《固体结构》课件

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1、材料物理熊党生前言材料是现代社会的三大支柱之一.涉及范围很广.结构材料到功能材料单晶、多晶等常规材料到新型纳米材料、智能材料、机敏材料等材料物理（固体物理）——基础。从组成材料的微观粒子集体运动出发研究材料的宏观性质。应用热力学、统计物理方法在量子力学基础上，从宏观和微观角度分析固体材料（主要是晶体材料）的内部结构、缺陷及运动规律以及固态材料的性质。本课程的主要内容：第一章固体的结构第二章固体的结合第三章晶格振动－声子第四章晶格振动－热学性质第五章固体电子理论基础第六章固体能带理论第七章固体电导理论第一章固体的结构本章首先说

2、明晶体的主要特征是内在结构的长程有序，即其中原子（离子或分子）的周期性排列，并从晶格的周期性出发阐述晶格结构的一些基本的几何性质；然后简要讨论晶体中原子排列的不完整性。§1.1固体中原子（离子）排列的完整性自然界中的固体物质一般可分为晶态固体（晶体）和非晶态固体（非晶体）两类。晶体的内部结构至少在纳米量级的范围内是有序排列的，这叫做长程有序。非晶体又叫做过冷液体，它们在凝固过程中不发生有序化（结晶），非晶体中原子与原子之间的排列是无规的。晶体具有一些非晶体所没有的性质，如锐熔性、解理性、各向异性等晶体外形上的规则性反映着晶体

3、内部原子（离子）间排列的有序，这也是晶体材料各向异性的根源。此外晶体还常常具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，这种性质称为晶体的解理性。这种确定方位的晶面称为解理面。晶体之所以具有特定的外形，就是因为晶体具有解理性所致。§1.1.1晶格的特征与周期性固体物理讨论的主要是晶态固体。一个理想的晶体是由全同的结构单元（原子、离子或分子或其集团）在空间无限重复而构成的。为了讨论方便，我们通常把组成晶体的这种全同结构单元称为基元。有些晶体如铁、铜、铝等，它们的基元是单个原子；有些晶体如金刚石、氯化钠（NaCl）、氟化钙（CaF2）等，

4、它们的基元是由两个或两个以上的原子组成。必须指出的是，有些晶体的基元可以多达100个以上的原子甚至更多，而某些蛋白质晶体的基元可包含10000多个以上的原子。如果忽略基元的具体细节，我们仅用一个几何点来代表它，那么，这种几何点在空间规则地周期性排列的无限分布的总称为空间点阵。组成空间点阵的几何点称为阵点。一些晶格的实例晶体中原子排列的具体形式一般称为晶体格子，或简称为晶格．不同晶体原子规则排列的具体形式可能是不同的，我们就说它们具有不同的晶格结构；阵点沿空间三个不共面的方向各按一定距离无限重复地平移即构成空间点阵，每个方向上

5、一定的平移距离称为点阵在该方向上的周期。在不同的方向上可能有不同的周期，于是可选用三个不共面的方向上的最小周期作为这三个不共面方向上的单位长度，并选取任一阵点作为坐标原点。由此原点引出的三个方向的单位长度为初基平移矢量（简称基矢），这样空间点阵中的所有阵点的位置矢量（简称位矢）都可用矢量来描述，用数学式子表示为:（1.1-1）式中n1、n2、n3可取所有整数值。α1、α2、α3通常称为基矢。基矢我们把所有阵点可用式（1.1-1）描述的点阵称为布喇菲点阵或布喇菲格子（Bravaislattice）。图1-1给出了一个简立方的三

6、维布喇菲点阵，点阵中的任一阵点的位矢均可用式（1.1-1）来描述。a1a2a3图1.1-1简立方的三维布喇菲点阵对于晶体，如果不考虑原子的影响，把晶体中的每个原子用处在那个原子位置的几何点来代替，这样就得到晶体几何性质相同的点的集合，我们把这种集合称为晶格。不同晶体原子规则排列的具体形式可能是不同的，我们就说它们具有不同的晶格结构。有些晶体之间（例如Cu和Ag、Ge和Si等）原子规则排列的形式相同，只是原子间的距离不同，我们仍说它具有相同的晶格结构。有了晶格的术语后，阵点通常又称为格点，描述阵点位置的位矢又称为格矢。很明显，

7、晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间点阵来决定的。所有晶格的共同特点是具有周期性。这种周期性通常用原胞和基矢来描述。所谓原胞是指一个晶格中最小的周期性单元。如在一个晶格中取任一个格点为顶点，作一个边长等于基矢大小的平行六面体，以这个平行六面体作为重复单元，整个晶格就可看成是这种平行六面体无缝隙地重复排列而成。这个平行六面体就是这个晶格的原胞。晶格、原胞原胞的选取并不是唯一的。原则上讲：只要是最小周期性单元都可以，但实际上各种晶格结构已有习惯的原胞选取的方式。三维晶格的原胞通常是一个平行六面体所谓晶格基矢是指原胞的边矢量，一般

8、用a1、a2、a3表示。例如简单立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等，三个基矢可以写成：体心立方晶格和面心立方晶格的立方单元都不是最小的周期性单元。二维格子几种可能的基矢二维格子几种可能的原胞取法必须指出的是，晶体学中为了使原胞能反映晶