spContent=想为我国芯片事业做贡献吗?那就要学固体物理。知道量子力学吗?清华同学说:量子力学量力学,意思是很难,而量子力学是固体物理的先修课程,说明固体物理也不简单,而我们讲的固体物理,听过的人都评价说“醍醐灌顶,茅塞顿开”。所以,请与我们一起进入固体物理的学习,探索其中的奥秘,领略固体物理的风采吧!
想为我国芯片事业做贡献吗?那就要学固体物理。知道量子力学吗?清华同学说:量子力学量力学,意思是很难,而量子力学是固体物理的先修课程,说明固体物理也不简单,而我们讲的固体物理,听过的人都评价说“醍醐灌顶,茅塞顿开”。所以,请与我们一起进入固体物理的学习,探索其中的奥秘,领略固体物理的风采吧!
—— 课程团队
课程概述
《固体物理基础》是功能材料专业的一门重要专业基础课。该课程是以完整晶体为研究对象,研究固体的结构及其组成粒子间的相互作用与运动规律,阐明其宏观性能和用途,为人们按指定性能研制新材料提供科学途径。本课程将从物理学的角度来说明物质的微观结构、形貌、原子电子运动状况以及它们与材料性能和成分之间的关系。该课程主要讲述材料的晶体结构和结合,材料的晶格振动和热学性质,金属电子理论及能带理论,晶体中电子在电场和磁场中的运动学,半导体的能带结构和相关特性等。该课程是学习后续的半导体物理基础、固体发光材料等课程的基础。
授课目标
课程目标1:通过本课程的学习,使学生系统地掌握有关固体物理中的基本概念和基本理论,晶体中电子和晶格的运动规律以及能带的计算方法,初步掌握研究分析固体物质的微观运动规律和与宏观现象之间联系的方法和原理。掌握功能材料专业所需的自然科学的专业知识,为解决光电功能材料与器件相关领域的复杂工程问题奠定理论基础。
课程目标2:培养学生建立物理图景的能力,使他们能够对晶格振动和电子运动等复杂现象进行直观理解。提高学生运用所学知识分析和解决物理问题的能力,特别是处理多粒子系统的近似方法。强调物理模型的建立和描述,培养学生的科学思维能力,使他们能够运用物理学思想和方法解决问题,为毕业后从事相关领域的工作奠定理论基础。运用自然科学的基本原理,识别、表达和判断功能材料及相关领域中的专业基础问题。
课程目标3:系统了解固体物理发展的主要脉络、重大科学事件,引导学生关注领域新进展、新技术和新应用,了解新技术中的物理思想以及物理学新发现、新理论对社会的影响,培养他们的现代科学意识。系统掌握基础理论和专业知识,对新能源、半导体、生物技术产业的研发以及过程质量控制问题进行研究,包括实验数据进行处理、分析和解释、并通过获得的信息进行分析处理,从而得到合理有效的结论。
思政目标:培养学生的科学精神、爱国情怀、社会责任感以及创新思维和实践能力。介绍我国在固体物理相关领域的重大成就,增强学生的民族自豪感和自信心。引导学生认识到科技进步对国家发展的重要性,树立科技报国的远大理想。强调诚信、公正、尊重他人成果等职业道德规范,培养学生的良好职业素养。鼓励学生敢于质疑现有理论,勇于提出新观点和新方法,培养创新精神和创新能力。鼓励学生勇于探索固体物理领域的未知问题,培养对科学真理的不懈追求精神。引导学生学会独立思考,培养批判性思维能力。
成绩 要求
期末考试成绩 70%
期中阶段性测试成绩 10%
spoc课前预习和完成作业成绩 10%
线下课堂表现成绩 10%
课程大纲
晶体结构
课时目标:掌握简单晶体的结构,以及晶体结构常用的概念:原胞、晶胞、简单格子、复式格子、布喇菲格子;晶列、晶面的标志;倒格子等;掌握晶体衍射。
1.1 本章导学
1.2 晶格实例1
1.3 晶格实例2
1.4 晶体结构的周期性1
1.5 晶体结构的周期性2
1.6 晶向、晶面和它们的标志
1.7 倒格子
1.8 倒格子与正格子的关系
1.9 晶体的对称性之对称操作
1.10 晶体的对称性之对称分类
1.11 晶体的x射线衍射
固体的结合
课时目标:理解晶体结合的基本类型及特点,理解结合能、晶格常数等概念。
2.1 离子性结合
2.2 共价结合
2.3 金属性结合和范德瓦耳斯结合
2.4 元素和化合物晶体结合的规律性
晶格振动与晶体的热学性质
课时目标:掌握分析晶格振动的方法:简谐近似和简正坐标、一维单原子链、一维双原子链。了解确定晶格振动谱的实验方法;理解格波、声子、声学波和光学波概念,以及声子和其它形态粒子的相互作用,认识晶格振动和宏观热学性质间的联系。了解三维晶格振动、离子晶体的长光学波、晶格热容的量子理论。
3.1 简谐近似和简正坐标
3.2 一维单原子链
3.3 一维单原子链振动特点,声子
3.4 一维双原子链
3.5 三维晶格的振动
3.6 布里渊区
3.7 离子晶体的长光学波
3.8 确定晶格振动谱的实验方法
3.9 晶体热容的量子理论-爱因斯坦模型
3.10 德拜模型
3.11 晶格振动模式密度
能带理论
课时目标:重点掌握固体的能带理论,理解掌握布洛赫定理的意义和应用,以及一维周期场中电子运动的近自由电子近似处理方法。掌握能带理论中的几个重要概念(布里渊区,简约布里渊区,态密度,费米面)和关系的三种图式。应用所学内容能够进行简单能带的计算。
4.1 能带理论导学
4.2 布洛赫定理
4.3 一维近自由电子近似模型微扰计算
4.4 一维近自由电子近似模型简并微扰计算
4.5 一维近自由电子近似模型能带的形成
4.6 三维周期场中电子运动的近自由电子近似
4.7 三维布里渊区举例
4.8 紧束缚模型与微扰计算
4.9 紧束缚近似模型能带论
4.10 晶体能带的对称性
4.11 能态密度
4.12 费米面
晶体中电子在电场和磁场中的运动
课时目标:重点掌握电子运动的半经典模型,波包,电子速度,加速度,有效质量;掌握恒定电场作用下电子的运动规律;理解满带不导电,导体、半导体、绝缘体的能带解释,近满带与空穴;了解恒定磁场下电子的运动,准经典运动,自由电子情况的量子理论。
5.1 波包和电子速度
5.2 有效质量
5.3 恒定电场作用下电子的运动
5.4 导体、绝缘体和半导体的能带论解释
5.5 近满带和空穴
金属电子论
课时目标:掌握费米分布函数,费米能级确定,电子热容量;热电子发射,功函数,不同金属接触电子的平衡和接触电势。
6.1 前言 费米统计
6.2 费米能的确定
6.3 电子热容量
6.4 功函数
6.5 接触势差
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预备知识
参考资料
[1]黄昆, 韩汝琪.《固体物理学》,高等教育出版社,1988年10月第一版,2003年5月第17次印刷;
[2]方俊鑫, 陆栋.《固体物理学》,上海科技出版社,1981;
[3]阎守胜.《固体物理基础》, 北京大学出版社,2001。