中运动,因此每个电子的运动都可以单独考虑。
16.布洛赫函数、布洛赫定理与布洛赫电子(周期势场)
17.近自由电子模型。
答:
该模型假设晶体势很弱,晶体电子的行为很像是自由电子,我们可以在自由电子模型结果的基础上用微扰方法去处理势场的影响,这种模型得到的结果可以作为简单金属价带的粗略近似。
18.紧束缚电子模型。
答:
原子势很强,晶体电子基本上是围绕一个固定电子运动,与相邻原子存在的很弱的相互作用可以当作微扰处理,所得结果可以作为固体中狭窄的内壳层能带的粗略近似。
19.能带理论
(允带、禁带、有效质量、布里渊区、费米能级)
篇三:
固体物理总结
固体物理课程报告
通过30多个学时的学习,我对固体物理有了一定的了解:
固体是指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质,在压强和温度一定且无外力作用时,它的形状和体积保持不变。
而固体物理学就是研究固体的性质、微观结构及其各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。
固体物理学的基本任务:
从宏观到微观研究固体的各种物理性能并阐明其规律性;
研究对象:
金属、无机半导体、无机绝缘体、晶态和非晶态固体和有机固体等;
研究内容:
晶体与非晶体的微观结构、各种无激发、杂质与缺陷等。
固体物理学顾名思义就是研究固体的学科。
固体的内部结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简单,而且具有明显的规律性。
以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。
而固体指的是在承受切应力时,具有一定程度刚性的物质,包括晶态和非晶态固体。
固体物理学有两个最基本的问题:
第一:
固体是由什么原子组成的?
它们是怎样排列和组合的?
第二:
结构是如何形成的?
固体物理的研究领域是相当广泛的,主要包括介质物理、铁电物理、晶体物理、半导体物理、铁磁物理、超导物理、纳米物理和非晶态物理。
固体物理学科的建立和发展决定于几个方面:
晶体结构的认知;晶体结合的认知;晶格振动和固体比热容的认识和发展;缺陷的认知;固体电子论的发展;相变的研究;固体磁性;超导现象的认识和发展;半导体物理的研究以及无序系统和一些新的发展。
固体物理学讲述了固体中的原子结构、结合规律、运动状态和能量关系,固体中电子的运动方程、电子的能带结构、金属导体的导电机制、半导体的基本原理、超导性的基本规律,是20世纪物理学发展最快的一门学科。
一晶体结构和周期性
晶体结构是固体物理学中非常重要的部分,它为固体物理的研究奠定了基础。
固体材料是由大量的原子(分子、离子)组成的,不同原子构成的晶体具有不同的性质,即使是由同种原子构成的晶体,由于结构不同其性质也会有很大的差别。
但不同的晶体之间仍然存在着某些共同的特征:
长程有序、自限性与解理性、晶面角守恒、各向异性。
固体物理学主要就是探讨具有周期结构特征的晶态物质的结构和性质。
1.1.1晶体结构的周期性可借助于基元、布喇菲格子,即晶体结构=基元+布喇菲格子。
原胞即为组成晶体结构的最小平移单位。
有时为了考虑晶体结构的对称性,往往选取较大的重复单元—晶胞,而在布喇菲格子中,选一点o为原点,a1,a2,a3为原胞的基失,则格子中的任一格点可由原点o到该格点的矢量表示:
即Ri=l1a1+l2a2+l3a3,但是其中的l1,l2,l3必须是整数。
1.1.2体心立方格子的晶胞基失:
a=ai,b=bj,c=ck;
体心立方格子的原胞基失:
a1=(-i+j+k)a/2
a2=(i-j+k)a/2
a3=(i+j-k)a/2
每个晶胞中包含两个格点,每个原胞中包含一个格点,晶胞体积是原胞的二倍,a为晶格常数。
1.1.3面心立方格子的晶胞基失为:
a=ai,b=bj,c=ck;
原胞基失为:
a1=(j+k)a/2a2=(k+j)a/2a3=(i+j)a/2
每个晶胞中包含四个格点,体积为原胞的四倍。
1.1.4简单格子和复式格子
简单格子:
如果晶体的原胞中只含有一种粒子(原子或分子),这些粒子的成分和所处环境均相同,则该晶体为简单格子。
复式格子:
如果晶体的原胞中由两种或两种以上的粒子构成,则该晶体为复式格子。
在简单格子中粒子所构成的点阵与此晶体的布喇菲格子一致,在复式格子中,相应同种原子构成的点阵也都和该晶体的布喇菲格子是一致的。
在原胞晶失为坐标轴时,我们把晶面指数记为(h1,h2,h3),在晶胞基失为坐
标轴时,则记作(hkl),(hkl)又称为晶面族的密勒指数。
1.2x射线衍射
原子散射因子是晶体中的某一个组成原子对入射波散射本领的量度,它等于该原子内所有电子在选定方向散射波的振幅与单一电子的散射波振幅之比。
大小
?
?
?
?
?
为:
f(k?
k0)?
?
?
?
?
(r)exp[(i(k?
k0)r]dt,其中r为任一原子的位失?
(r)是电子在该点附近体积元dt的分布几率,k和k0为衍射波波失和入射波波失,引入
sin?
r?
(r)则可以简化为径向分布函数:
u(r)?
4?
f(k?
k0)?
?
u(r)dr,其中?
r02?
?
?
k?
k0。
而一个晶胞对x射线衍射的散射可用几何结构因子表示,其定义为一个晶胞内所有原子沿选定方向散射波振幅的几何和单个电子的散射波的振幅之比。
二晶格振动
晶格振动即在有限的温度下,组成晶体的原子并非固定于格点位置,而是以格点为平衡位置做热振动。
显然,晶格振动将使晶体势场偏离严格的周期性,从而对布洛赫电子产生散射作用,并影响的玉电子有关的输送性质。
晶格振动的强弱依赖于温度,晶体的比热、热膨胀和热导等热学性质直接依赖于晶格振动,晶体的光吸收和光发射等光学性质也与晶格振动有关。
2.1一维简单格子的晶格振动
一维简单格子的晶格振动是晶格振动的最简单形式,设质量为m,晶格常数为a,则第n个原子的运动方程为:
d2x?
为原子间谱相互作用的恢复力常数,m2?
?
(xn?
1?
xn?
1?
2xn),其解为:
dt
xn?
Aexp[i(qna?
?
t)]。
由此可见晶体中存在角频率为?
的波动,简称格波,当原子间距为2?
/q的整数倍时,原子因振动而产生的位移相等。
2.2一维复式格子的振动
两个不同原子构成的一维复式格子,同种原子的最短距离为2a,只考虑一维简单格子,可得到的原子振动方程为:
x2n?
1?
Aexp(i[q(2n?
1)a?
?
t]),x2n?
2?
bexp(i[q(2n?
2)a?
?
t,x2n?
1,x2n?
2代表两种不同原子的振动位移,其振幅一般是不一样的。
由质量m和m两种不同原子构成的复式格子,存在两种格波,它们的色散关
?
2{(m?
m)?
[m2?
m2?
2mmcos(2qa)]}系为?
1?
mm
?
?
12?
{(m?
m)?
[m2?
m2?
2mmcos(2qa)]},以上可知:
?
1总比?
2低,当波mm
失q很小时?
1与q的关系类似于声波,因此称之为声频支格波,简称声学波。
三晶体的缺陷和与活动
晶体的主要特征是其中原子(分子)的规性排列,但实际晶体中原子排列由于各种原因或多或少的偏离严格的周期性,因而出现了各种各样的结构缺陷。
根据晶体缺陷在空间延伸的线度晶体的缺陷可分为点缺陷,线缺陷,面缺陷和体缺陷。
3.1点缺陷
由于晶体中出现空位、填隙、杂质原子等,它们引起晶格周期性发生在一个或几个周期范围内,称为点缺陷,又称热缺陷.晶体中的另一类点缺陷是杂质原子,它们是存在于晶体中而与晶体组元不同的外来原子。
按照杂质原子在晶体中所占位置可以分为替位杂质和填隙杂质两类,前者占据组元原子所正常占据的位置,后者则是占据晶格内的间隙位置。
3.2晶体中的扩散过程
研究点缺陷,尤其是热缺陷的一个重要原因是因为它与晶体中的扩散过程相关。
无论是因为浓度不同或外加电场,晶体中原子定向输送的实现都要借助于空间和间隙原子的迁移,即为扩散现象。
3.2.1扩散的宏观规律:
在扩散物质浓度不太大的情况下,单位时间内通过单位面积的扩散原子的量(即扩散流密度)取决于浓度n的梯度
j=-D?
n(其中D为常数,即扩散系数)
3.3线缺陷——位错
如果晶格周期性的破坏发生在晶体内部的一条线上而产生的缺陷称为线缺陷,还可以说是位错。
位错可分为刃位错和螺位错,从内部看是晶体的一部分相对于另一部分发生滑移,当位错线垂直于滑移方向时为刃位错,而平行于滑移方向时则为螺位错。
晶体中存在螺位错,原来的一族平行晶面变成以位错线为轴的螺旋面。
具有完整结构的晶体两部分彼此之间的取向有着小角度?
的倾斜,在角?
里的部分是由少数或几个多余的半晶体面所组成的过渡区,称为小角晶界,该区域位错的滑移可产生晶体范性形变。
四固体能带理论
能带理论是一种研究电子运动的主要理论基础,它包括:
晶体周期性势场中电子的运动状态、能带的形成、能带结构、固体的导电性,等能面、费米面。
单个原中,电子在原子的量子态中运动,当原子结合成晶体时,晶体中的电
子形成公有化运动。
原来孤立原子中的电子能级,现在由于原子间的相互作用而分裂成一个能带。
4.1能带的形成
电子在由n个方势阱组成的一维势场中的运动,当势阱彼此远离时,其能级就等于孤立势阱的能级,并且是n度简并的。
当势阱相互靠近时,原来的一个能级分裂成n个不同的能级,简并被消除,随着n的不断增加,能级数也不断的增加,而能级间距减小,最后过渡到准连续的能带。
当n个原子集合成晶体时,每个原子能级分裂成n个能级,因而在n达到宏观固体原子个数的情况下,这些能级是接近连续的能带。
4.2晶体势场的周期性
晶体中每个价电子受到的势场可以看成是各个原子实所产生的势场以及其他所有价电子对它相互作用势场之和,因晶体中原子的排列是周期性的,即?
?
?
V(t?
Rt)?
V(r),Rt是晶体格失。
晶体中电子的波函数:
在原子实附近,其波函数与原子实特性有关,由于原子实的周期性排列,因此反应这部分特性的波函数是周期为a的周期性函数,所以,
?
?
晶体中电子波函数?
k?
uk(r)exp(ik?
r),这种形式的函数又称为布洛赫函数。
在周期性势阱中的粒子的许可形成能带,两个相邻能带之间由禁带断开,具有能带宽度随能量增大且能量是波失的函数等特征。
4.3固体导电性的能带理论
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- 固体 物理 学习心得