2021固體物理學黃昆課件原版

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固體物理學

固體物理學（solid state physics），是研究固體的物理性質、微觀結構、固體中各種粒子運動形態(tài)和規(guī)律及它們相互關系的學科。屬物理學的重要分支，其涉及到力學、熱學、聲學、電學、磁學和光學等各方面的內容。固體的應用極為廣泛，各個時代都有自己特色的固體材料、器件和有關制品�，F(xiàn)代固體物理形成于20世紀前40年代，它是先進的微電子、光電子、光子等各項技術和材料科學的基礎，其重要性是顯然的。

固體分類

固體通常指在承受切應力時具有一定程度剛性的物質。固體是由大量原子（離子或分子）凝聚成相對穩(wěn)定而緊密的、有自持形狀的、能承受切應力的物體。按原子排列的特點，固體可分為晶體、準晶體和非晶體三大類。組成晶體的粒子，在三維空間的排列形成晶格，具有周期性及與周期性相容的空間取向有序性。所有晶體可分成三斜晶系、單斜晶系、正交晶系、四方晶系、三角晶系、六角晶系和立方晶系七個晶系。晶體的對稱性，可由32個點群和230個空間群描述。

1984年D.謝虛曼等發(fā)現(xiàn)準晶體，它的組成粒子在空間的排列形成準晶格，沒有周期性而有區(qū)別于晶體的空間取向序。非晶固體又稱無定形固體或玻璃固體，其中的粒子排列是無序的。但在1—2個原子間距范圍，由于化學鍵的作用，在總體無序結構中存在短程有序。用X射線、電子束、中子束衍射技術等可鑒別和測定這三類固體的結構。 

按相鄰粒子間化學鍵的特點，固體有五類結合，即金屬鍵合、離子鍵合、共價鍵合、分子鍵合及氫鍵合。前三種鍵合是強化學鍵，平均每個原子的結合能為幾個電子伏；后兩種是弱化學鍵，結合能約十分之幾電子伏。金屬、合金及準晶體都是金屬鍵合。這些固體所有原子的價電子都脫離其原子，形成能在整個固體中自由運動的電子氣。失去價電子的所有原子實埋在電子氣中，形成緊密并有周期性的晶格或無周期性的準晶格。離子晶體靠其中正、負離子之間的靜電相互作用結合成晶體。

碳原子之間以共價鍵方式結合成金剛石。砷化鎵晶體也是共價晶體，但含有部分離子鍵合，這類材料稱為極性晶體。分子是電中性的，但由于其正、負中心不重合而有電偶極矩。分子靠它們電偶極矩間的范德瓦耳斯力而結合成晶體。氫原子是特殊的原子，只有一個價電子，原子實就是氫核，它可同時與兩個負電性強的原子結合成非對稱氫鍵，在水和冰及生命物質大分子RNA、DNA中氫鍵起重要作用。

固體中的電子態(tài)

固體中電子的狀態(tài)和行為是了解固體的物理、化學性質的基礎。G.維德曼和R.夫蘭茲于1853年由實驗確定了金屬導熱性和導電性之間的關系的經驗定律。1897年發(fā)現(xiàn)電子，E.李開在1898年和P.德魯?shù)略?900年提出金屬自由電子氣模型。H.洛倫茲在1905年建立了自由電子氣的經典統(tǒng)計理論，能夠解釋上述經驗定律，但無法說明常溫下金屬電子氣對比熱容的貢獻甚小。沃爾夫岡·泡利在1927年首先用量子統(tǒng)計成功地計算了自由電子氣的順磁性，A.索末菲在1928年用量子統(tǒng)計求得電子氣的比熱容和輸運現(xiàn)象，解決了經典理論的困難。在絕熱近似下，討論固體中電子問題時，可認為離子是固定在瞬時的位置上，所以是多電子問題。

利用哈特里-�？俗郧�場方法，又簡化為單電子問題，每個電子在固定的離子勢場和其他電子的平均場中運動。絕對零度時，這些勢場具有點陣周期性。因而簡化成周期場中的單電子問題。1928年F.布洛赫和1930年L.布里淵等，從不同角度研究了在周期場中電子運動的基本特點，在研究晶體周期性勢場中單電子的量子態(tài)以及單電子在外電場的行為時，奠定了能帶論基礎。在晶體周期場中單電子的波函數(shù)是振幅按點陣周期調制的平面波，稱為布洛赫波。電子的本征能量，既不是像孤立原子中分立的電子能級，也不是像無限空間中自由電子所具有的連續(xù)的能級，而是在一定能量范圍內準連續(xù)的能級組成的能帶。相鄰兩個能帶之間的能量范圍是完整晶體中電子不許可具有的能量，稱為禁帶。利用能帶的特征以及泡利不相容原理，A.威耳孫在1931年提出金屬和絕緣體相區(qū)別的能帶模型，并預言介于兩者之間存在半導體，為爾后的半導體的發(fā)展提供理論基礎（見金屬電子論、固體的能帶）。

在30年代，E.維格納和F.塞茨等用群論處理晶體中電子態(tài)的問題，能帶論得到進一步發(fā)展。經過許多學者的努力，相繼提出了多種計算能帶的方案。例如，緊束縛方法、元胞法、正交化平面波法、綴加平面波法、格林函數(shù)法、贗勢法以及后來發(fā)展起來的線性化能帶計算法等。60年代P.霍恩貝格、W.科恩和沈呂九（L.J.Sham）等發(fā)展了局域密度泛函理論，使能帶論有更嚴格的基礎。由于計算技術高度發(fā)展，已有可能對結構較為復雜的晶體的能帶作自洽計算，得到良好的結果。大量事實表明，對于一般金屬和典型的半導體，能帶論給出半定量或定量的結果，同實驗的數(shù)據相當符合。對合金的能帶論，英國的學者曾經作了很多工作，并對合金的物理性質進行了簡明的理論解釋。70年代出現(xiàn)的相干勢近似方法將使合金理論得到新的發(fā)展（見合金電子理論）。