固體物理學(xué)

前言

本書第一版印行于2003年。許多兄弟院校采用它作為教材，反饋回來的信息給我們鼓勵(lì)，也提出不少中肯的修改意見。承蒙厚愛，本書修訂列入普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，這方面以及此后的修訂工作應(yīng)該感謝上?？茖W(xué)技術(shù)出版社、復(fù)旦大學(xué)教務(wù)處和物理系的熱情支持。這次修訂全面校正初版中敘述欠妥和表達(dá)不明確以及印刷的差錯(cuò)。此外在固體的光學(xué)性質(zhì)這一章增補(bǔ)一節(jié)：11.9 光纖和固體電荷耦合器件的原理，以介紹2009年度諾貝爾物理獎(jiǎng)的相關(guān)內(nèi)容。這兩項(xiàng)內(nèi)容很重要，成為信息網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，而且又被推到公眾面前，講述有關(guān)內(nèi)容的物理基礎(chǔ)，看來必要了。也為了教材與科技發(fā)展前沿有所呼應(yīng)，而與時(shí)俱進(jìn)。安排在第十一章是為了版面更改不會(huì)太大。當(dāng)然，講課時(shí)光纖部分也可放在固體介電性那一章，而電荷耦合器件可作為8.4節(jié)MOS電容的應(yīng)用。我們衷心感謝使用本書作為教材的廣大教師和同學(xué)，以及關(guān)心本書的同行和愛好者，正是他們的熱情支持和批評(píng)，讓我們有動(dòng)力去努力使本書既反映當(dāng)代固體物理領(lǐng)域豐富多彩的新發(fā)展，又能保持作為教材的基礎(chǔ)水平，還得準(zhǔn)確敘述相關(guān)的基本概念、物理模型、有關(guān)的理論和重要的應(yīng)用原理。我們面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，任重而道遠(yuǎn)，只能勉力而為。編者水平有限，難免書中還有錯(cuò)誤，誠(chéng)請(qǐng)教師和讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材：固體物理學(xué)》系復(fù)旦大學(xué)物理系固體物理學(xué)教材，并列為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。全書系統(tǒng)地介紹固體物理學(xué)的基本概念、物理模型和簡(jiǎn)明的處理方法。共15章分兩部分：一是基礎(chǔ)內(nèi)容，包括固體結(jié)構(gòu)、固體中波的衍射、固體的結(jié)合、晶格振動(dòng)和固體的熱學(xué)性質(zhì)、晶體中的缺陷、金屬電子論和周期場(chǎng)中的電子態(tài)，有7章；第二部分為專題概述，介紹近幾十年來固體物理學(xué)的重要發(fā)展，內(nèi)容有：半導(dǎo)體中的電子過程、固體表面和界面、固體的介電性、固體的光學(xué)性質(zhì)、固體的磁性、超導(dǎo)電性、非晶固體和準(zhǔn)晶體、介觀和納米固體等?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹?guó)家級(jí)規(guī)劃教材：固體物理學(xué)》主題鮮明、取材新穎。對(duì)于新的重大發(fā)展，如掃描隧穿顯微術(shù)、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶體、非晶磁性物質(zhì)、巨磁電阻、超巨磁電阻、固體激光原理、碳60固體、碳納米管、量子霍爾效應(yīng)、高溫超導(dǎo)體、介觀現(xiàn)象、納米固體，均有由淺入深、概念清晰、物理圖像鮮明的敘述，為進(jìn)入有關(guān)領(lǐng)域的學(xué)科和技術(shù)研究提供了必要的物理基礎(chǔ)。本版增加了光纖和電荷耦合器件原理的內(nèi)容?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹?guó)家級(jí)規(guī)劃教材：固體物理學(xué)》基礎(chǔ)部分可作為高等學(xué)校物理類及相關(guān)專業(yè)本科生固體物理課的教材；專題概述部分可作為大學(xué)高年級(jí)本科學(xué)生選修課和研究生課的教材。

作者簡(jiǎn)介

陸棟，1933年生，福建省屏南縣人。1988年任復(fù)旦大學(xué)物理系教授。歷任復(fù)旦大學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)教研組和表面物理研究室副主任、現(xiàn)代物理研究所副所長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院紅外國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員，國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)半導(dǎo)體學(xué)科評(píng)審組成員，《物理學(xué)報(bào)》、《物理學(xué)進(jìn)展》編委?，F(xiàn)任《大學(xué)物理》編委。合作主編《固體物理學(xué)》（1981年出版）獲1988年國(guó)家教委高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)。合作主編《固體能帶理論》（1998年出版）獲1999年全國(guó)優(yōu)秀科技圖書獎(jiǎng)暨科技進(jìn)步獎(jiǎng)（科學(xué)著作）二等獎(jiǎng)?？蒲蟹矫嬖@國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。蔣平，1938年生，江蘇省如皋市人。1993年4月任復(fù)旦大學(xué)教授，1994年任博士生導(dǎo)師。歷任上海市物理學(xué)會(huì)理事、秘書長(zhǎng)，中國(guó)高科技中心{世界實(shí)驗(yàn)室）協(xié)聯(lián)成員，《中國(guó)物理快報(bào)》特約評(píng)審。長(zhǎng)期從事固體物理方面的理論研究。20世紀(jì)70年代進(jìn)行無定型半導(dǎo)體的理論研究、80年代開展半導(dǎo)體表面吸附和金屬表面結(jié)構(gòu)的研究，90年代初進(jìn)行介觀物理的理論研究。發(fā)表論文70余篇。合作編寫出版《群論及其在物理學(xué)中的應(yīng)用》、《固體物理簡(jiǎn)明教程》、《大學(xué)物理簡(jiǎn)明教程》，合譯出版《表面和薄膜的分析基礎(chǔ)》。獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，上海市教學(xué)成果三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。徐至中，1938年生，浙江省寧波市人。1964年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系半導(dǎo)體理論研究班，留校任教，1994年任教授。從事固體物理及半導(dǎo)體物理的教學(xué)以及半導(dǎo)體表面、界面物理的理論研究，獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。合作編寫過《半導(dǎo)體物理》（1999年出版）和《固體物理簡(jiǎn)明教程》（2000年出版）。曾參加《固體能帶理論》的編寫。

書籍目錄

第一章 晶體結(jié)構(gòu)1.1 周期結(jié)構(gòu)1.1.1 點(diǎn)陣和基元1.1.2 原胞的基矢1.1.3 晶胞1.1.4 維格納－賽茨原胞1.2 十四種布拉維格子和七大晶系1.2.1 布拉維點(diǎn)陣的晶胞類型1.2.2 晶系1.3 典型的晶體結(jié)構(gòu)1.3.1 面心立方及有關(guān)的復(fù)式格子1.3.2 體心立方及氯化銫結(jié)構(gòu)1.3.3 密集型結(jié)構(gòu)1.4 晶面和米勒指數(shù)1.4.1 晶列指數(shù)1.4.2 晶面指教1.5 晶體的對(duì)稱性1.5.1 晶體許可的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸1.5.2 反演1.5.3 晶體的旋轉(zhuǎn)反演軸1.5.4 滑移面和螺旋軸習(xí)題第二章 晶體中的衍射2.1 概述2.1.1 波長(zhǎng)與晶格常數(shù)同量級(jí)的幾種粒子柬2.1.2 衍射波的波幅與強(qiáng)度2.2 晶體的倒格子和布里淵區(qū)2.2.1 倒格子基矢2.2.2 布里淵區(qū)2.3 晶體的衍射條件2.3.1 勞厄方程2.3.2 布拉格反射2.4 原子散射因子和幾何結(jié)構(gòu)因子2.4.1 原子散射x射線的本領(lǐng)2.4.2 晶體結(jié)構(gòu)在衍射中的作用2.5 磁結(jié)構(gòu)晶體對(duì)中子的衍射2.5.1 磁性結(jié)構(gòu)因子2.5.2 低溫MnO的磁結(jié)構(gòu)2.6 SEM與STM測(cè)定固體結(jié)構(gòu)2.6.1 掃描電子顯微鏡原理2.6.2 掃描隧穿顯微鏡原理習(xí)題第三章 晶體的結(jié)合3.1 內(nèi)聚能與晶體的力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)3.1.1 內(nèi)聚能3.1.2 晶體的力學(xué)性質(zhì)與熱學(xué)性質(zhì)3.1.3 原子間的互作用力3.2 離子結(jié)合與離子晶體3.2.1 原子的電離能、親和能及電負(fù)性3.2.2 離子對(duì)的形成3.2.3 離子晶體的幾何結(jié)構(gòu)3.2.4 離子晶體的內(nèi)聚能3.2.5 離子晶體的體積彈性模量3.3 范德瓦耳斯結(jié)合與分子晶體3.3.1 范德瓦耳斯力3.3.2 分子晶體的晶體結(jié)構(gòu)3.3.3 分子晶體的內(nèi)聚能3.4 共價(jià)結(jié)合與共價(jià)晶體3.4.1 氫分子中的共價(jià)鍵3.4.2 共價(jià)鍵的飽和性和方向性3.4.3 共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)3.4.4 極性鍵及非極性鍵3.4.5 共價(jià)晶體的內(nèi)聚能3.5 金屬結(jié)合及金屬晶體3.5.1 金屬結(jié)合3.5.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.5.3 金屬的內(nèi)聚能3.6 氫鍵結(jié)合與氫鍵晶體3.6.1 氫鍵結(jié)合3.6.2 氫鍵晶體——冰3.7 同分異構(gòu)體3.7.1 sp雜化軌道3.7.2 C60分子及其固體3.7.3 C60及A3C60固體習(xí)題第四章 晶格振動(dòng)和晶體的熱學(xué)性質(zhì)4.1 一維單原子鏈4.1.1 運(yùn)動(dòng)方程4.1.2 格波頻率一波矢關(guān)系4.1.3 格波的波速與群速4.1.4 周期性邊界條件4.2 一維雙原子鏈的振動(dòng)4.2.1 格波頻譜分支4.2.2 兩支格波的特征4.3 簡(jiǎn)正坐標(biāo)和格波的量子1.3.1 格波坐標(biāo)4.3.2 格波的量子理論4.4 三維晶格的振動(dòng)模4.4.1 動(dòng)力學(xué)矩陣4.4.2 格波的模式鼓4.4.3 格波頻譜密度4.4.4 范霍夫奇性4.5 離子晶體的光頻模與電磁波耦合4.5.1 長(zhǎng)光頻模的特點(diǎn)4.5.2 黃昆方程4.5.3 利戴恩一薩克斯一特勒關(guān)系4.5.4 電磁耦合子4.6 聲子譜的中子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)定4.6.1 中子非彈性散射4.6.2 三軸中子譜儀4.7 晶格比熱4.7.1 高溫下晶體的晶格比熱4.7.2 低溫晶格振動(dòng)的內(nèi)能4.7.3 愛因斯坦模型4.7.4 德拜模型4.8 晶體物態(tài)方程和熱膨脹4.8.1 物態(tài)方程4.8.2 熱膨脹4.8.3 離子晶體的熱膨脹系數(shù)4.9 晶格熱傳導(dǎo)4.9.1 熱傳導(dǎo)的物理圖像4.9.2 正常過程和翻轉(zhuǎn)過程習(xí)題第五章 量體中的缺陷5.1 點(diǎn)缺陷5.1.1 金屬中的空位5.1.2 空位濃度測(cè)定5.1.3 弗侖克爾缺陷5.1.4 雜質(zhì)原子5.1.5 反位缺陷5.2 晶體中的原子擴(kuò)散5.2.1 擴(kuò)散系數(shù)5.2.2 擴(kuò)散機(jī)制5.2.3 無規(guī)行走5.3 離子晶體的導(dǎo)電性5.3.1 離子電導(dǎo)率5.3.2 愛因斯坦關(guān)系5.3.3 快離子導(dǎo)體5.4 色心5.4.1 F心5.4.2 空穴型色心5.4.3 位形坐標(biāo)圖5.5 位錯(cuò)5.5.1 晶體的臨界切應(yīng)力5.5.2 刃型位錯(cuò)5.5.3 派爾斯勢(shì)壘5.5.4 螺型位錯(cuò)5.5.5 螺型位錯(cuò)與晶體生長(zhǎng)5.5.6 伯格斯回培5.6 面缺陷5.6.1 堆垛層錯(cuò)5.6.2 孿晶界面5.6.3 晶粒問界習(xí)題第六章 金屬電子論……第七章 周期場(chǎng)中的電子態(tài)第八章 半導(dǎo)體中的電子過程第九章 固體的表面和界面第十章 固體的介電性第十一章 因體的光學(xué)性質(zhì)第十二章 固體的磁性第十三章 超導(dǎo)電性第十四章 非晶固體和準(zhǔn)晶體第十五章 介觀和納米固體

章節(jié)摘錄

插圖：眾所周知，氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)是普通物質(zhì)的存在形式；現(xiàn)在習(xí)慣將液態(tài)和固態(tài)統(tǒng)稱凝聚態(tài)，以區(qū)別氣態(tài)這一種組成物質(zhì)的分子等微粒之間相互作用小的存在形態(tài)。本書討論固態(tài)物質(zhì)的各種物理性質(zhì)。固態(tài)區(qū)別于氣態(tài)和液態(tài)的特點(diǎn)在于，其組成粒子（可以是原子、離子、分子或它們的集團(tuán)）的空間位置在沒有外力作用時(shí)大多不會(huì)有宏觀尺度的變化，在低溫下基本上處在固定的位置。另一方面，也正是根據(jù)組成粒子空間位置的區(qū)別，即物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差別，通常將固態(tài)材料劃分為三大類：晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體。晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是組成粒子在空間的排列具有周期性，表現(xiàn)為既有長(zhǎng)程取向有序又有平移對(duì)稱性，這是一種高度長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)晶體中組成粒子的排列也呈有序結(jié)構(gòu)，只是不具有周期性或平移對(duì)稱性，而是同時(shí)具有長(zhǎng)程準(zhǔn)周期平移序與晶體學(xué)不允許的長(zhǎng)程取向序。非晶體中組成粒子的排列沒有一定的規(guī)則，原則上屬于無序結(jié)構(gòu)；然而，由于近鄰原子之間的相互作用，使得一兩個(gè)原子間距范圍內(nèi)在某些方面表現(xiàn)出一定的特征，因而可以看成具有一定的短程序。本書討論的范疇基本上針對(duì)晶態(tài)固體。因此本書中“固體”一詞在狹義上常作為晶體的同義語(yǔ)，涉及準(zhǔn)晶體和非晶體時(shí)都有明確說明。

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《固體物理學(xué)》是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材之一。

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