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第一章 晶体结构 1

1.1 晶体的周期结构 1

1.1.1 点阵和基元 1

1.1.2 原胞的基矢 2

1.1.3 晶胞 3

1.1.4 维格纳-赛茨原胞 3

1.2 十四种布拉维格子和七大晶系 4

1.2.1 布拉维点阵的晶胞类型 4

1.2.2 晶系 5

1.3 典型的晶体结构 5

1.3.1 面心立方及有关的复式格子 5

1.3.2 体心立方及氯化铯结构 7

1.3.3 密集型结构 8

1.4 晶面和米勒指数 9

1.4.1 晶列指数 9

1.4.2 晶面指数 10

1.5 晶体的对称性 10

1.5.1 晶体许可的旋转对称轴 11

1.5.2 反演 11

1.5.3 晶体的旋转反演轴 11

1.5.4 滑移面和螺旋轴 14

习题 16

第二章 晶体中的衍射 17

2.1 概述 17

2.1.1 波长与晶格常数同量级的几种粒子束 17

2.1.2 衍射波的波幅与强度 17

2.2 晶体的倒格子和布里渊区 18

2.2.1 倒格子基矢 18

2.2.2 布里渊区 20

2.3 晶体的衍射条件 21

2.3.1 劳厄方程 21

2.3.2 布拉格反射 21

2.4 原子散射因子和几何结构因子 22

2.4.1 原子散射X射线的本领 22

2.4.2 晶体结构在衍射中的作用 24

2.5 磁结构晶体对中子的衍射 25

2.5.1 磁性结构因子 26

2.5.2 低温MnO的磁结构 27

2.6 SEM与STM测定固体结构 28

2.6.1 扫描电子显微镜原理 28

2.6.2 扫描隧穿显微镜原理 30

习题 32

第三章 晶体的结合 33

3.1 内聚能与晶体的力学、热学性质 33

3.1.1 内聚能 33

3.1.2 晶体的力学性质与热学性质 34

3.1.3 原子间的互作用力 35

3.2 离子结合与离子晶体 36

3.2.1 原子的电离能、亲和能及电负性 36

3.2.2 离子对的形成 37

3.2.3 离子晶体的几何结构 38

3.2.4 离子晶体的内聚能 39

3.2.5 离子晶体的体积弹性模量 41

3.3 范德瓦耳斯结合与分子晶体 41

3.3.1 范德瓦耳斯力 41

3.3.2 分子晶体的晶体结构 43

3.3.3 分子晶体的内聚能 43

3.4 共价结合与共价晶体 45

3.4.1 氢分子中的共价键 45

3.4.2 共价键的饱和性和方向性 46

3.4.3 共价晶体的结构 47

3.4.4 极性键及非极性键 48

3.4.5 共价晶体的内聚能 49

3.5 金属结合及金属晶体 49

3.5.1 金属结合 49

3.5.2 金属的晶体结构 49

3.5.3 金属的内聚能 49

3.6 氢键结合与氢键晶体 50

3.6.1 氢键结合 50

3.6.2 氢键晶体——冰 50

3.7 同分异构体 51

3.7.1 sp杂化轨道 52

3.7.2 C60分子及其固体 52

3.7.3 C60及A3C60固体 54

习题 55

第四章 晶格振动和晶体的热学性质 57

4.1 一维单原子链 57

4.1.1 运动方程 57

4.1.2 格波频率-波矢关系 58

4.1.3 格波的波速与群速 58

4.1.4 周期性边界条件 60

4.2 一维双原子链的振动 60

4.2.1 格波频谱分支 60

4.2.2 两支格波的特征 62

4.3 简正坐标和格波的量子 64

4.3.1 格波坐标 64

4.3.2 格波的量子理论 66

4.4 三维晶格的振动模 67

4.4.1 动力学矩阵 67

4.4.2 格波的模式数 68

4.4.3 格波频谱密度 69

4.4.4 范霍夫奇性 70

4.5 离子晶体的光频模与电磁波耦合 71

4.5.1 长光频模的特点 71

4.5.2 黄昆方程 71

4.5.3 利戴恩-萨克斯-特勒关系 72

4.5.4 电磁耦合子 73

4.6 声子谱的中子散射实验测定 74

4.6.1 中子非弹性散射 74

4.6.2 三轴中子谱仪 75

4.7 晶格比热 75

4.7.1 高温下晶体的晶格比热 75

4.7.2 低温晶格振动的内能 76

4.7.3 爱因斯坦模型 77

4.7.4 德拜模型 77

4.8 晶体物态方程和热膨胀 79

4.8.1 物态方程 80

4.8.2 热膨胀 81

4.8.3 离子晶体的热膨胀系数 82

4.9 晶格热传导 83

4.9.1 热传导的物理图像 83

4.9.2 正常过程和翻转过程 84

习题 86

第五章 晶体中的缺陷 87

5.1 点缺陷 87

5.1.1 金属中的空位 87

5.1.2 空位浓度测定 88

5.1.3 弗仑克尔缺陷 89

5.1.4 杂质原子 90

5.1.5 反位缺陷 90

5.2 晶体中的原子扩散 91

5.2.1 扩散系数 91

5.2.2 扩散机制 92

5.2.3 无规行走 93

5.3 离子晶体的导电性 95

5.3.1 离子电导率 95

5.3.2 爱因斯坦关系 97

5.3.3 快离子导体 97

5.4 色心 98

5.4.1 F心 98

5.4.2 空穴型色心 100

5.4.3 位形坐标图 100

5.5 位错 101

5.5.1 晶体的临界切应力 101

5.5.2 刃型位错 102

5.5.3 派尔斯势垒 103

5.5.4 螺型位错 104

5.5.5 螺型位错与晶体生长 105

5.5.6 伯格斯回路 106

5.6 面缺陷 106

5.6.1 堆垛层错 106

5.6.2 孪晶界面 107

5.6.3 晶粒间界 107

习题 108

第六章 金属电子论 109

6.1 金属自由电子气的量子理论 109

6.1.1 自由电子能级和能态密度 109

6.1.2 电子气的基态 111

6.1.3 化学势-温度关系 112

6.1.4 电子气的比热 113

6.2 金属的电导过程 115

6.2.1 玻尔兹曼方程 115

6.2.2 金属电导率 116

6.2.3 电阻率与温度的关系 118

6.3 在磁场中金属的输运性质 119

6.3.1 同时存在电场、磁场情况的玻尔兹曼方程 119

6.3.2 霍尔效应 121

6.3.3 磁致电阻 122

6.4 电子发射 124

6.4.1 电子热发射 124

6.4.2 光电效应 126

6.4.3 场致发射 127

6.5 等离子体 130

6.5.1 等离子体振荡 130

6.5.2 等离体子 131

6.5.3 屏蔽库仑势 132

6.5.4 单粒子激发 133

6.6 维格纳晶格 134

习题 136

第七章 周期场中的电子态 137

7.1 周期性势场和布洛赫电子 137

7.1.1 单电子近似 138

7.1.2 布洛赫波 139

7.2 近自由电子近似 142

7.2.1 一维周期势作为微扰 142

7.2.2 能隙由来 145

7.2.3 三维情况 147

7.3 紧束缚近似 150

7.3.1 原子轨道线性组合 150

7.3.2 能带和有效质量 151

7.3.3 等能面 153

7.4 电子的准经典运动 153

7.4.1 布洛赫态中电子的平均速度 153

7.4.2 布洛赫电子在外场中的动力学 155

7.5 能带填充与固体的导电性，价带、导带与满带 157

7.5.1 满带和不满带对电流的贡献 157

7.5.2 绝缘体、导体和半导体 158

7.6 费米面和粒子的轨道 160

7.6.1 费米面构造法 160

7.6.2 电子和空穴轨道 162

习题 164

第八章 半导体中的电子过程 165

8.1 半导体的能带 165

8.1.1 金刚石结构中的sp3杂化 165

8.1.2 三个典型半导体的能带 167

8.2 杂质半导体 169

8.2.1 施主杂质和受主杂质 169

8.2.2 深能级杂质 172

8.3 半导体中电子的统计分布 172

8.3.1 电子和空穴的数密度 172

8.3.2 本征载流子密度 174

8.3.3 n型半导体中的电子分布 175

8.3.4 电子数密度随温度的变化 177

8.4 半导体的电导率和霍尔效应 178

8.4.1 n型半导体的电导率 178

8.4.2 电子迁移率 181

8.4.3 n型半导体的霍尔效应 183

8.4.4 同时有两种载流子的霍尔系数 186

8.5 非平衡载流子 187

8.5.1 非平衡少数载流子的产生和复合 187

8.5.2 非平衡载流子的复合机理 188

8.5.3 非平衡载流子的扩散 192

8.6 p-n结 194

8.6.1 p-n结的内建电势差 194

8.6.2 p-n结的整流特性 195

8.7 金属-氧化物-半导体（MOS）结构 197

8.7.1 理想MOS结构的表面势 197

8.7.2 平带电压 198

8.7.3 MOS晶体管 199

8.8 量子阱和超晶格 200

8.8.1 半导体量子阱 200

8.8.2 共振隧穿效应 203

8.8.3 超晶格的子能带 204

8.9 二维电子气 206

8.9.1 硅-MOS反型层 206

8.9.2 GaAs-AlGaAs异质结势阱 207

8.9.3 三角形势阱中的电子态 208

8.9.4 朗道能级 209

习题 211

第九章 固体的表面和界面 212

9.1 表面原子结构 212

9.1.1 表面二维晶格 212

9.1.2 二维倒格子 213

9.1.3 伍德符号 214

9.1.4 低能电子衍射 214

9.1.5 弛豫、重构和偏析 215

9.1.6 金属表面重构的类型 216

9.1.7 硅（111）-7×7重构 217

9.2 表面原子振动 218

9.2.1 单原子链的表面模 218

9.2.2 一维双原子链的表面模 219

9.2.3 瑞利波 221

9.2.4 三维晶体的表面格波 223

9.3 表面电磁耦合子 225

9.3.1 表面电磁振荡 225

9.3.2 衰减全反射 226

9.4 表面电子态 227

9.4.1 表面能级 227

9.4.2 表面能带 229

9.4.3 表面态密度 229

9.4.4 光电子谱 231

9.5 量子霍尔效应 232

9.5.1 整数量子霍尔效应 232

9.5.2 分数量子霍尔效应 234

9.5.3 劳夫林理论 235

9.5.4 复合费米子模型 238

习题 240

第十章 固体的介电性 241

10.1 晶体的介电常数 241

10.1.1 宏观电场与退极化场 241

10.1.2 局域场的洛伦兹模型 243

10.1.3 克劳修斯-莫索提公式 245

10.2 极化的微观机制 246

10.2.1 电子位移极化 246

10.2.2 离子位移极化 247

10.2.3 固有电偶极矩转向极化 248

10.2.4 可使固有电矩转向的局域场 249

10.3 介电损耗和极化弛豫 250

10.3.1 在交变电场中介质的能量损耗 250

10.3.2 极化滞后于电场 251

10.4 铁电性 253

10.4.1 热电体和铁电体 253

10.4.2 铁电体的一般性质 253

10.5 钛酸钡的铁电性 255

10.5.1 位移型相变 255

10.5.2 软模理论 257

10.6 磷酸二氢钾的铁电性 259

10.6.1 磷酸二氢钾的晶体结构 259

10.6.2 氢键上氢核分布从无序变为有序 259

10.7 朗道相变理论 260

10.7.1 铁电体的自由能密度 260

10.7.2 二级相变 261

10.7.3 一级相变 262

10.8 极化子 263

10.8.1 电子与晶体离子极化的相互作用 263

10.8.2 球势阱模型——小极化子 264

10.8.3 大极化子 265

习题 267

第十一章 固体的光学性质 268

11.1 光学参数 268

11.1.1 光学参数与介电常数的关系 268

11.1.2 克拉默斯-克勒尼希（Kramers-Kronig）关系 270

11.2 带间跃迁和本征光吸收 271

11.2.1 经典的洛伦兹理论 271

11.2.2 量子理论 273

11.2.3 直接跃迁光吸收 275

11.2.4 间接跃迁光吸收 276

11.3 激子的光吸收 277

11.3.1 两种激子 277

11.3.2 松束缚激子的光吸收 277

11.3.3 紧束缚激子的光吸收 279

11.4 极性晶体的晶格光反射和光吸收 280

11.4.1 极性晶体的反射谱 280

11.4.2 晶格单声子光吸收 280

11.4.3 晶格双声子光吸收 281

11.5 拉曼散射 283

11.5.1 经典的拉曼散射理论 283

11.5.2 拉曼张量 286

11.5.3 微观的模型 287

11.6 激光作用原理 288

11.6.1 粒子数反转 288

11.6.2 负吸收系数 290

11.6.3 阈值条件 291

11.7 激光器 292

11.7.1 Nd:YVO4激光器 292

11.7.2 半导体p-n结型激光器 292

11.8 非线性极化和非线性光学 295

11.8.1 非线性极化率 295

11.8.2 相位匹配 298

11.8.3 铁电晶体的非线性光学性质 299

11.8.4 Ⅲ-V族半导体的非线性光学性质 300

11.9 光纤和固体电荷耦合器件的原理 301

11.9.1 光纤传输光信号的原理 302

11.9.2 光纤的损耗 305

11.9.3 MOS电容特性 305

11.9.4 三相N沟CCD 306

习题 308

第十二章 固体的磁性 309

12.1 固体磁性的一般论述 309

12.1.1 固体的磁化率 309

12.1.2 抗磁性及顺磁性 310

12.1.3 铁磁性 310

12.1.4 反铁磁体及亚铁磁体 311

12.2 固体的抗磁性 311

12.2.1 芯电子的抗磁性 311

12.2.2 自由电子抗磁性 313

12.3 固体的顺磁性 316

12.3.1 原子（离子）的磁性 316

12.3.2 洪德定则及顺磁离子 318

12.3.3 朗之万顺磁磁化率 320

12.3.4 自由电子的顺磁性 322

12.4 电子顺磁共振 325

12.4.1 共振原理 325

12.4.2 弛豫时间 326

12.4.3 超精细互作用及应用 328

12.5 铁磁性和外斯理论 329

12.5.1 磁滞回线与磁畴 329

12.5.2 分子场理论 330

12.6 交换相互作用 332

12.6.1 海森伯理论 332

12.6.2 间接交换作用和超交换作用 334

12.6.3 巡游电子模型 335

12.7 自旋波 337

12.7.1 自旋波及其色散关系 337

12.7.2 布洛赫T3/2规律 339

12.8 反铁磁性及亚铁磁性 341

12.8.1 反铁磁性 341

12.8.2 亚铁磁性 344

12.9 巨磁电阻和超巨磁电阻效应 345

12.9.1 巨磁电阻效应的由来 345

12.9.2 自旋相关散射和双电流模型 347

12.9.3 超薄三层膜的巨磁电阻效应 347

12.9.4 氧化物的超巨磁电阻效应 348

习题 351

第十三章 超导电性 352

13.1 超导态的基本特性 353

13.1.1 零电阻性质 353

13.1.2 完全抗磁性 354

13.1.3 临界磁场和超导态的凝聚能 355

13.1.4 熵和比热 356

13.1.5 二流体模型 358

13.2 伦敦理论和皮帕德修正 358

13.2.1 伦敦方程 358

13.2.2 宏观量子现象 360

13.2.3 皮帕德方程 361

13.3 金兹堡-朗道理论 362

13.3.1 超导态自由能密度的新表述 363

13.3.2 金兹堡-朗道方程 364

13.3.3 超导体的界面能 365

13.3.4 Ⅱ类超导体的磁化曲线 366

13.3.5 混合态 367

13.4 电子间有效吸引势和库珀对 368

13.4.1 同位素效应和电子-声子相互作用 368

13.4.2 库珀对 369

13.5 BCS超导理论 372

13.5.1 超导基态的总能量 372

13.5.2 能隙方程 373

13.5.3 BCS理论的重要结果 374

13.5.4 强耦合超导体 376

13.6 超导能隙和隧穿效应 376

13.6.1 超导态的准粒子激发 376

13.6.2 MIM结的隧穿效应 378

13.6.3 NIS结的隧穿效应 379

13.6.4 超导体之间的隧穿效应 381

13.6.5 超导能隙的温度关系 382

13.7 约瑟夫森效应 383

13.7.1 直流约瑟夫森效应 384

13.7.2 交流约瑟夫森效应 385

13.7.3 磁场对超导相位的调制作用 387

13.7.4 超导量子干涉现象 388

13.8 高温超导体 390

13.8.1 几种铜氧化物超导体的晶体结构 390

13.8.2 正常态的物理特性 393

13.8.3 超导态的性质 396

习题 401

第十四章 非晶固体和准晶体 402

14.1 非晶体 402

14.2 固体中短程序的实验分析 403

14.2.1 径向分布函数 403

14.2.2 扩展X射线吸收精细结构 406

14.3 无序固体中的电子态 409

14.3.1 安德森定域化电子态 409

14.3.2 定域态的模拟实验 412

14.4 非晶态半导体 413

14.4.1 掺氢非晶硅的网络结构 413

14.4.2 变程跳跃电导 415

14.4.3 非晶硅器件 417

14.4.4 非晶硅的振动谱 419

14.5 非晶铁磁体及自旋玻璃 419

14.5.1 非晶铁磁体的磁性 420

14.5.2 近藤效应 422

14.5.3 自旋玻璃 424

14.6 准晶体 425

14.6.1 具有二十面体对称的准晶体 425

14.6.2 彭罗斯拼块和裴波那契数列 425

14.7 准晶体的X射线衍射图 428

14.7.1 由二维晶格投影得一维准晶 429

14.7.2 一维准晶的衍射斑图样 430

14.7.3 二十面体准晶的衍射图样描述 432

习题 434

第十五章 介观和纳米固体 435

15.1 电磁矢势和电磁波相位 435

15.11 什么是矢势 435

15.1.2 矢势A对电子运动的作用 436

15.2 阿哈若诺夫-博姆效应 437

15.2.1 AB效应的由来 437

15.2.2 AB效应的实验研究 438

15.3 ASS效应 440

15.3.1 什么是弱定域化 440

15.3.2 弱定域化磁致电阻 441

15.3.3 ASS效应的实验结果 441

15.4 普适电导涨落和朗道尔电导理论 442

15.4.1 普适电导涨落 442

15.4.2 朗道尔电导模型 444

15.5 纳米微粒 446

15.5.1 离散的电子能级 446

15.5.2 微粒的比热和磁化率 447

15.6 原子簇 448

15.6.1 简单金属团簇 448

15.6.2 半导体原子簇 449

15.7 库仑阻塞效应 450

15.7.1 隧道结的I-V特性 451

15.7.2 单库仑岛的阻塞 453

15.7.3 量子点的库仑阻塞 454

15.8 点接触量子化电导和电子波导 455

15.8.1 子能带和一维电导 456

15.8.2 电子波导 457

15.9 碳纳米管 458

15.9.1 碳纳米管的结构 459

15.9.2 单层石墨π电子的能带 460

15.9.3 单壁碳纳米管的电子态 461

习题 463

参考书目 464

附录 466

一、国际科技数据委员会（CODATA）2006年推荐的物理基本常数简表 466

二、SI词头表 466

索引 467