普通高等教育“九五”国家级重点教材 固体物理学 胡安章维益 高等教育出版社
内容简介 本书是普通高等教育“九五”国家级重点教材,是作者多年来在南京大学讲授固体物理 的经验的总结作为一本面向大学本科学生的教材,本书在内容取舍、顺序安排、难度处理等 诸多方面都经过反复斟酌本书在传统固体物理的理论框架和不增加篇幅的情况下,对一些 一般教材讲解较少的内容做了比较深入的讲解,例如非完整晶格振动中的局域模、磁致电阻、 范弗莱克顺磁性和超交换耦合等同时,作者适当地引入了一些凝聚态研究领域的新进展,如 准晶体、量子霍尔效应和自旋相关输运等,在尽量不涉及高等量子力学和复杂的数学处理的 情况下做到物理图像清晰、内容融会贯通,以使学生能够掌握从事凝聚态物理研究工作的专 业基础知识全书内容包括晶体的结构及其对称性晶体的结合晶格动力学和晶体的热学性 质、能带论、金属电子论、半导体电子论、固体磁性和超导电性8章 本书可作为高等院校物理类专业本科生、研究生的固体物理教材,也可供其他专业的师 生及社会读者参考 图书在版编目(CIP)数据 固体物理学/胡安,章维益一北京:高等教育出 版社,2005.6 ISBN7-04-017027-2 .固..①胡②章Ⅲ.固体物理学-高 等学校-教材Ⅳ.048 中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第036721号 策划编辑庞永江责任编辑董洪光封面设计刘晓翔责任绘图吴文信 版式设计王艳红责任校对朱惠芳责任印制杨明 出版发行高等教育出版社 购书热线010-58581118 社址北京市西城区德外大街4号 免费咨询800-810-0598 邮政编码100011 网址 http://www.hep.edu.cn 总机010-58581000 http://www.hep.com.cn 经销北京蓝色畅想图书发行有限公司网上订购htpw. http: //www. landraco. com.com 印刷国防工业出版社印刷厂 http://www.landraco.com.en 开本787×9601/16 版次2005年6月第1版 印张23.25 印次2005年6月第1次印刷 字数430000 定价29.00元 本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题,请到所购图书销售部门联系调换 版权所有侵权必究 物料号17027-00
序言 本书作为高等院校理工科讲授固体物理的教科书,目的在于希望通过本课 程的学习,使学生掌握从事凝聚态物理研究工作的起码的物理基础,以及进一步 学习固体理论和凝聚态物理学所需要的基本概念和知识 作为凝聚态物理基础的固体物理学,主要把晶态物质作为讨论对象.在单粒 子近似的基础上,充分利用晶格的平移对称性,统一处理周期结构中波的传播问 题·格波在周期结构中传播导致晶格动力学,德布罗意波在周期结构中传播导致 能带论,也包括自旋波和电磁波在周期结构中的传播, 固体物理学的基本任务是企图从微观上去解释固体材料的宏观物理性质, 并阐眀其规律性·系统的基态和漱发态性质是理解固体物理性质的关键.固体的 基态只依赖于体系中粒子之间的内寨相互作用例如,考虑固体中不同类型的原 子间的相互作用,可以构造成具有不同对称性的晶体结构,而建立在单电子基础 上的金属电子论,体系的基态是电子按能级填充,一直到费米能为止,这是忽略 了相互作用的基态除此之外,不同的相互作用将在一定条件下构成形形色色的 固体基态,例如,磁性离子之间的交换作用可以形成铁磁或反铁磁基态,电子与 声子的相互作用使费米面附近的电子配对(称为库珀对)构成常规超导体的基 态,等等·基态不仅是能量的最低状态,而且是某种有序状态,晶体在外场扰动下 将从基态跃迁到激发态·在弱外场下,晶体的低激发态可以看作一些独立激发单 元的集合,这些敵发单元通常称为元激发,在本书的相应章节中,应用简单模型 和处理方法去论述系统的基态和激发态属性,自然地引入各种类型的基态和元 激发,这些元激发包括:准电子、空穴、声子、极化激元,等离激元、激子和自旋波 量子等,而不将固体中的元激发作为专章讨论 固体物理是建立在周期性和单粒子近似下的简单理论.对于偏离周期性的 系统(包括准周期系统、无序系统、含缺陷的晶体、表面和界面等)以及由于无序 导致的局域化问题,并不做全面的论述,只是在适当的章节,穿插某些典型例子 点到为止,以此说明简单理论的局隈性和解决间题的思路,超越单粒子近似而计 入粒子间相互作用的多体效应问题,诸如金属磁性和超导电性,只在本书第七章 和第八章中做简单讨论,至于窄能带系统中电子关联导致的金属-绝缘体相变 等问题也只以典型例子在相应章节中加以讨论 本书是根据作者多年来在南京大学讲授固体物理的讲稿整理而成的,凝聚
i序言 态物理是一门发展迅速、涉及范围广泛的学科.作为凝聚态物理基础的固体物理 学,自然要适应学科发展的需要,不断地增添一些新的内容.但是作为一本面对 大学本科阶段的教科书,如果一味贪新求全,必然得之东隅,失之桑榆,以致教材 理论艰涩、内容臃肿,篇幅浩繁,不利施教·因此在内容取舍、顺序安排、处理深浅 诸方面都颇多斟酌,本书力求在传统固体物理的理论框架下,穿插一些新的进展 内容,尽量不涉及高等量子力学和复杂的数学处理,做到物理图像清晰,内容融 会贯通.全书共包括晶体的结构及其对称性、晶体的结合、晶格动力学和晶体的 热学性质、能带论、金属电子论、半导体电子论、固体磁性和超导电性等8章,前 七章由胡安执笔,第八章由章维益执笔,全书由章维益和胡安讨论定稿 本书的最后附有习题选编,习题可分为两类:一类是基本题目,目的是为了 使学生巩固和加深对授课内容的理解;另一类涉及凝聚态物理的许多重要物理 效应,诸如λ射线衍射线宽、德拜-瓦勒因子、K3C如晶格的马德隆常数、科恩反 常、软声子模、派尔斯失稳、反铁磁自旋波、近藤效应等.由于教材篇幅的限制,不 拟将后一类题目的内容纳入教材正文,而将其作为习题使之与正文的固体物理 基本理论前后呼应,相得益彰.这样不仅可以充分发挥学生的独立思考的潜质, 也可以培养他们将来从事科学研究的能力 在成书的过程中,我们始终得到冯端教授、李正中教授和张杏奎教授的热情 指导和鼓励。在文字处理和插图绘制方面,得到张维、盛雯婷、孙亮、陈峥嵘、游彪 等先生的热情帮助,谨此致谢.由于作者学识浅陋,书中必定存在许多错误和不 妥之处,祈请各位专家及广大读者予以批评指正 胡安章维益 2005年1月
目录 第一章晶体的结构及其对称性 §1.1晶格及其平移对称性 、晶体结构及基元…… 二、结点和点阵 三、基矢和元胞… 7 §L.2晶列和晶面 、晶列及其品向标志… 二、晶面及有理指数定律… 三、品面指数和密勒指数 §13倒点阵………………………………………… 点阵傅里叶变换,倒点阵 、倒点阵的性质 §1.4晶体的宏观对称性 +++++4+ 、宏观对称性的描述… 二、宏观对称性破缺… 三、实例 四、晶体的宏观对称性与宏观物理性质……………………………………2 §L.5晶体点阵和结构的分类……………… 27 、群的概念… 二、7个品系和14种点阵… 三、晶体结构的32种点群和230种空间群… §1.6晶体X射线衍射… 、布拉格反射公式 ……38 二、劳厄方程 和,, 原子散射因子与几何结构因子 四、三种重要的X射线品体学分析方法……… §1.7准晶体 一、一维准周期( Fibonacci)点阵… ··, 二、投影理论及其衍射谱…………… 30s
i目录 第二章晶体的结合 56 §2.1原子的负电性…57 、原子的电离能 、原子的亲和能………………………………………… 三、原子的负电性 §2.2晶体结合的类型… 、金属结合……………… 、共价结合… 三、腐子结合………… 四、范德瓦耳斯( van der Waals)结合… 五、氢键 六、混合键…… 666 §2.3结合能……… +68 、内能函数与结合能…… 二、离子晶体的结合能… 三、惰性气体晶体的结合能………………………… 892 第三章晶格动力学和晶体的热学性质…… 75 §3.1简正模和格波 微振动理论—簡正模……… 、格波……… 53.2一维单原子链振动…… 8 、运动方程及其解 二、格波特性 三、玻恩-卡雯( Born-Karman)边界条件 83 四、简正坐标……… §3.3一维双原子链振动…………… 运动方程及其解 、声学波和光学波…… 三、玻恩-卡曼边界条件… 89 §3.4三维晶格振动,格波量子-声子……… 、三维晶格振动 格波量子 来+ §3.5离子晶体中的长光学波……… 95 、离子品体中长光学晶格振动产生的内场……………………95 二、长光学波的宏观运动方程 三、不考虑横场耦合时,离子晶体长光学波的本征频率m和ao
目录 四、极化激元 100 83.6非完整晶格的振动,局域模 44444444104 一、一维完整单原子链的扩展模式… 、含单个缺陷的一维原子链的振动频率… 106 或模 §3.7晶格比热容……… 1 10 声子谱密度 110 二、爱因斯坦模型和爱因斯坦比热容 113 三、德拜模型和德拜比热客…………,…… ………14 §3.8晶格状态方程和热膨胀 11 、自由能和格律乃森(E. Gruneisen)状态方程… ++““+ 118 二、热膨胀及其格律乃森关系 …120 三、热膨胀与非谐效应… 第四章能带论 ………………125 §4.1布洛赫定理和布洛赫波………… 、平移算符,周期场中单电子状态的标志… …127 二、布洛赫定理和布洛赫波…… 三、布洛赫波能谱特征… §4.2平面波法 §4.3近自由电子近似………… 135 、零级近似 136 二、非简并微扰 三、简并微扰……… ………138 四、布里渊区、能陳、能带和禁带 138 五、能隙的成因 六、简约波矢k和自由电子的波矢k 七、能带的能区图式……………………………………………………144 §4.4紧束缚近似 47 、旺尼尔( Wannier函数 紧束缚近似 148 §4.5正交平面波法… §4.6赝势方法 §4.7能态密度 ……156 、自由电子的能态密度 、能带电子的态密度 §4.8布洛赫电子的动力学性质 、准经典近似 “““ 161
目录 二、波包在外场中的运动,布洛赫电子的准动量…163 三、加速度和有效质量… 四、准经典近似的物理含义………16 §4.9布洛赫电子在恒定电场中的准经典运动 、恒定电场下的动力学………………… 碰撞,弛豫时间,金属电导率公式 ,+十+,物 三、满带电子不导电………………………………………………… 四、近满带和空穴……… 五、导体、绝缘体和半导体的能带特征 17 §4.10布洛赫电子在恒定磁场中的准经典运动… 、恒定磁场下的动力学………………………………………172 二、轨道量子化………………………………… …………176 34.11布洛赫电子在相互垂直的恒定电场和磁场中的运动…179 霍尔效应和磁致电阻 二、双能带模型-霍尔效应和磁致电阻………………………… §4.12能带论的局限性………………… 、电子之间的关联效应…186 、无序系统中波的局域化…………………………………………188 第五章金属电子论 191 §5.1费米分布函数和自由电子气比热容 、费米分布函数………………… 基态(T=0K)下的分布函数6(E)和自由电子气的费米能E……191 三、激发态(7≠0K)时,自由电子气的费米能E,…………… 四、自由电子气的比热容……………… 55.2金属的费米面 、金属费米面的构造,哈里森构图法… 、实际金属的费米面 5.3费米面的实验测定…… 、回旋共振………… 二、德哈斯-范阿耳芬效应… 204 §5.4输运现象……… 、非平衡分布函数 二、玻耳兹曼方程… …209 55金属的电导率…………,……… 211 池豫时间近似 二、电导率公式 212 §5.6弛豫时间r(k)与碰撞概率(k,k')的关系…………………214 PD
目录 §5.7电子和声子的相互作用—金属电阻率与温度的关系…216 、随时间变化的微扰势……… 216 二、散射概率(k',k)……… 三、电阻率的温度关系 219 §5.8等离激元与准电子… 、等离激元 222 二、电子气的个别激发…………… 三、静电屏蔽,准电子…………… ………………225 四、等离子体中的横振动… 第六章半导体电子论…………………………229 86.1半导体的基本特征和分类 、本征半导体… 二、杂质半导体…………… ……230 三、半导体的带障…… 四、激子 §6.2半导体带边的能带结构和有效质量 …237 、能带计算的k·p方法… 237 、回旋共振实验 241 56.3半导体载流子的浓度 244 半导体载流子的统计分布…… 244 二、载流子浓度 244 三、费米能的确定… 四、半导体载流子的简并 247 §6.4接触效应 248 249 金属-半导体结 三、MOS结和MOS晶体管 §6.5半导体载流子的输运问题 259 、电导率……………1 二、翟尔效应…………… 262 、量子霍尔效应 第七章固体磁性 ……267 57.1原子磁性及外场响应…… 轨道磁矩,自旋磁矩和原子磁矩 二、洪德定则 三、原子的外磁场响应……… 27 DO
ⅵ目录 §7.2抗磁性……………………… …273 §7.3顺磁性 274 、居里定律…… 275 理论的局限性 278 §7.4载流子的磁性……… 自由电子的泡利顺磁性 28 二、自由电子气的朗道抗磁性 丰丰 三、非简并裁流子的顺磁性和抗磁性…… 287 §7.5铁磁性 89 、实验事实………………… 分子场理论 +4, 三、自发磁化的局域电子模型……………… 四、铁磁体在外场中的磁化过程…… §76铁磁自旋波 、平均场近似的困难… ……297 铁磁自旋波…… 57.7铁磁金属自发磁化的巡游电子模型… …304 §7.8自旋相关输运 电子隧穿电导 二、自旋极化 三、电子的自旋相关隧穿电导………… 四、自旋阀结构… 309 §79反铁磁性…………………… 311 、实验事实…… 311 二、反铁磁性的奈耳理论…………………… 313 三、超交换作用… 316 第八章超导电性 §8.1超导体的基本物理性质…………………… …320 -、超导体的输运性质 超导体的磁学性质 三、超导体的热力学性质……… 四、同位素效应 ……………………32 §8.2超导电性的物理机制与理论 、超导电性的物理起源……………………… 二、 Gorter和 Casimir的二流体模型…………………… 三、 London唯象理论模型… 330 四、 Pippard非局域理论扩展…… 332