2022年固体物理-总结-提纲-重点-复习.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 1、 晶体的宏观特性2、固体物理学原胞（原胞）与布拉维原胞（晶胞、结晶学原胞）的区分3 个不同1 长程有序：晶体内部的原子的排列是根据肯定得规章排列的；这种至少在微答：晶格具有三维周期性,因此可取一个以结点为顶点、边长分别为米级范畴内的规章排列称为长程有序；长程有序是晶体材料具有的共同特点；在熔化过程中,晶体长程有序解体时对应肯定得熔点；方向上的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性,这个体积最小的重复 单元称为固体物理学原胞,简称原胞；在同一晶格中原胞的选取不是唯独的,2 自限性与解理性：晶体具有自发形成封闭多面体的性质称为晶体的自限性 ；但他们的体积都是相等的；仍要反映每种晶体的对称性,因而所选取的重复单晶体形状上的这种特性是晶体内部原子有序排列的反应；一个抱负完整的晶体,为了反映周期性的同时,相应地晶风光具有相同的面积；晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质称 为晶体的 解理性 ,相应地晶面称为解理面；元的体积不肯定最小；结点不仅可以在顶角上,仍可在体心或面心上；这种重 复单元称为布拉维原胞或结晶学学原胞,简称晶胞；晶胞的体积一般为原胞的3 晶面角守恒：由于生长条件的不同,同一种晶体形状会有肯定得差异,但相 如干倍；应的两晶面之间的夹角却总是恒定的；即属于同种晶体的两个对应晶面之间夹 4、晶体的对称性与对称操作角恒定不变的规律称为晶面守恒定律；由于晶体原子在三维空间的周期排列,因此晶体在外型上具有肯定的对称性质；4 各向异性：晶体的物理性质在不同方向上存在着差异的现象称为晶体的各向 这种宏观上的对称性,是晶体内在结构规律性的表达；由于晶体周期性的限制,异性；晶体的晶面往往排列成带状,晶面间的交线相互平行,这些晶面的组合 晶体仅具有为数不多的对称元素和对称操作；对称元素：对称面（镜面）、对称称为晶带,晶棱的共同方向称为该晶带的带轴；由于各向异性,在不同带轴方 中心（反演中心） 、旋转轴和旋转反演轴；相应的对称操作分别是：1 对对称面向上,晶体的物理性质是不同的；晶体的各向异性是晶体区分于非晶体的重要 的反映 2 晶体各点通过中心的反演 3 绕轴的一次或多次旋转 4 一次或多次旋转特性；因此对于一个给定的晶体,其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率 之后再次经过中心的反演；等一般不再是一个确定的常数；通常要用张量来表述；晶体宏观对称操作的操作元有 8 种 1,2,3,4,6 旋转对称操作, m 镜面对称3、 7 大晶系、 14 种布拉维晶胞 操作, i 反演对称操作和 4 度像转对称操作；5、倒格子名师归纳总结 晶系特点布喇菲格子点群正格子基矢在空间平移可构成正格子,倒格子基矢在空间平移可构成倒格子；第 1 页,共 5 页三斜abc 简洁三斜 无转轴 P既无对称轴也无对称面由正格子所组成的空间是位置空间或坐标空间,由倒格子所组成的空间就懂得单斜 简洁单斜 P底心单斜 C 一个二次旋转轴, 镜面对称为状态空间,称为倒格子空间；6、倒格子与正格子之间的关系abc 1 正格子原胞体积 与倒格子原胞体积*之积为（ 2 ）3正交90 简洁正交 P 底心正交 C三个相互垂直的二次旋转轴2 正格子晶面族（h1h2h3）与倒格矢Gh=h1b1+h2b2+h3b3 正交abc 3 倒袼矢 Gh长度与晶面族（h1h2h3）面间距的倒数成反比三方90体心正交 I 面心正交 F布里渊区从倒格子点阵的原点动身,作出它最近邻点的倒格子点阵矢量,并作出每个矢a b c简洁菱形 R一个三次旋转轴四方90简洁四方 P体心四方 I 一个四次旋转轴量的垂直平分面,可得到倒格子的WS 原胞,称为第一布里渊区；当入射波矢的端点落在布里渊区的每个界面上时,必定产生反射；a bc 7、原子间的结合形式共价键、离子键、金属键、分子键、氢键908、晶体结合能的一般规律六方a bc简洁六方 P一个六次旋转轴晶体结合的过程就是原子之间相互靠近、相互作用不断增强、晶体内能发生变立方90120简洁立方 P体心立方 I四个三次旋转轴化的过程,从能量的角度看,随着温度的降低和原子间距的削减,原子结合为晶体之后晶体的内能会降低；a b c90面心立方 F- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 实际晶体中各个原子之间总是同时存在吸引力f吸引和排斥力 f排斥晶体的体积弹性模量KV2 UV2 Ur2（由结合能与结构打算）xn1a晶体中两个原子间的结合V2r2V能 u 是原子间距r 的函数：晶体能承担的最大张力叫抗张强度,相当于晶格中原胞间的最大引力,即u=u 吸引 r+u排斥 r Puv m,vm由下式打算2nv m0vv2u 吸引（r）a晶体内能越大,相应的晶体也越稳固,原子间相互作用越大；要使它们分开需rm更大的能量；内能高的晶体其熔点也必定高；u排斥（r）b10、什么是晶格振动；rn由于晶体内原子间存在着相互作用,原子的振动就不是孤立的,而要以波的形原子间的相互作用力大小为：frdudabmanb式在晶体中传播,形成所谓格波,因此晶体可视为一个相互耦合的振动系统,rm drrn这个系统的运动就叫晶格振动；drrm1rn111、什么是声子,声子看做小粒子应符合的规律；从上式可以看出,势能函数ur 有一个微小值存在；在or 处,由于吸引力和排将格波的能量量子叫声子；声子是人们设想出来的粒子,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,所以声子是种准斥力相抵消,f 0r0即有durrr 00 ,d2urrr 00,由此求出原子间粒子；声子和光子一样,是玻色子,它不受泡利不相容原理的限制,粒子数也不守恒,并且听从玻色-爱因斯坦统计；在热平稳时,频率wi 的格波的平均声drdr2的平稳距离r0bn amn1m子数为12、一维单元子链色散关系的推导md2 q x nxn1xnxn一维单电子链第n 个原子的振动方程为在or 邻近,无论什么缘由使得原子间距增大或缩小,晶体的内能都会增大,dt2xn1xn12 xn即晶体的内能在ror处具有最小值U ,其值为负值；说明当各个孤立的原子设上述方程组有以下形式的解：tXnAeAe itqna1 a2 eiqna结合为晶体并到达平稳状态时,晶体的能量将下降Uc,这就是晶体平稳状态代入方程组得：m2Ae iqna aeiqn eitiqn1m2eiqaeiqa2 m221cosqa的结合能；Uc越大,相应地晶体也稳固；原子间的平稳距离ro与晶格常数有24sin2qa2m|sinqa|关,而原子间最大吸引力与晶体的抗张强度有关；9,晶体结合能的性质m22第 2 页,共 5 页晶体结合能运算的经典方法是将晶体总的互作用势能视为原子间的互作用势能所得式即为一维单式格子的色散关系；之和,所以先运算两个原子之间的互作用势能,然后再考虑晶格结构的因素,13、电子听从的规律：光子、声子听从玻色-爱因斯坦统计规律,电子听从费米综合起来就可以求的晶体的总势能；-狄拉克统计分布；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 14、晶体中缺陷的分类 球半径所对应的 k 值称为费米波矢 kF,费米球的表面作为占据态和非占据态的点缺陷 :弗伦克尔缺陷 ,、肖脱基缺陷、 色心、 杂质原子和填隙原子,其中热缺陷 分界面称为费米面,被电子占据的最高能级称为费米能级,记作 EF物理意义：是弗伦克尔缺陷,肖脱基缺陷和间隙原子 线缺陷位错： 刃型位错、 螺型位错 在体积不变的条件下,系统增加一个电子所需的自由能 .它是温度和电子数函数面缺陷：堆垛层错、小角晶界、晶粒间界 体缺陷：裹体、裂纹、气孔 费米分布函数：Ef 改成 u *15 、晶体扩散符合的规律菲克第肯定律：在扩散物质浓度不太大的情形下,单位时间内通过单位面积的19 霍尔效应的说明,比例系扩散原子的；量（即扩散流密度）取决于浓度n 的梯度磁场中的载流导线,在垂直于电流方向的两个端面间存在电势差的现象jDnnjD2n如电流沿 x 方向,并在z 方向加上磁场,只在y 方向显现电势差的现象运动方程：m vmd ve vBvm vevBtdt16.特鲁德经典电子气模型：稳固后 :e vB1 完全忽视电子与电子,电子与原子实之间的相互作用,无外场时,传导电子m作匀速直线运动；外场存在时,传导电子的运动听从牛顿运动规律；由于在 y 和 z 方向上电子无漂移速度所以 : v x m e x xvyvz02 传导电子在金属内运动时,与原子实发生碰撞,一个电子转变速度瞬时大事；3 单位时间内传导电子与原子实发生碰撞的概率是1/Bv xz04 假设电子气系统和四周环境达到热平稳仅仅是通过碰撞实现的,碰撞前后电子的速度毫无关联,方向是随机的,其速度是和碰撞发生时的温度相适应的；物理意义 :电子漂移运动所受到的洛仑兹里刚好与横向电场的静电力平稳17、用索末菲自由电子气模型推导能态密度:单位能量间隔内电子状态数量jxBv xxne2BxeBmjx1Bjxm e假如能量在EE+dE 内的状态的数量为,就能态密度的定义是：由于能量 E 是波矢 k 的函数,故 EE+dE 之间的状态数yxmmne2ne这说明：金属中存在一个横向电场,其强度与磁场强度及电流密度成正比应等于 k 空间中对应于E 与 E+dE 两等能面间的壳层内答应的状态代表点数；数为一个仅由电子浓度打算的常数R Hjy1再考虑每个状态代表点可容纳自旋相反的两个电子,就称为霍尔系数 , xBne20 金属自由电子论与经典理论对金属热电子发射的功函数的微观说明有何不同,为什么？在自由电子近似下,k 空间的等能面是一个球面,就半径为 k 和 k+dk 的球面之间电子的状态数为：dN E 4 k 2 dk Vc 34 k 2dk 1 2 m2 32 E 12 dEk 8 1 1 2因此自由电子的能态密度 D E V2 2 m2 32 E 2 CE 2定义单位体积的能态密度：gE 21 2m 32 E 12 正比于E 122 2 2*18 费米面与费米能级热电子发射：电子吸取外界供应的热能而逸出金属的现象；经典理论认为,金属热电子发射时, 需克服的势垒高度即功函数为 W = - 0,其中 是真空势垒, 0 是电子气的基态能级；金属自由电子论认为,金属热电子发射时,需克服的势垒高度即功函数为 W = - F, F 是电子气的费米能级；其差别源于经典理论认为,电子是经典粒子,听从玻尔兹曼统计理论,在基态时,电子可以全部处于基态能级 0,因此热电子发射时,电子需克服的势垒高度是 W = - 0；而金属自由电子理论认为,电子是费米粒子,听从费米-狄拉克统计理论,在基态时,电子可以由基态能级 0 填充至 F,因此热电子发射时,电子名师归纳总结 由于单电子能级的能量比例于波矢k 的大小的平方,独立电子近似假说使Ek需克服的势垒高度是W = - F第 3 页,共 5 页21.晶体中的电子运动简化为周期场中单电子问题的三个近似及自由电子近似、的关系式各向同性的；在k 空间,占据区最终成为一个球,称为费米球；费米- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 紧束缚近似1 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很可以证明当看k-k =nk-k n22n22第 4 页,共 5 页多,故相对于电子,可认为离子不动；2 平均场近似：在多电子系统中,可把多电子中的每一个电子,看作是在离子E2kEnk/2kV n2场及其他电子产生的平均场中运动的考虑；3 周期场近似：假定全部离子产生的势场和其他电子的平均势场是周期势场,222kn'2其周期为晶格所具有的周期；Ek02 m 2E2 mV na近自由电子近似：由于周期场四周的周期性起伏很弱,它可以看成自由电子情kk22k2 mn2况稳固势场的微扰,此时晶体中的价电子行为就很接近自由电子,故叫近自由电子近似；012 m2 ma紧束缚近似 ：假如电子受原子核束缚较强,且原子之间的相互作用因原子间距kkk较大等缘由而较弱,此时,晶体中的电子就不像弱束缚情形的近自1k'E0Hk kE0'V nn22由电子,而更接近束缚在各孤立原子邻近的电子,称为紧束缚近似；k0kn2k2222. 近自由电子近似kk2 mk（1）一维非简并情形1eikn2x2 ma作为周期函数,傅立叶绽开2 axVxV neinVxin V n e为势能的平均值2xV 0nV nein2xaaaL2n式中,为争论便利取2 ax'V neink1eikx1由于准自由电子近似假设势场的周期性起伏比较小,故 V（x）可视为微扰项 H即 H=H 0+ HH0 2dH 2H0EE0001eikxE0k2k2Ln2k222kn2其中H 02m0k2一维布洛赫函数的形式2 mmin2xdx2Lamk0xs0xLL=Na N 为原胞数,H0nV nein2xakeikxukx2是一维晶体的长度,LLein2x dx周期性边界条件a0一级微扰的能量：E1kE1k H kkH kkL0*H0 k dx0kE2E2k10EE0kE0kukx11n'V nn22ea名师归纳总结 H kkL0*nV n ein2xk 0 dxL2k22ka02 m2 mak- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 可以得出ukxlaukx具有晶格周期性kna1012会下降；3、组成晶体的原子通过得失电子,形成正、负离子,其间通过静电吸引作用而2一维简并微扰kna形成 离子晶体 ；离子晶体结合力很强,而且正、 负离子是满壳层的球状结构（球的大小因正、 负离子而不同） ,因此顷向于尽可能紧密的结构,其配位数一般较k2kn22k2大,正是由于结合力强离子晶体强度高,但有脆性,熔点高,导电性差,大多a对可见光透亮,但在红外有一特点吸取峰；在邻近,kkn2En aA014 德拜模型：考虑了格波的频率分布,由于低温时只有长声学波才对比热有重0A0B01要奉献,而对于长波原子间的不连续性可忽视,晶体可视为连续介质；但它忽略了光学波和短声学波对比热的奉献；Cv 12 4Nk B T 35 DT3kka近似由替代H0HA0B0BkkkkEE0kAVnB0EE0kVn012V nAEE0kB0V nEE0kEk1E0kE0kE0kE0k2V n2222T n12V n24 T n 22Tn2 mnaEkEkEkT nV nT n12 T n2V nEkEkT nV nT n2 T n12V n1. 何谓倒逆过程,它对晶体热阻有何影响；声子 q1、q2 间的相互作用应遵从动量守恒和能量守恒,q3q1+q2 = q3；假如q3 位于第一布里渊区以外,就在第一布里渊区内能找到一点q3 ,使得 q3 + Gh= q3,即 q1+q2 =q3 + Gh,此过程即为倒逆过程；由于与 q3 的方向大致相反,因此倒逆过程会阻碍热的传播,形成热阻；名师归纳总结 2. 温度上升 , 金属的电阻率会上升,半导体的电阻率会下降,离子晶体的电阻率第 5 页,共 5 页- - - - - - -