SolidStatePhysics固体物理-华中科技大学研究生院

Solid State PhysicsCourse ID：83035000Course Title：Solid state physicsCredit：4 Semester：the 8th semesterTeaching Objects：the speciality of Selective Course：Quantum mechanics,applied physics Thermology·Statistical physicsInstructor：Hong-Qiang Song, Ph.D.Course Description：Solid-state physics, the largest branch of condensed matter physics, is the study of rigid matter, or solids. The main contents are close-packing, Bravais lattice, primitive cell, unit cell, crystal array, crystal plane, reciprocal space, atomic scattering factor, geometrical structure factor, electronegativity, cohesive energy, covalent crystal, ionic crystal, atomic and ionic radii, one-dimensional crystal lattice, three-dimensional crystal lattice, normal vibration, phonon, heat capacity, harmonic approximation, edge dislocation, low angle grain boundary, Madelung constant, ionization energies of the elements, dielectric constant, internal energy, Frenkel defect, neutron scattering, Bloch function, Bloch theorem, Bragg reflection, Brillouin zone, energy band, symmetry operation, symmetric group, orthogonalized plane wave, electron affinity, electromagnetic phonon, plane wave method, Blende structure, saturation of covalent bonds, optical branch, valence band, conduction band, effective mass, relaxation time, free electron model, hybrid orbit, Schottky defect, dislocation, Dulong-Petit’s law, density of states, Boltzman equation, De Hass-Van Alphen effect, and so on.Grading Scheme：Classroom Participation (10%)Homework (10%)Midterms (10%)Final Exam (70%)Text Book：[1]Jin-Feng Wang. Introduction to Solid State Physics, 6th edition. Shandong University Press, 2008References:[1] Kun Huang & Ru-Qi Han. Solid State Physics, Higher Education Press, 1988[2] Kittel, C. Introduction to Solid State Physics, 8th edition. John Wiley & Sons, Inc., 2005。

《固体物理》课程教学大纲一、《材料制备技术》课程说明（一）课程代码：08131007（二）课程英文名称：Solid State Physics（三）开课对象：物理系本科专业（四）课程性质：本课程是材料物理专业和应用物理专业的一门专业必修课。

（五）教学目的这是继大学物理以后基础且关键的一门课程。

通过本课程的学习，使学生了解晶体结构的基本描述、固体材料的宏观和微观特性，以及自由电子模型和能带理论等，掌握周期性结构固体材料的常规性质和处理方法，为以后专业课程的学习提供基础的知识。

（六）教学内容：基本内容有两大部分：一是晶格理论，二是固体电子理论。

晶格理论包括：晶体的基本结构及确定晶格结构的X光衍射方法；晶体中原子间的结合力和晶体的结合类型；晶格的热振动及热容理论；晶格的缺陷及其运动规律。

固体电子论包括：固体中电子的能带理论；金属中自由电子理论和电子的输运性质。

（七）学时数、学分数及学时数具体分配学时数：72学分数：4（八）教学方式：课堂教学（九）考核方式和成绩记载说明：考核方式为考试。

严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占20％，平时成绩占20％，期末成绩占60％。

二、讲授大纲与各章的基本要求第一章晶体的几何教学要点：通过本章的教学使学生初步了解晶体几何学的基本知识，掌握晶格、晶面、晶向等基本概念，对点群和对称性有一定的了解。

教学时数：12教学内容：第一节：晶格及其周期性第二节：晶向、晶面和它们的标志第三节：晶体的宏观对称和点群第四节：晶格的对称性考核要求：1.理解单晶、准晶和非晶材料原子排列在结构上的差别（领会）2.掌握原胞、基矢的概念，清楚晶面和晶向的表示，了解对称性和点阵的基本类型（识记）3.了解简单的晶体结构（识记）4.掌握倒易点阵和布里渊区的概念，能够熟练地求出倒格子矢量和布里渊区（应用）第二章晶体的结合教学要点：了解晶体的基本结合形式，掌握原子的负电性的基本原理，能熟练计算离子晶体的结合能。

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第二章习题
1、计算NaCl 晶胞从（1,1,1）扩至（2,2,2）的马德龙常数
2、.有一晶体，在平衡时的体积为0V ，原子之间总的相互作用能为0U ，如果原子间相互作
用能由下式给出：
n
m
r r r u β
α
+
-
=)(，
试证明弹性模量可由[])9/(00V mn U 给出。

提示：原子间总结合能为)//)(2/()(n m r r N r U βα+-=，体积3ANr V =。

3、.上题表示的相互作用能公式中，若2=m ，10=n ，且两原子构成稳定分子时间距为
10
⨯m，离解能为4eV，试计算α和β之值。

10
3-
4、如果NaCl结构中离子的电荷增加一倍，晶体的结合能及离子间的平衡距离将发生多大的变化？
5、NaCl晶体的体弹模量为2.4×1010Pa，在2×109Pa的气压作用下，晶体中两相邻离子间的距离将缩小百分之几？
6、计算GaAs和氧化铝\氮化铝中离子键的比例。

7、对线型离子晶体，在一条直线链上交替地载有电荷±q 的2N 个离子，最近邻之间的排斥
势能为
n r
b。

（1）试证在平衡间距下 )1
1(42ln 2)(0020n
r Nq r U --=πε
（2）令晶体被压缩，使)1(00δ-→r r ，试证在晶体被压缩单位长度的过程中，（外力）所做功的主项为2)2/1(δC ，其中
0242ln )1(r q n C πε-=
思考题
1.原子结合成晶体时，原子的价电子将重新分布，从而产生不同的结合力。

分析各类晶体
中决定结合类型的主要结合力。

华中科技大学硕士、博士研究生课程体系学院（系、所）名称：物理系研究生课程体系负责人：易林提交时间：2008.4.28研究生院印制二〇〇七年九月研究生课程体系建设基本要求及填表说明1、学院（系、所）研究生课程体系是指本院（系、所）为保证所培养的研究生具备应有的专业知识结构和综合能力而开设的结构合理、层次分明、内容先进的各类课程总和。

本院（系）研究生根据培养目标需要选修其他院系开设的课程不列入本院系研究生课程体系，可在培养方案的课程设置中体现。

2、研究生课程体系设置应积极借鉴国内外同类学科研究生课程设置的先进经验3、研究生课程设置既要考虑“专业层面”，也要考虑人才培养中的“个性层面”4、研究生课程设置要注重理论与实践的结合，在重视基础理论的同时，要加强研究生实践实验能力、解决实际问题能力及综合能力的训练与提高5、根据人才培养与课程目标的需要，支持开设专题前沿讲座课程6、研究生课程内容要体现本科、硕士、博士三个层次的区别，同样内容的课程不应重复设置7、鼓励按照一级学科进行研究生课程与教材建设8、研究生专业课原则上每门不超过32学时（2学分，16学时=1学分）9、课程类型指：讲授课程、实践（实验、实习）课程、研讨课程、专题讲座、其它。

其中，专题讲座指由一个或多个校内外专家为研究生开设的学术报告或系列讲座，每年讲座专家及内容可不同10 表3中的“先修课程”是指在选修本课程前应先修的课程或应具备的背景知识物理学院研究生课程体系汇总表（2009年更新）表3．物理系高等固体物理研究生课程简介表3．物理系纳米材料学研究生课程简介表3．物理系现代物理实验方法研究生课程简介表3．物理系薄膜物理与薄膜材料研究生课程简介物理系磁性物理和磁性材料研究生课程简介表3．物理系等离子体物理与技术研究生课程简介表3．物理系低温固态物理研究生课程简介表3．物理系磁性物理和磁性材料研究生课程简介表3．物理系高等量子力学研究生课程简介表3．物理系原子光学研究生课程简介表3．物理系量子光学研究生课程简介物理系固体光学研究生课程简介物理系非线性光学研究生课程简介。

华中科技大学一九九九年招收硕士研究生入学考试试题 考试科目： 固体物理 适用专业： 微电子学与固体电子学（除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回）1.设半径为R 的硬球堆成体心立方晶格，计算可以放入其间隙位置的一个硬球的最大半径r2.已知NaCl 晶体平均每对离子的相互作用能为 2()n q B u r r rα=-+，其中马德隆常数 1.75α=, n = 9，平衡离子间距0 2.82r = Å，求其声学波与光学波之间的频率间隙Δω（Na 的原子量为23, Cl 的原子量为35.5, 1原子质量单位为1.67×2410-克，104.810q -=⨯静电单位电荷）3.已知碳在()铁中的扩散系数D 与温度关系的实验数据为：当温度为200度时，扩散系数D200℃ = 11210/cm -秒；温度为760℃时，D760℃ =-6210/cm 秒，试求扩散过程的激活能Q （千焦耳/摩尔）（气体常数R=8.31焦耳/摩尔·开）4.设N 个电子在边长为L 的正方形框中自由运动，在求解薜定谔方程时所得电子的本征能量220()x y E n n E =+式中，x n ，y n ，为任意正整数，0E 为基态能量，试求绝对零度时系统的费米能F E5.设晶格势场对电子的作用力为L F ，电子受到的外场力为e F ，证明电子的有效质量*m 和电子的惯性质量m 的关系为：*ee L F m F F =+六．已知Na 的费米能 0F E = 3.2ev ，在 T = 0k 下, 测知其电导率σ= 2.1×17110()cm -Ω⋅，试求该温度下Na 的电子的弛豫时间τ.（常数:104.810e cgsu -=⨯, m = 9.1×2810g -，271.0510erg s -=⨯⋅，121.610lev erg -=⨯）华中科技大学二00一年招收硕士研究生入学考试试题 考试科目： 固体物理 适用专业： 微电子学与固体电子学（除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回）一、选择题（25分）1.晶体的宏观对称性中有（ ）种基本的对称操作A.7B.8C.14D.322.金刚石晶格的布拉菲格子为（ ）A.简立方B.体心立方C.面心立方D.六角密排3.GaAs 晶体的结合方式为（）A.离子结合B.共价结合C.金属性结合D.共价结合+离子结合4.NaCl 晶体的配位数是（）A.4B.6C.8D.125.KBr 晶体中有3支声学波和（）支光学波A.6B.3C.6ND.3N6.体心立方晶格的晶格常数为a ，其倒格子原胞体积等于（） A.31aB.338a πC.3316a πD.3332a π 7.周期性势场中单电子本征波函数为（）A.周期函数B.旺尼尔函数C.布洛赫函数D.r k e V1 8.极低温下，固体的比热Cv 与T 的关系（）A .Cv 与T 成正比 B. Cv 与2T 成正比 C. Cv 与3T 成正比 D. Cv 与T 无关9.面心立方晶格的简约布里渊区是（）A.截角八面体B.正12面体C.正八面体D.正立方体10.位错破坏了晶格的周期性，位错是（）A.点缺陷B.线缺陷C.面缺陷D.热缺陷二、简要回答下列问题（20分）1.简述金属，绝缘体和半导体在能带结构上的差异.2.为什么对金属电导有贡献的只是费米面附近的电子？3.引起固体热膨胀的物理原因是什么？4.什么是金属的功函数，写出两块金属之间的接触电势差12V 与功函数1φ、2φ之间的关系式.三、（15分）一维周期场中电子的波函数是πψa x x x 3sin)(=，（a 是晶格常数），试求电子在该状态的波矢。

《固体物理学》教学大纲
一、课程基本信息
二、课程教学目标
通过本课程的学习，使学生将能够了解固体物理学发展的基本情况，以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用，了解固体物理所研究的基本内容和固体物理研究前沿领域的概况，掌握固体物理学的基本概念和基本规律，掌握晶体宏观物理性质及其组成粒子之间相互作用与运动规律，并能解释晶体基本物理性质的微观机理，培养应用固体物理学理论分析和处理问题的能力。

三、理论教学内容与要求
四、考核方式
采用期末考试、平时考核的考核方式。

总成绩为100分，其中期末考试成绩占总成绩的70％，平时成绩(考核包括作业、出勤、课堂讨论等)占总成绩30％。

《固体物理学》教学大纲课程代码：NANA3012课程名称：固体物理学英文名称：Solid State Physics课程性质：专业核心课学分/学时：4/72考核方式：闭卷考试开课学期：5适用专业：纳米器件技术先修课程：量子力学，大学物理后续课程：光电器件技术开课单位：纳米学院选用教材：《固体物理学》；作者：黄昆原著；韩汝琦改编；出版社：高等教育出版社一、课程目标通过本课程的理论教学和实验训练，使学生具备下列能力：1.掌握固体物理学中的基本概念，能够在科学论文阅读和科学实验中辨识出其应用的固体物理学基本概念。

（支撑毕业要求指标点1-1）2.能根据固体物理学中的基本概念和定理，对固体中常见的物理现象进行分析和定量化求解。

（支撑毕业要求指标点1-2）3. 能根据固体物理学中的基本概念和定理，对固体状态的纳米材料的关键物理性能指标进行评价，进而对纳米科技领域的复杂物理问题进行预测与模拟。

（支撑毕业要求指标点2-1）二、教学内容主要包含四部分：固体的晶体结构及晶体结合；固体的晶格振动；固体的电子结构。

1. 固体的晶体结构的主要内容包括：布拉伐格子，晶体系统分类，晶面及晶向，倒格矢，布里渊区，X光衍射，晶体的结合类型，不同类型的晶体结合中的力及势能特征等。

要求学生：（1）能理解并熟练掌握晶体结构及晶体结合的基本概念；（2）掌握晶面及晶向的相关计算，掌握晶体结合能的相关定理及公式的应用及计算；（3）掌握X光衍射的实验原理，会解释纳米结构的X光衍射图谱。

2. 固体的晶格振动的主要内容包括：一维单原子链的简谐振动，一维双原子链的简谐振动，声子，声子振动的色散关系，声学声子与光学声子，表面声子激元等要求学生：（1）能理解并熟练掌握晶格振动的基本概念，特别是声子；（2）掌握一维单原子链及一维双原子链简谐振动的色散关系的推导；（3）掌握表面声子激元的实验原理，会解释纳米结构的表面声子激元光谱。

3. 固体的电子结构的主要内容包括：布洛赫定理，费米能级，费米面，能带及能带结构，自由电子模型，表面等离激元等要求学生：（1）能理解并熟练掌握固体电子结构的基本概念，特别是费米能级和能带结构；（2）掌握布洛赫定理的推导，费米能级的相关计算；（3）掌握表面等离激元的实验原理，会解释纳米结构的表面等离激元光谱。

华中科技大学一九九九年招收硕士研究生入学考试试题 考试科目： 固体物理适用专业： 微电子学与固体电子学（除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回）1.设半径为R 的硬球堆成体心立方晶格，计算可以放入其间隙位置的一个硬球的最大半径r2.已知NaCl 晶体平均每对离子的相互作用能为 2()n q B u r r rα=-+，其中马德隆常数 1.75α=, n = 9，平衡离子间距0 2.82r = Å，求其声学波与光学波之间的频率间隙Δω（Na 的原子量为23, Cl 的原子量为35.5, 1原子质量单位为 1.67×2410-克，104.810q -=⨯静电单位电荷）3.已知碳在()铁中的扩散系数D 与温度关系的实验数据为：当温度为200度时，扩散系数D200℃ = 11210/cm -秒；温度为760℃时，D760℃ =-6210/cm 秒，试求扩散过程的激活能Q （千焦耳/摩尔）（气体常数R=8.31焦耳/摩尔·开）4.设N 个电子在边长为L 的正方形框中自由运动，在求解薜定谔方程时所得电子的本征能量220()x y E n n E =+式中，x n ，y n ，为任意正整数，0E 为基态能量，试求绝对零度时系统的费米能FE5.设晶格势场对电子的作用力为L F ，电子受到的外场力为e F ，证明电子的有效质量*m 和电子的惯性质量m 的关系为：*ee L F m F F =+六．已知Na 的费米能 0F E = 3.2ev ，在 T = 0k 下, 测知其电导率σ= 2.1×17110()cm -Ω⋅，试求该温度下Na 的电子的弛豫时间τ.（常数:104.810e cgsu -=⨯, m = 9.1×2810g -，271.0510erg s -=⨯⋅，121.610lev erg -=⨯）华中科技大学二00一年招收硕士研究生入学考试试题考试科目： 固体物理适用专业： 微电子学与固体电子学（除画图题外，所有答案都必须写在答题纸上，写在试题上及草稿纸上无效，考完后试题随答题纸交回）一、选择题（25分）1.晶体的宏观对称性中有（ ）种基本的对称操作A.7B.8C.14D.322.金刚石晶格的布拉菲格子为（ ）A.简立方B.体心立方C.面心立方D.六角密排3.GaAs 晶体的结合方式为（）A.离子结合B.共价结合C.金属性结合D.共价结合+离子结合4.NaCl 晶体的配位数是（）A.4B.6C.8D.125.KBr 晶体中有3支声学波和（）支光学波A.6B.3C.6ND.3N6.体心立方晶格的晶格常数为a ，其倒格子原胞体积等于（） A.31aB.338a πC.3316a πD.3332a π 7.周期性势场中单电子本征波函数为（）A.周期函数B.旺尼尔函数C.布洛赫函数D.r k e V1 8.极低温下，固体的比热Cv 与T 的关系（）A .Cv 与T 成正比 B. Cv 与2T 成正比 C. Cv 与3T 成正比 D. Cv 与T无关9.面心立方晶格的简约布里渊区是（）A.截角八面体B.正12面体C.正八面体D.正立方体10.位错破坏了晶格的周期性，位错是（）A.点缺陷B.线缺陷C.面缺陷D.热缺陷二、简要回答下列问题（20分）1.简述金属，绝缘体和半导体在能带结构上的差异.2.为什么对金属电导有贡献的只是费米面附近的电子？3.引起固体热膨胀的物理原因是什么？4.什么是金属的功函数，写出两块金属之间的接触电势差12V 与功函数1φ、2φ之间的关系式.三、（15分）一维周期场中电子的波函数是πψa x x x 3sin)(=，（a 是晶格常数），试求电子在该状态的波矢。