固体物理学基础概念

精品文档第一章晶体结构晶体-内部组成粒子（原子、离子或原子团）在微观上作有规则的周期性重复排列构成的固体。晶体的通性--所有晶体具有的共通性质，如自限性、最小内能性、锐熔性、均匀性和各向异性、对称性、解理性等。单晶体和多晶体-单晶体的内部粒子的周期性排列贯彻始终；多晶体由许多小单晶无规堆砌而成。基元、格点和空间点阵基元是晶体结构的基本单元，格点是基元的代表点，空间点阵是晶体结构中等同点（格点）的集合，其类型代表等同点的排列方式。原胞、WS原胞在晶体结构中只考虑周期性时所选取的最小重复单元称为原胞；WS原胞即Wigner-Seitz原胞，是一种对称性原胞。晶胞-在晶体结构中不仅考虑周期性，同时能反映晶体对称性时所选取的最小重复单元称为晶胞。原胞基矢和轴矢-原胞基矢是原胞中相交于一点的三个独立方向的最小重复矢量；晶胞基矢是晶胞中相交于一点的三个独立方向的最小重复矢量，通常以晶胞基矢构成晶体坐标系。布喇菲格子（单式格子）和复式格子晶体结构中全同原子构成的晶格称为布喇菲格子或单式格子，由两种或两种以上的原子构成的晶格称为复式格子。简单格子和复杂格子（有心化格子）一个晶胞只含一个格点则称为简单格子，此时格点位于晶胞的八个顶角处；晶胞中含不只一个格点时称为复杂格子，其格点除了位于晶胞的八个顶角处外，还可以位于晶胞的体心（体心格子）、一对面的中心（底心格子）和所有面的中心（面心格子）。密堆积和配位数-晶体组成原子视为等径原子时所采取的最紧密堆积方式称为密堆积，晶体中只有六角密积与立方密积两种密堆积方式。晶体中每个原子周围的最近邻原子数称为配位数。由于晶格周期性限制，晶体中的配位数精品文档只能取：12，8，6、4、3（二维）和2（一维）。晶列、晶向（指数）和等效晶列晶列是晶体结构中包括无数格点的直线，精品文档22a2晶列上格点周期性重复排列，相互平行的晶列上格点排列周期相同，一簇相互平行的晶列可将晶体中所有格点包括无遗；晶向指晶列的方向，晶向指数是晶列的方向余旋的互质整数比，表为[uvw]；等效晶列是晶体结构中由对称性相联系的一组晶列，表为uvw。晶面、晶面指数和等效晶面晶面是晶体结构中包括无数格点的平面，相互平行的晶面的面间距相等，一簇相互平行的晶面可将晶体中所有格点包括无遗；晶面指数是晶面法线方向的方向余旋的互质整数比，表为(hkl)；等效晶面是晶体结构中由对称性相联系的一组晶面，表为{hkl}。密勒指数特指晶胞坐标系中的晶面指数。晶体衍射晶体的组成粒子呈周期性规则排列，晶格周期和X-射线波长同数量级，因此光入射到晶体上会产生衍射现象，称为X-射线晶体衍射。劳厄方程和布拉格公式----晶体衍射时产生衍射极大的条件。劳厄将晶体X-射线衍射看作是晶体中原子核外的电子与入射X-射线的相互作用，而布拉格父子则将晶体X-射线看作是晶面对X-射线的选择性反射，分别得到衍射加强条件为劳厄方程和布拉格公式，两者其实是等价的劳厄方程(k-k0)Rm2Sm(Sm为整数)或：Rm(ss0)Sm或：k-k0Kh(Khha*kb*lc*)布拉格公式2dsinn几何结构因子----晶胞中所有原子对X-射线的散射振幅与一个电子对X-射线的散射振幅之比，几何结构因子是一种相对振幅。消光规律因晶胞中原子的几何排列所引起的衍射线消失的规律，称为结构消光。精品文档22a2倒格子--晶格经傅里叶变换所得到的几何格子。倒格子基矢定义：i,j1,2,31)rraibj)b1ij2a2a3b2精品文档布里渊区-布里渊区是倒空间中由倒格矢的中垂面（二维为中垂线）所围成的区域，按序号由倒空间的原点逐步向外扩展，每个布区的体积（或面积）等于倒格子原胞的体积（或面积）。第一布里渊区（中心布区或简约布区）是倒格矢的中垂面（线）所围成的最小区域，是倒空间中的对称性原胞。第n布区是跨越第（n-1）布区的边界所能到达的，由倒格矢的中垂面（线）所围成的一些分离区域，且各区域体积（面积）之和等于倒格子原胞体积（面积）。晶体对称性晶体的外形或物理性质在不同方向上有规律地重复的现象。对称操作-使对称图形复原的动作或变换（保持晶体上任意两点间距离不变的变换——正交变换）。对称要素---施行对称操作时所凭借的几何元素。描述晶体宏观对称性的独立基本对称要素只有八个：1，2，3，6，I,m和。对称操作数晶体投影图中由对称性联系起来的等同点的数目，其值体现了对称性的高低。群的概念：群是一些元素的集合，记为G={E，A，B，C，⋯⋯}，群元素满足下述群的乘法定则：1）闭合性：2)存在单位元素E：对任意AG,BGABCG，有AE=EA=A；AG3)存在逆元素对任意AG，存在A1，有:11AA1A1AE4)结合律：A(BC)=(AB)C对称群-对称要素和对称操作的集合构成对称群。点群晶体中相交于一点的对称要素及相应的对称操作的集合，晶体共有32种点群，又称32种宏观对称类型。宏观对称要素描述晶体宏观对称性的对称要素，晶体中独立的基本对称要素只有八个：1、2、3、4、6、i、m和。微观对称要素描述晶格对称性的对称要素，在宏观对称要素的基础上加上精品文档平移轴及平移与旋转、镜象形成的复合对称要素螺旋轴和滑移面。空间群--晶格中全部对称要素及相应的对称操作的集合；晶体共有230种空精品文档间群第二章晶体结合元素电负性-元素电负性是原子对核外电子束缚能力大小的量度，通常用电离能与亲合能之和表示。结合键-指原子结合成晶体的方式，晶体的典型结合方式有：离子键、共价键、金属键、分子键和氢键。离子键-吸引力来源于正、负离子间的静电库仑力。共价键-吸引力来源于共用电子对的交换作用能（量子效应）。金属键-吸引力来源于带正电的金属原子实与带负电的自由的价电子（电子云）间的静电库仑力。分子键-吸引力来源于分子间的范德瓦尔斯力，即电偶极矩间的相互作用为力。氢键---吸引力来源于裸露的氢核（带正电）与电负性较大的原子之间作用力。结合能-晶体中粒子组成晶体后的总能量与粒子间无相互作用时总能量之差称为晶体结合能．（常令无相互作用时势能为零点）最近邻间距-晶体中最近邻原子之间的平衡距离。范德瓦尔斯力-电偶极矩间的相互作用力，包括：固有偶极矩间的互作用力、瞬时偶极矩间的互作用力和诱导偶极矩间的互作用力。共价键的饱和性和方向性-饱和性指两原子间能形成的共价键有一定的数目限制［（8-N）定则］；方向性指两原子间的共价键总是沿波函数重叠最大的方向成键。轨道杂化-电子的不同状态（分子轨道）间重新进行线性组合后再形成共键键。精品文档第三章晶格振动与晶体的热学性质简谐近似-晶体中原子之间相互作用能按平衡距离作泰勒展开，只取到距离的二次方项，忽略距离的高阶项；简谐近似下原子间互作用力与相对位移成正比。Born-VonKarman边界条件即周期性边界条件，一维情况下将晶格原子链精品文档视为由N个原胞组成的无穷大半径之圆环，则环上第n个原子与第（N+n）个原子系同一原子，具有完全相同的属性。三维情况则可将每一个独立方向视为Ni个原胞组成的无穷大半径之圆环。格波-晶格中原子的集体振动模式形成格波。色散关系-晶格振动时格波之圆频率与波矢间的关系晶格振动的一般结论：对于由N个原胞组成，每个原胞中有s个原子的三维复式格子，晶格振动中，有3s支色散关系，其中3支为声学波，其余3（s－1）支为光学波，且：晶格振动波矢的取值数＝晶体的原胞数Ｎ晶格振动格波（模式）数＝晶体的总自由度数3sN模式密度--又称为频率分布函数，定义为单位频率范围内的模式数：dZgddZ黄昆方程----关于离子晶体中的长光学波的维象方程：振动方程受极化电场修正Wb11Wb12EPb21Wb22E极化方程受晶格振动修正LST关系杜隆-珀替定律固体比热的经验规律：固体的比热是与温度无关的常数。（高2温与实验相符）T02L0s爱因斯坦模型固体比热模型，爱因斯坦假设晶体中各原子的振动相互独立，且所有原子都以同一频率0振动。由此得到高温固体的比热是常数，低温下随温度T→0K比热按指数规律趋于零。声子--格波的能量量子，rrr为hqhq;Kh统计，能量为?ω的声子的平均声子数声子的能量为?ω，准动量声子是玻色子，服从玻色－爱因斯坦声学波光学波-声频支格波，描述晶体中原胞的整体运动。-光频支格波，描述晶体中原胞内原子之间的相对运动。1kBT精品文档德拜模型--固体比热模型，又称弹性波模型，德拜假设晶体可视为各向同性精品文档Bloch电子运动速度波包中心的群速度的连续弹性介质，格波可以看成连续介质的弹性波，色散关系为：由此得到高温固体的比热是常数，低温下随温度T→0K比热按T3规律趋于零非谐效应晶体中原子间的互作用能展式中的三次方以上的项称非谐项，非谐项不能忽略时所引起的一些现象，如热膨胀，热传导等称为非谐效应。晶体状态方程晶体的热力学参数P、T、V之间的关系式。拉曼散射光子与晶体中光学声子间的散射。布里渊散射光子与晶体中声学声子间的散射。三声子过程两个声子间相互作用（散射）产生第三个声子的过程（该过程满允带和禁带（能隙）允带指能带结构中允许电子能量状态取值的能量范围；禁带（能隙）是能带结构中电子能量状态不能取值的能量范围。带底，带顶，能带宽度带底指允带中能量的最小值处；带顶指允带中能量的最大值处，带顶能量与带底能量之差为能带宽度。hqr1hqr2hrq3hqr1hqr2hqr3hKh第四章能带理论Bloch定理----在周期场中运动的电子，其波函数为Bloch函数，晶格周期函数调制的平r面波。urrrikrkurreikrukurrrrurukurrukurrRlrrrrRll1a1l2a2l3a3l1,l2,l30,1,2LL物理意义为受足能量和动量守恒定律）。能带结构周期场中运动的电子的能量状态形成分段连续的能谱，由允带和禁带相间构成，称为能带结构。ddqVconst.精品文档rrEEkEkmaxmin近自由电子模型晶体中原子间距离较近时，电子的平均能量比较大，但其势精品文档Bloch电子运动速度波包中心的群速度能随位置的变化（起伏）比较小，电子的运动几乎是自由的，称为近自由电子模型，相当于金属中的价电子。自由电子可视为其零级近似，而势能中较小的周期性起伏可视为微扰。近自由电子模型得到的结果是：1）远离布区边界处，电子的能量仅在自由电子能量上稍加修正（二级修正），其2k波函数为Bloch函数，是自由电子波函数叠加上较小的散射波成份。2）在布区边界处，电子能谱将发生突变，产生能隙（禁带），禁带宽度为势函数在该边界处的傅里叶展式的系数的两倍。1a2nxEgn2Un,Un0Uxexpidxa0a紧束缚模型晶体中原子间距离较大时，其势能随位置的变化（起伏）比较大，但原子之间相互作用较弱，电子的运动几乎是被束缚在一个原子周围，称为紧束缚模型，相当于金属的内层电子、绝缘体和半导体的价电子。孤立原子的解可视为其零级近似，而较弱的原子间相互作用可视为微扰。紧束缚电子模型得到的结果是：EkjJ0JRs能态密度------电子的能量状态按能量的分布函数，费米面-K空间中能量值等于费米能的等能面第五章晶体中电子的准经典运动波包-以准经典语言描述晶体中电子时，可将电子视为波矢k0附近Δk范围的含时Bloch函数叠加形成的波包，波包能量集中在k0附近尺度为的范围内，波包中心即为电子位置。相速度----波的相位的传播速度：Vpk近邻RsexpikRs其值为单位能量间隔内的电子状态数：gEdZdE精品文档群速度----波的能量的传播速度：Vgddk精品文档Bloch电子运动速度波包中心的群速度准动量晶体中电子的动量。有效质量晶体中电子的表观质量，它体现了周期场对电子运动的影响。其物理意义：1）有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2）有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。满带能带内所有能态均被电子填充。导带能带内部分能态被电子填充。价带价电子填充的能带。禁带（能隙）电子不能具有的能量范围。空穴是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中少量空着的状态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，空穴描述了近满带中