安德烈·海姆(1958/10出生）
常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的 石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片 当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
1959年，著名的诺贝尔奖得主费曼（RichardFeynman）就设想： “如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什
红宝石是在白宝石（刚玉晶体）中掺入了微量的铬离子后才变 为红色。
固体物理已成为固体材料和器件的基础 学科，是固体新材料和新器件的生长点
基本问题主要有以下七个方面：
固体是由什么原子组成？ 它们是怎样排列和结合的？ 这种结构是如何形成的？ 在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？ 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？ 各种固体有哪些可能的应用？ 探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。
固体物理学
Solid State Phsicsys
绪

论
一、固体物理的研究对象 二、固体物理的发展过程
三、固体物理的研究方法
四、固体物理学参考教材 五、课程安排和评价体系
一、固体物理的研究对象
研究固体的性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种
微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。 重点不在于描述固体的宏观物理性质，而是去阐明和理解 固体的宏观性质。解释形成这些性质的原因，从而找出控 制、利用、改善这些性质的方法。 例如：普通物理使我们知道了欧姆定律，固体物理将说明 固体电阻的来源并从理论上推导出欧姆定律，分析出不同 固体导电性能不同的原因。
新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出
新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高 真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、 核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电 子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等
现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度
5
6 7
晶格中电子在电场和磁场中的运动
金属电子论 复习 总计
8
6 2 56
7
5
1
1 2
48
8
评分分为五部分：
出勤10%
课堂表现和讨论15%
课后作业10% 前沿科学与固体物理的关联调研（开放试题）15% 期末考试50%。 考试以综合分析题为主，占40%到60%，可以提供复杂的计算 公式，考核重心由死记硬背转变为对学生分析为题、解决问 题的能力上。
例如：
性质完全不同的无定形碳、石墨、金刚石都是由相同的碳原子组成的， 是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同。 因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之 间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质
美国贝尔电话实验室两次Noble物理奖获得者 巴丁(J.Bardeen)说： 固体物理学依据物质的电子结构和原子结构 来了解固体的各种性质。
* 合作现象、平均场近似－－固体磁性理论
基于用量子力学处理交换相互作用
实验上：大量的实验是固体理论的形成基础（验证），并且是 新材料、新器件诞生的主要来源。 几十年来，新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段。
固体物理学新的实验条件和技术
磁 共 振 技 术
电 子 显 微 术
穆 斯 堡 尔 效 应
么样的奇迹！” ，“毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的
话，将大大扩充我们可以获得物性的范围”。 如今，费曼的预言已经初步实现： 我们已能够制备包括几十个到几万个原 子的纳米粒子，并把它们作为基本构成 单元，适当排列成一维量子线、二维量 子面和三维纳米固体。
1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、 超高真空条件下的扫描隧道显微镜（STM）操纵着一个个氙原子，STM的针
二、固体物理的发展历程
“凡草木花多五出,雪花独六出” --- 《韩诗外传》西汉
雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 --- 《六角雪花论》J. Kepler （1611）
1784年 法国学者阿羽依
晶体具有规则的几何外形，是晶体中原子、分子规则排列的结果
1848年 法国学者布拉斐(A．Bravais): 空间点阵 1890年：费多罗夫(E.S. Fedorov) 1891年：熊夫里斯 (A. Schönflies) 晶体微观结构的几何理论 1895年：伦琴发现 X 射线。 空间群论
1912年： 劳厄(M. von Laue)， 弗里德里希(W. Feriederich)， 克尼平(P. Knipping) 晶体X射线实验，验证了晶体结构的周期性。
1928年： Bloch创建能带论
1940年：赛兹（Seitz F.）出版《Modern Theory of Solids》。
195？年：黄昆、程开甲，中国固体物理的创始人
各 种 粒 子 束 技 术
激 光 技 术
超 高 真 空 技 术
同 步 辐 射 技 术
核 物 理 技 术
光 散 射 效 应
表 面 能 谱 术
超 高 压 极 低 温 强 磁 场
四、固体物理学参考教材
1. 《固体物理学》 黄昆、韩汝琦 （高等教育出版社） 2. 《固体物理教程》 王矜奉 编著 （山东大学出版社） 3. 《固体物理导论》 基泰尔 （C. Kittel) (化学工业出版社）
发展。
例：1988年发现巨磁电阻效应(GMR)--小硬盘大发现 硬盘技术之父2007年摘得诺贝尔物理学奖
得益于“巨磁电阻” 效应这一重大发现，最近 20多年来，我们开始能够 在笔记本电脑、音乐播放
器等产品中安装的越来越
小的硬盘来存储海量信息。
法国科学家艾尔伯-费尔Albert Fert
德国科学家皮特-克鲁伯格Peter Grünberg
成为众多学科的共同财富。 固体物理是物质结构中最丰富的层次，因而构成了对于人类智力的 巨大挑战，70多年来的新发现不断涌现，使之对高新技术发展的推 动势头不但不减，在新世纪反而变得更加突出。
三、固体物理的研究方法
理论上：是一个非常复杂的多体问题，不可能直接精确求解，需要 引入假说、模型和近似。 * 理想的周期性－－晶格动力学 基于统计物理和量子论来研究固体的热性质 * 单电子近似－－固体能带理论 基于量子力学与统计物理来研究固体导电性
尖成了搬运原子的“抓斗” 。
依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，实现了人类另 一个幻想——直接操纵单个原子。原子间间距只有1.3nm左右。这是人类 有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。
从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识：
固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展。
固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中得到广泛应用，
固体物理研究的不是单个原子的性质
而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质。 固体是由大量原子和分子（1023/cm3 ）组成的，固体的性质
虽然也和组成固体的原子、分子种类有关，但更主要的是和这
些原子采用什么方式结合在一起，它们的空间排列方式、相互 作用力类型，特别是和原子形成固体后其价电子的运动状态有 关。 固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的桥梁
晶体 固 体
多晶体
准晶体
一种介于晶态和非晶态之间的状态。特点：具有五次旋 转对称轴，但没有周期性。
原子在几纳米范围内有序排列，形成晶粒，晶粒之间不 接触，“悬浮”在非晶组织中，如纳米晶体、超晶体。
微晶体
主要的研究对象：晶体
理想晶体 —— 内在结构完全规则的固体，又叫完整晶体。 实际晶体 —— 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列 的背景中尚存在微量不规则性的晶体。 缺陷: 在近乎完整的晶体内部的微量的不规则性 纯铁中掺入微量的碳（钢），质地比铁坚硬得多 外 来 杂 质 锗、硅单晶体掺入微量的杂质，才是灵敏的半导体
固体按结构分类
非晶体 原子有序排列尺度在原子尺度10-10m（短程有序），如玻 璃、橡胶、塑料等。 原子按一定的 周期规则有序 排列10-6m（长 程有序 天然的岩盐、 水晶、硅单晶 单晶体 原子在整个固体中有序排列， 如单晶硅。 原子在微米量级范围有序排 列，形成单晶粒，整个晶体 由单晶粒随机堆积而成。晶 粒与晶粒之间存在晶粒间界。 如多晶硅、大量金属。
上世纪六七十年代后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材料 的研究更加完美，而且逐渐走出大块晶体的范畴，开始了对微细材料
和无序固体的开发和利用，新发现、新进展接踵而来：
英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 以石墨烯研究获得２０１０年度诺贝尔物理学奖
康斯坦丁·诺沃肖洛夫(1974/8出生)
4. 《凝聚态物理学》上卷 冯端、金国钧 高等教育出版社）
《Solid State Physics》 G. Grosso 、G. P. Parravicini (Elsevier)
五、课程安排和评价体系
教学 单元 1 2 3 4 学时安排 内容 总学时 讲授 晶格结构 固体的结合 晶格振动与晶体的热学性质 能带理论 10 7 12 11 9 6 11 10 实验 上机 课程设计 其它 1 1 1 1