《固體物理基礎(chǔ)》是教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)規(guī)劃教材。本書(shū)系統(tǒng)介紹了材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格振動(dòng)和聲子、金屬自由電子氣模型、能帶理論、電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體電子論、材料的光學(xué)性質(zhì)、材料的磁學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容,涵蓋固體材料的電、磁、光、熱等物理性能的基本原理,重點(diǎn)講述如何通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)理解材料的物理性能。
本書(shū)注重物理概念的講解,以及如何通過(guò)這些基本概念理解固體材料的不同物理性能及其調(diào)控。書(shū)中減少對(duì)公式的推導(dǎo),增加圖表和實(shí)例講解,同時(shí)大量引入了前沿材料新穎的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)表征手段,將理論知識(shí)與前沿科學(xué)研究緊密聯(lián)系,幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)例更深入地學(xué)習(xí)抽象的理論知識(shí)。考慮到材料類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃,書(shū)中刪減了與其他專業(yè)課重復(fù)的知識(shí)點(diǎn),如晶體缺陷對(duì)材料物性的影響、晶體化學(xué)鍵等內(nèi)容。
本書(shū)是高等學(xué)校材料類相關(guān)專業(yè)本科、研究生的教材,也可供從事材料研究的科研人員參考。
潘安練,湖南大學(xué),院長(zhǎng)、教授,2006年在中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲博士學(xué)位,隨后赴德國(guó)馬普微結(jié)構(gòu)物理所從事洪堡學(xué)者訪問(wèn)研究,2007年底加盟美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)電子工程系從事博士后研究并取得助理研究教授,2010年初受聘湖南省“芙蓉學(xué)者”特聘教授全職加盟湖南大學(xué)工作。
主要從事新型半導(dǎo)體材料和集成光電子技術(shù)研究,力求解決新一代信息通信領(lǐng)域的核心元器件和光子芯片技術(shù)。他在Science, Nature Nanotechnology,Nature Materials等國(guó)際期刊上發(fā)表了200余篇研究論文,多項(xiàng)研發(fā)成果已在國(guó)際上產(chǎn)生了重要學(xué)術(shù)影響,曾以第@一完成人兩次獲得湖南省自然科學(xué)一等獎(jiǎng),并于2019年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
第1章晶體結(jié)構(gòu)
1.1晶體結(jié)構(gòu)的周期性/1
1.1.1晶體的周期性結(jié)構(gòu)/1
1.1.2晶體的分類/4
1.1.3晶體中的原子堆積/6
1.2晶向和晶面/8
1.2.1晶向/8
1.2.2晶面/8
1.3晶體的宏觀對(duì)稱性/9
1.3.1宏觀對(duì)稱元素/9
1.3.2點(diǎn)群/12
1.3.3等價(jià)晶向和等價(jià)晶面/16
1.4晶體的微觀對(duì)稱性/17
1.4.1微觀對(duì)稱操作/17
1.4.2空間群/19
1.5倒格子/20
1.6布里淵區(qū)/22
習(xí)題/24
第2章晶格振動(dòng)和聲子
2.1晶格振動(dòng)/26
2.1.1單原子晶格振動(dòng)/26
2.1.2雙原子晶格振動(dòng)/30
2.1.3復(fù)式晶格的振動(dòng)/32
2.2聲子/32
2.2.1聲子的能量和動(dòng)量/32
2.2.2晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量/34
2.2.3聲子氣體與晶格比熱/36
2.2.4晶格比熱的逆問(wèn)題/42
習(xí)題/43
第3章金屬自由電子氣模型
3.1模型及基態(tài)性質(zhì)/44
3.1.1單電子本征態(tài)和本征能量/44
3.1.2基態(tài)和基態(tài)的能量/46
3.2自由電子氣的熱性質(zhì)/47
3.2.1有限溫度下的能量分布/47
3.2.2電子氣的比熱容/47
3.3自由電子氣的泡利順磁性/49
3.4金屬的電導(dǎo)過(guò)程/51
3.4.1歐姆定律和電導(dǎo)率/51
3.4.2金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果/53
3.5自由電子氣的霍爾效應(yīng)/54
3.5.1霍爾效應(yīng)的原理/54
3.5.2應(yīng)用和發(fā)展/55
3.6自由電子氣的光學(xué)性質(zhì)/56
3.6.1交流電導(dǎo)率/56
3.6.2電子氣的介電常數(shù)/57
3.6.3金屬的光學(xué)性質(zhì)/58
3.7等離激元及應(yīng)用/61
3.7.1等離子體振蕩和等離激元/61
3.7.2等離激元應(yīng)用/62
3.8金屬的熱電子發(fā)射和接觸電勢(shì)/63
3.8.1功函數(shù)/63
3.8.2熱電子發(fā)射/64
3.8.3接觸電勢(shì)/65
3.8.4應(yīng)用:熱離子轉(zhuǎn)換器/66
習(xí)題/68
第4章能帶理論
4.1布洛赫定理/69
4.1.1單電子近似/70
4.1.2布洛赫定理/70
4.1.3能帶及其圖示/73
4.2近自由電子近似/73
4.2.1一維周期勢(shì)作為微擾/74
4.2.2能隙/76
4.3緊束縛模型/78
4.3.1原子軌道線性組合/78
4.3.2瓦尼爾函數(shù)/82
4.4費(fèi)米面與態(tài)密度/83
4.4.1布里淵區(qū)中的費(fèi)米面/83
4.4.2態(tài)密度/84
4.5能帶特征與導(dǎo)電性/85
4.5.1絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體的區(qū)別/85
4.5.2幾種常見(jiàn)材料的能帶及屬性/87
4.6第一性原理計(jì)算方法/88
4.6.1密度泛函理論/89
4.6.2霍恩伯格-科恩定理/90
4.6.3科恩-沈呂九方程/90
4.7緊束縛近似計(jì)算方法/91
4.8角分辨光電子能譜/94
4.8.1角分辨光電子能譜的實(shí)驗(yàn)原理/94
4.8.2角分辨光電子能譜的應(yīng)用/96
4.9掃描隧道顯微鏡技術(shù)/97
4.9.1量子隧穿效應(yīng)/98
4.9.2掃描隧道譜的原理/99
4.9.3系統(tǒng)構(gòu)造/100
4.9.4掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用/102
習(xí)題/102
第5章電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
5.1電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)模型/104
5.1.1準(zhǔn)經(jīng)典近似/104
5.1.2波包與電子平均速度/105
5.1.3電子在外場(chǎng)作用下的狀態(tài)與有效質(zhì)量/106
5.2靜態(tài)電場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)/108
5.3材料導(dǎo)電性能的能帶論解釋/109
5.4靜態(tài)磁場(chǎng)下的電子運(yùn)動(dòng)/111
5.5回旋共振/114
5.6德哈斯-范阿爾芬效應(yīng)/114
習(xí)題/116
第6章半導(dǎo)體電子論
6.1半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)/118
6.2半導(dǎo)體中的雜質(zhì)/120
6.2.1Ⅳ族半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷/120
6.2.2Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷/123
6.3半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布/124
6.3.1電子和空穴數(shù)密度/124
6.3.2本征載流子濃度/129
6.3.3雜質(zhì)半導(dǎo)體中的電子分布/131
6.4半導(dǎo)體的電導(dǎo)率/133
6.5非平衡載流子/135
6.5.1非平衡載流子的產(chǎn)生/135
6.5.2非平衡載流子復(fù)合和壽命/136
6.5.3準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)/137
6.5.4載流子的復(fù)合方式/138
6.5.5載流子的擴(kuò)散和漂移/139
6.6P-N結(jié)/140
6.7金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)/144
6.7.1表面勢(shì)/144
6.7.2金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管/145
6.8異質(zhì)結(jié)/147
6.8.1異質(zhì)結(jié)的能帶圖/147
6.8.2半導(dǎo)體異質(zhì)P-N結(jié)的電流電壓特性及注入特性/148
6.8.3半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)/150
6.8.4半導(dǎo)體超晶格/151
習(xí)題/153
第7章固體材料的光學(xué)性質(zhì)
7.1光學(xué)參數(shù)/154
7.1.1吸收系數(shù)/154
7.1.2介電常數(shù)與電導(dǎo)率/155
7.1.3折射率和消光系數(shù)的Kramers-Kronig變換/156
7.2固體的光吸收過(guò)程/157
7.2.1帶間躍遷和本征光吸收/157
7.2.2激子吸收/160
7.3固體的光發(fā)射過(guò)程/163
7.3.1光發(fā)射過(guò)程/163
7.3.2熒光壽命/165
7.4拉曼散射/166
7.5發(fā)光材料的應(yīng)用/167
7.5.1激光/167
7.5.2光纖/170
習(xí)題/173
第8章固體材料的磁學(xué)性質(zhì)
8.1固體材料的磁化率/174
8.2順磁性與抗磁性/175
8.3鐵磁性與反鐵磁性/177
8.4磁共振技術(shù)與應(yīng)用/180
8.4.1核磁共振/181
8.4.2電子順磁共振/183
習(xí)題/187
參考文獻(xiàn)