第1章晶体结构
　　固体材料是由大量的原子（或离子、分子）组成的.一般固体材料每1 cm3的体积中有1022～1023个原子.固体材料中的原子按一定规律排列.根据固体材料中原子排列的方式可以将固体材料分为晶体、非晶体和准晶体.理想晶体中原子排列具有三维周期性，或称为长程有序；非晶体中原子的排列呈现近程有序、长程无序的特点；准晶体的特点则介乎于晶体和非晶体之间.本章主要介绍理想晶体中原子排列的规律.
　　1.1晶体的宏观特性
　　不同原子构成的晶体具有不同的性质，即使是由同种原子构成的晶体，由于结构不同，其性质也会有很大的差别.但不同的晶体之间，仍存在着某些共同的特征，这主要表现在以下几个方面.
　　1.1.1长程有序
　　具有一定熔点的固体称为晶体.用X射线衍射方法对晶体进行研究表明，晶体内部原子的排列是按照一定的规则排列的.这种至少在微米级范围内的规则排列称为长程有序.长程有序是晶体材料具有的共同特征.在熔化过程中，晶体长程有序解体时对应着一定的熔点.晶体可分为单晶体和多晶体.在单晶体内部，原子都是规则地排列的；多晶体是由许多小单晶（晶粒）构成的，在各晶粒内原子是有序排列，而不同晶粒内的原子排列是不同的.
　　1.1.2自限性与解理性
　　晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性，称为晶体的自限性.晶体外形上的这种特性是晶体内部原子有序排列的反映.一个理想完整的晶体，相应的晶面具有相同的面积.晶体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，相应的晶面称为解理面.
　　1.1.3晶面角守恒
　　由于生长条件的不同，同一种晶体外形会有一定的差异.例如，岩盐（氯化钠）晶体的外形可以是立方体或八面体，也可以是立方和八面混合体，如图1.1
　　固体物理学
　　所示.虽然同一种晶体由于生长条件不同，其外型可能不同，但相应的两晶面之间的夹角却总是恒定的.例如，图1.2所示的石英晶体的mm两面间的夹角总是60V， mi?两面间的夹角总是SOlS7，mr两面间的夹角总是38°13'这说明，属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变，这一规律称为晶面守恒定律.
　　1.1.4各向异性
　　晶体的物理性质在不同方向上存在着差异，这种现象称为晶体的各向异性.晶体的晶面往往排列成带状，晶面间的交线（称为晶棱）互相平行，这些晶面的组合称为晶带，晶棱的共同方向称为该晶带的带轴.例如，图1.2中石英的m 面构成一个晶带，晶带的带轴是石英的一个晶轴，即c轴.由于各向异性，在不同带轴方向上，晶体的物理性质是不同的.晶体的各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性，因此对于一个给定的晶体，其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率等一般不再是一个确定的常数，通常要用张量来表述.
　　图1.1氯化钠晶体的若干外形
　　（a）理想石英晶体
　　（b）一种人造石英晶体
　　图1.2石英晶体的不同外形
　　1.2空间点阵
　　早在公元前4世纪就有人注意到石榴石晶体的多角形和规则外形，17世纪又有人提出晶面角守恒的观点.18世纪，Haiiy根据对方解石解理面的观察，认为晶体具有规律外形，是晶体内部原子规则排列的表现.19世纪，布拉维（Bravais）提出了空间点阵学说.认为晶体可以看成由相同的格点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统，这些格点的总和称为点阵，如图1.3所示.20世纪X射线衍射技术从实验上证明了晶体内部的结构的确可以用空间点阵描述.
　　图1.3 格点示意图
　　1.格点与基元
　　如果晶体是由完全相同的一种原子所组成的，则格点代表原子或原子周围相应点的位置.若晶体由多种原子组成，通常把由这几种原子构成晶体的基本结构单元称为基元.格点代表基元的重心的位置.
　　2.晶体结构的周期性
　　由于晶体中所有的基元完全等同，所以，整个晶体的结构可以看作是由基元沿空间3个不同方向，各按一定周期平移而构成，即
　　晶体结构=点阵+基元
　　3.原胞与晶胞
　　晶格具有三维周期性，因此可取一个以结点为顶点、边长分别为3个不同方向上的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性.这个体积最小的重复单元称为固体物理学原胞，简称为原胞.在同一晶格中原胞的选取不是唯一的，但它们的体积都是相等的.为了在反映周期性的同时，还要反映每种晶体的对称性，因而所选取的重复单元的体积不一定最小.结点不仅可以在顶角上，通常还可以在体心或面心上.这种重复单元称为布拉维原胞或结晶学原胞，简称为晶胞.晶胞的体积一般为原胞的体积的若干倍.
　　4.简单格子与复式格子
　　如果晶体由一种原子组成，且基元中仅包含一个原子，则形成的晶格为简单格子或称为布拉维格子.如果晶体虽由一种原子组成，但基元中包含两个原子，或晶体由多种原子组成，则每种原子都可构成一个布拉维格子.而整个晶体可以看作是相互之间有一定位移的布拉维格子套构而成的晶格，称为复式格子.
　　1.3晶格的周期性
　　1.3.1布拉维格子的定义
　　布拉维格子可以看成是矢量的全部端点的集合，其中屯，W2， W3取整数，a2，是3个不共面的矢量，称为布拉维格子的基矢，艮称为布拉维格子的格矢，其端点称为格点.
　　（1.1）
　　布拉维格子的所有格点的周围环境是相同的，在几何上是完全等价的.图1.4所示的二维蜂房点阵，由于A，B格点不等价而不属于布拉维格子.如将灵，B两点看作基元，由它重复排列形成的网格构成布拉维格子.布拉维格子是一个无限延展的理想点阵，它忽略了实际晶体中表面、结构缺陷的存在，以及时原子瞬时位置相对于平衡位置小的偏离.
　　但它反映了晶体结构中原子周期性的规则排列，或所具的平移对称性，即平移任一格矢艮，晶体保持不变的特性，是实际晶体的一个理想的抽象.
　　1.3.2—维布拉维格子
　　一维布拉维格子是由一种原子组成的无限周期性线列.所有相邻原子间的距离均为a.为了能更好地反映周期性，重复单元取为一个原子加上原子周围长度 a的区域，称为原胞.在一维情况下，重复单元的长度矢量称为基矢，通常用以某原子为起点，相邻原子为终点的有向线段a表示，如图1.5所示.由于基矢两端各有一个与相邻原胞所共有的原子，因此每个原胞只有一个原子，每个原子的周围情况都一样.一维布拉维格子的周期性可用数学式表述为
　　（1.2）
　　式中，a是周期；n是整数；ru）代表晶格内任一点工处的一种物理性质.式（1.2）说明，原胞中任一处x的物理性质，同另一原胞相应处的物理性质相同.例如，在图1.5（a）中，距0点:c处的情况同距3点处的情况完全相同.
　　图1.5—维布拉维格子
　　1.3.3—维复式格子
　　如果晶体基元中包含两种或两种以上的原子，则每个基元中，相应的同种原子各自构成与格点相同的网络，这些网络之间有相对的位移，从而形成了所谓的复式格子.
　　设由A，B两种原子组成一维无限周期性线列，原子A形成一个布拉维格子，原子B也形成一个布拉维格子.如这两个布拉维格子具有相同的周期a，且两个布拉维格子互相之间错开距离6，如图1.6（a）所示.这个复式格子的原胞，既可以如图1.6（b）所示，原胞的两端各有一个原子A，也可以如图1.6（c）所示，原胞的两端各有一个原子B.这两种表示的基矢均为a，原胞中各含一个原子A和一个原子 B.此外，对A，B周围情况的表达也是一致的.
　　图1.6—维复式格子
　　一般地，对于由种原子所构成的一维晶格，每个原胞包含n个原子.
　　需要注意的是，即使是由同一种原子构成的晶体，原子周围的情况也并不一定完全相同.例如在图1.7（a）中，由A原子所组成的一维晶格，左右两边的间距不等，即4周围情况和A2周围情况不同.晶格的原胞如图1.7的（b）或（c）所示，每个原胞中包含两个原子，乂和乂组成一个基元.对于一维复式格子，每个原胞内部及其周围的情况相同，式（1.2）仍能概括这种晶格周围性的特征.
　　图1.7同种原子组成的复式格子
　　1.3.4三维情况的原胞
　　对任一三维晶格，习惯上常取3个不共面的最短格矢，a2， a3为基矢组成平行六面体构成原胞，其体积为
　　原则上，基矢的取法并不唯一，因此，原胞的取法也不唯一.但无论如何选取，原胞均有相同的体积.对于布拉维格子，原胞只包含一个原子；对于复式格子，原胞中包含的原子数目正是每个基元中原子的数目.
　　在三维情况下，晶格的周期性也可以用式（1.2）表述.设r为原胞中任一处的位矢，代表晶格中任一物理量，则
　　（1.3）
　　式中，k，4和4是整数；a1，a2，a3是基矢.式（1.3）表明，原胞中任一处r 的物理性质，同另一个原胞中相应处的物理性质相同.
　　1.3.5三维布拉维晶胞
　　布拉维晶胞实际上是一种对称化晶胞，选取布拉维晶胞的原则是
　　（1）选择的平行六面体应能代表整个空间点阵的对称性.
　　（2）平行六面体中有尽可能多的相等的棱和角.
　　固体物理学
　　（3）平行六面体中有尽可能多的直角.
　　（4）在满足上述条件下，选取体积最小的平行六面体.
　　结晶学中，属于立方晶系的布拉维胞有简立方、体心立方和面心立方3种，如图1.8所示.立方晶系的3个基矢长度相等，且互相垂直，即.这些布拉维原胞的基矢沿晶轴方向，取晶轴作为坐标轴，用“j， k表7K坐标系的单位矢量.
　　1.简立方
　　原子位于边长为a的立方体的8个顶角上.每个原子为8个晶胞所共有，对一个晶胞的贡献只有1/8;晶胞的8个顶点上的原子对一个晶胞的贡献恰好是一个原子，这种布拉维晶胞只包含一个原子，即对于简立方，原胞和晶胞是一致的.简立方原胞的基矢为
　　（1.4）
　　由图1.8（a）可知，简立方晶胞的基矢为
　　图1.8立方晶系布拉维原胞
　　2.体心立方
　　除立方体顶角上有原子外，还有一个原子在立方体的中心，故称为体心立方.将体心立方沿体对角线平移，可知顶角和体心上原子周围的情况相同.由于晶胞中包含两个原子，而固体物理要求布拉维原胞中只包含一个原子，因此原胞采用如图1.9（a）的方法选取.
　　图1.9固体物理学的原胞选取示例图

目录
前言
第1章晶体结构1
1.1晶体的宏观特性1
1.2空间点阵2
1.3晶格的周期性3
1.4密堆积与配位数9
1.5几种典型的晶体结构11
1.6晶向指数与晶面指数14
1.7晶体的宏观对称性15
1.8晶体的微观对称性20
1.9倒格子22
1.10晶体结构的实验确定27
1.11准晶34
习题35
第2章晶体的结合37
2.1晶体的结合能37
2.2离子键与离子晶体44
2.3共价键与共价晶体48
2.4金属键与金属晶体51
2.5范德瓦耳斯键与分子晶体52
2.6氢键与氢键晶体56
习题57
第3章晶格振动和晶体的热学性质59
3.1一维原子链59
3.2一维双原子链63
3.3晶格振动的量子化和声子67
3.4晶格振动谱的实验测定方法69
3.5晶格比热71
3.6非谐效应与热导率75
3.7非谐效应与晶体的热膨胀78
习题82
第4章晶体缺陷84
4.1点缺陷84
4.2晶体中的扩散过程89
4.3离子晶体中的点缺陷与导电性92
4.4线缺陷——位错94
4.5面缺陷和体缺陷98
习题101
第5章金属电子论102
5.1特鲁德**电子气模型102
5.2索末菲自由电子气模型106
5.3自由电子气的比热112
5.4电导率和欧姆定律116
5.5金属的热导率119
5.6霍尔效应和磁致电阻119
5.7功函数和接触势差122
习题125
第6章能带理论127
6.1布洛赫定理128
6.2近自由电子近似131
6.3紧束缚近似140
6.4布洛赫电子的准**运动145
6.5导体、半导体和绝缘体的能带论解释151
习题155
第7章半导体电子论157
7.1半导体的能带结构157
7.2半导体的杂质161
7.3半导体载流子统计分布164
7.4半导体的输运现象168
7.5pn结172
7.6半导体超晶格180
习题183
第8章固体的磁性185
8.1原子的磁矩185
8.2抗磁性与顺磁性190
8.3金属传导电子的磁化率194
8.4铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性197
8.5铁磁性的分子场理论199
8.6磁畴和技术磁化202
8.7铁磁性的量子理论简介204
8.8磁性材料的应用212
习题216
第9章超导电性217
9.1超导电性的基本性质217
9.2超导电性的基本理论219
9.3第I类超导体和第II类超导体224
9.4超导隧道效应226
9.5低温超导体231
9.6高温超导体235
习题243
第10章非晶态固体244
10.1非晶态物质244
10.2非晶态结构246
10.3非晶固体的电子态252
10.4非晶材料的缺陷259
10.5非晶态固体的电学性质262
10.6非晶态固体的光学性质266
10.7非晶态材料的制备269
习题272
参考文献273
附录274
主要汉英词汇索引275