固体物理学研究生教学大纲.docx

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固体物理学研究生教学大纲

贵州大学研究生课程教学大纲

任课教师姓名：

张晋敏课程名称：

固体物理学（

）

课内学时数：

54学分数：

3

使用院系部和专业：

理学院微电子学与固体电子学

开课学期：

2009年秋[研一（上）]

开课时间：

教学第二周—教学第十八周

课程要求及目的：

学习《固体物理学》，要求学生熟悉并掌握固体物理的基本概念和术语；深入理解固体宏观性质和微观粒子行为间的必然关联；透彻理解固体中粒子运动的定性概念和物理模型；掌握描述微观粒子运动的理论处理方法。

在此基础上，作为硕士研究生，还应该学习固体物理相关专题和了解固体物理学前沿研究领域。

《固体物理学》是固体物理各分支学科如半导体材料、固体电子器件物理、材料科学等课程的重要基础课程，同时也为学生以后从事材料科学、新材料、功能材料及固体电子器件的研制和开发、材料性能检测等工作打下坚实的基础。

教学内容及学时安排：

（一）教学安排

本课程按教学计划，应安排在一年级上期进行。

计划学时数为54学时，其中授课54学时，复习考试6学时。

（二）教学内容和要求：

教学内容分为三大部分，第一部分为固体物理基本概念和基础理论，包括《固体物理学

》的所有内容，第二部分为固体物理相关专题，第三部分是固体物理学前沿研究。

教学要求见第一章教学内容之后。

（三）教学内容及学时安排

第一部分固体物理学基础

第一章晶体结构（6学时）

1.1晶体的周期结构

1.2十四种布拉维格子和七大晶系

1.3典型的晶体结构

1.4晶面和米勒指数

1.5晶体的对称性

第一章教学要求

1.了解晶体的定义及一般性质，准确掌握固体物理的基本概念和术语，深入理解空间点阵与晶体结构之间的关系；

2.注意区分一些易混淆的概念如简单格子与复式格子、原胞与晶胞等；

3.了解晶列、晶面的标示方法，掌握晶向指数、晶面指数的计算；

4.理解晶体对称性的物理意义，掌握描述晶体宏观对称性的基本对称要素及相应的对称操作；

5.掌握晶系划分的原则，熟记七大晶系及十四种布喇菲格子，掌握各晶系的对称特征及相应的基矢配置。

第二章　晶体中的衍射（3学时）

2.1概述

2.2晶体的倒格子和布里渊区

2.3晶体的衍射条件

2.4原子散射因子和几何结构因子

2.5磁结构晶体对中子的衍射

2.6SEM与STM测定固体结构

第二章教学要求

1.掌握倒格子的定义及其与正格子的关系；

2.掌握布里渊区的定义及几种简单二维晶格前几个布里渊区的作图方法；

3.了解X射线晶体衍射的原理及实验方法；

4.掌握利用几何结构因子分析晶体衍射消光规律的方法。

第三章晶体的结合（3学时）

3.1电负性与晶体的典型结合方式

3.2结合能与晶体的性质

3.3离子结合与离子晶体

3.4范德瓦耳斯结合与分子晶体

3.5共价结合与共价晶体

3.6金属结合及金属晶体

3.7氢键结合与氢键晶体

3.8同分异构体

3.9晶体的弹性模量

教学要求

1.了解晶体结合的基本类型，了解轨道杂化的概念；

2.掌握结合能与晶格参数之间的关系；

3.了解非极性分子和离子晶体结合能的一般形式及其平衡参数；

4.了解晶体弹性的概念及其描述，了解晶体弹性模量与晶体对称性的关系；

5.了解晶体中弹性波的传播过程，能够建立波动方程，在给定传播方向的情况下，可以由波动方程确定该方向的有效弹性模量、弹性波的传播速度及偏振方向。

第四章晶格振动与晶体的热学性质（6学时）

4.1一维单原子链的振动

4.2一维双原子链的振动

4.3格波能量的量子化•声子

4.4三维晶格振动

4.5离子晶体中的长光学波

4.6声子谱的实验测定

4.7晶格比热

4.8非谐振动，热传导和热膨胀

4.9晶体状态方程

第四章教学要求

1.了解一维单原子链及一维双原子链的振动，领会声学波和光学波的含义，熟悉晶体的周期性边界条件，掌握模式密度的概念及计算方法，熟记晶格振动的一般结论；

2.深入理解晶格振动能量量子化的含义，掌握声子的概念及声子的性质；

3.了解固体比热的量子理论，掌握爱因斯坦模型和德拜模型的要点、处理方法及结果讨论。

第五章晶体中的缺陷（2学时）

5.1点缺陷

5.2晶体中原子的扩散

5.3位错

5.4面缺陷

5.5离子晶体的导电性

2、教学要求

1.了解点缺陷和线缺陷的几种基本类型；

2.了解热缺陷存在对晶体自由能的影响，掌握热缺陷数目的统计规律；

3.领会热缺陷运动的含义并掌握其产生和复合的规律；

4.深入理解扩散的本质及扩散的宏观规律，了解几种扩散的微观机制。

第六章金属电子论（3学时）

6.1金属自由电子气的量子理论

6.2金属的电导过程

6.3在磁场中金属的输运性质

6.4电子发射

6.5等离子体

6.6维格纳晶格

第六章教学要求

1.了解索末菲自由电子模型的基本要点，掌握其能谱结构；

2.了解电子态分布的概念，熟练掌握索末菲自由电子的基态性质，掌握能态密度的计算方法；

3.了解电子气对金属比热的贡献，理解费密冻结的物理意义；

第七章周期场中的电子态（6学时）

7.1周期性势场和布洛赫电子

7.2近自由电子近似

7.3紧束缚近似

7.4电子的准经典运动

7.5能带填充与固体的导电性

7.6费米面和粒子的轨道

第七章教学要求

1.熟练掌握一维布洛赫定理及其证明过程；

2.领会能带和能隙的概念，掌握周期场中电子能谱的几种表示方法；

3.了解近自由电子模型的基本要点、处理方法及基本结论，熟练掌握计算禁带宽度的方法；

4.了解紧束缚近似模型的要点、处理方法及基本结论；

5.熟练掌握紧束缚近似下一些常见晶体的S能带电子能谱、能带宽度、k态电子速度、能带底部和能带顶部电子的有效质量等的计算方法；

6.了解电子速度和加速度的表达式，领会电子有效质量的概念并掌握其计算方法；

7.了解满带、导带、价带的概念，掌握满带电子和导带电子的基本性质，了解金属、半导体和绝缘体的能带结构特点，掌握金属、半导体和绝缘体的本质。

8.掌握二维晶格自由电子费密面的构造方法，掌握电子费密面的几种表示方法：

展延区图示、简约区图示和周期区图示；了解周期场中电子费密面的特点。

第二部分固体物理学相关专题

第八章半导体中的电子进程（6学时）

8.1半导体的晶体结构及能带结构

8.2杂质半导体

8.3半导体中载流子的统计分布

8.4半导体的电导率和霍尔效应

8.5非平衡载流子

8.6p-n结

8.7金属-氧化物-半导体（MOS）结构

8.8量子阱和超晶格

8.9二维电子气

第八章教学要求

1.了解半导体的典型晶体结构；掌握半导体中电子态的描述及半导体的能带结构特点；掌握椭球形等能面的能态密度计算方法；理解有效质量的物理意义伋有效质量的实验测量方法（回旋共振）；

2.深入理解杂质对半导体能带结构及其性质的影响；了解常见半导体中的浅能级杂质和深能级杂质在半导体中引入的能级之位置及其对半导体性质的影响。

。

3.能够分析不同条件下半导体的电中性条件，掌握半导体中载流子的统计分布规律，深刻理解半导体费米能级的重要性；

4.了解半导体的导电机构，半导体中载流子散射的主要机制；

5.了解非平衡载流子的产生和复合机制，理解准费米能级的概念及物理意义；

6.了解PN结的结构，掌握PN结的能带结构和理想PN结的电流电压关系；

7.了解金属绝缘体-半导体系统的结构及能带图；

8.了解量子阱和超晶格的结构及能带图。

9.了解二维电子气的一般性质。

第九章固体的表面和界面（3学时）

9.1表面原子结构

9.2表面原子振动

9.3表面电磁耦合子

9.4表面电子态

9.5量子霍尔效应

第九章教学要求

1.了解有关固体表面和界而结构及性质的新概念和术语；

2.了解表面原子结构；

3.了解表面原子振动态的描述；

4.了解表面电子态的描述；

5.了解量子霍尔效应及相关的理论基础。

第十章固体的介电性（3学时）

10.1晶体的介电常数

10.2极化的微观机制

10.3介电损耗和极化弛豫

10.4铁电性

10.5钛酸钡的铁电性

10.6朗道相变理论

10.7极化子

第十章教学要求

1.了解固体电极化过程的宏观描述及其微观过程；

2.了解介电损耗与微观极化弛豫过程的关系；

3.了解铁电体的基本性质及相关的相变特征和相变的微观机制；；

4.了解极化子的概念及基本性质。

第十一章固体的光学性质（3学时）

11.1光学参数

11.2带间跃迁和本征光吸收

11.3激子的光吸收

11.4极性晶体的晶格光反射和光吸收

11.5拉曼散射

11.6激光作用原理

11.7激光器

11.8非线性极化和非线性光学

第十一章教学要求

1.了解固体光学常数间的一般关系；

2.了解带间跃迁的基本理论，深入理解固体中光吸收与其能带结构特点及电子态之间的关系；

3.了解激子吸收的一般性质；

4.了解极性晶体中光反射和光吸收的基本性质；

5.了解拉曼散射的原理及一般特性；

6.了解激光产生的条件和激光器工作的基本原理；

7.了解非线性光学的基本概念及其性质。

第十二章固体的磁性（3学时）

12.1固体磁性的一般论述

12.2固体的抗磁性

12.3固体的顺磁性

12.4电子顺磁共振

12.5铁磁性和外斯理论

12.6自旋波

12.7反铁磁性及亚铁磁性

12.8巨磁电阻和超巨磁电阻效应

第十二章教学要求

1）了解固体磁性的来源及分类；

2）了解电子运动对固体磁性的贡献；

3）了解顺磁性的统计理论；

4）了解铁磁性的描述和分子场理论；

5）了解交换相互作用和局域电子模型

6）了解自旋波的概念。

7）了解巨磁电阻和超巨磁电阻效应的现象和相关的理论模型。

第十三章超导电性（3学时）

13.1超导态的基本特性

13.2伦敦理论和皮帕德修正

13.3金兹堡-朗道理论

13.4电子间有效吸引势和库珀对

13.5BCS超导理论

13.6超导能隙和隧穿效应

13.7约瑟夫森效应

13.8高温超导体

第十三章教学要求

1.了解超导的概念和超导体的基本性质；

2.了解超导的基本理论；

3.了解超导体的基本效应

4.了解高超超导现象和高温超导体的一般性质；

第三部分固体物理学前沿（4学时）

本部分主要是通过让学生阅读近期期刊文献，上网查询，了解固体物理前沿研究领域和当前研究热点，拓宽知识面，开阔视野。

同时可以让学生学会搜索文献资料的方法，学习科技论文写作的基本要领。

对所收集和阅读的文献以题堂报告的形式展开讨论，最后完成课程论文的写作。

（四）考试

《固体物理学》为考试课程，考试以闭卷笔试加课程论文写作方式进行。

笔试内容应尽量覆盖所学内容，着重检查学生对基本概念的理解及对基本理论的掌握情况。

课程论文写作要求学生在广泛阅读文献的基础上，按正确的学术论文格式写作，对感兴趣的前沿问题进行综述。

（五）教学中应注意的几个问题

1.第一部分：

1）第一章的讲授中应注意概念和术语的准确性，物理量（特别是矢量）的表示方法，强调晶体对称性高低是划分晶系的基础。

2）第三章的讲授中应注意格波、声子概念的由来，引入声子模型的物理意义。

3）第五章的讲授中就注意周期场中电子能谱的一般特点；近自由电子模型在简并情况下能谱出现分裂，产生能隙（禁带），从而形成带状结构；强调由近自由电子模型可以计算禁带的宽度。

4）第六章的讲授中应注意紧束缚模型对S电子能带的处理结果及其应用，了解固体中的能带与孤立原子中分立能级之间的关系，从而理解固体中能带是如何形成的。

2.第二部分

第二部分内容为固体物理学相关专题，每一个专题都是固体物理学的一个分支学科，同时也是一个新的学科领域，是固体物理基础理论在一些具体系统中的应用与发展，包括的内容十分丰富，既有固体基础理论的应用，同时也有这些系统本身的特点和新的理论与规律。

因而在讲授这一部分的内容时，既要说明与固体物理基础理论的关系，也要介绍这一学科领域的新理论和新规律，力求让学生了解本学科领域的全貌。

主要参考书目：

1）陆栋，蒋平，徐至中，固体物理学，上海科学技术出版社

2）方俊鑫，陆栋，固体物理学，上，下册，上海科学技术出版社

3）黄昆，韩汝琦，固体物理学，高等教育出版社

4）基泰尔（CharlesKittel），固体物理导论，科学出版社

C.Kittel，《IntroductionofSolidStatePhysics》7th，JohnWiley&Sons,Inc.,1996