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第一章 晶体结构 1

1.1 晶体结构的周期性 2

1.1.1 基元和格子 2

1.1.2 原胞和基矢 2

1.1.3 布拉维格子和复式格子 3

1.2 晶胞和晶系 4

1.2.1 周期性与对称性 4

1.2.2 晶系与格子 5

1.2.3 维格纳-塞茨原胞 7

1.3 典型的晶体结构 7

1.3.1 面心立方结构和相应的复式格子 7

1.3.2 体心立方结构 10

1.3.3 氯化铯型结构 11

1.3.4 六角密积型结构 11

1.4 晶面和密勒指数 12

1.4.1 晶列指数 13

1.4.2 密勒指数 13

1.5 晶体的对称性 14

1.5.1 周期性结构的旋转对称性 14

1.5.2 旋转反演对称性 16

1.5.3 对称性群 17

1.5.4 32种点群 17

1.5.5 滑移面与螺旋轴 20

1.6 晶体结合的基本类型 21

1.6.1 离子晶体 22

1.6.2 共价晶体（原子晶体） 22

1.6.3 金属 24

1.6.4 分子晶体 24

1.6.5 氢键晶体 25

1.7 晶体中的简单缺陷 26

1.7.1 点缺陷 26

1.7.2 线缺陷 27

1.7.3 面缺陷 29

习题 31

第二章 分析晶体结构的实验方法 33

2.1 倒格子和布里渊区 34

2.1.1 倒格子 34

2.1.2 面心立方和体心立方互为正倒格子 36

2.1.3 布里渊区 36

2.1.4 二维倒格子 37

2.2 晶体对X射线衍射的劳厄条件 38

2.2.1 劳厄方程 38

2.2.2 布拉格反射 38

2.2.3 衍射面指数 39

2.3 低能电子衍射 40

2.3.1 LEED图与LEED谱 40

2.3.2 重构与分数指数 42

2.4 磁性晶体的中子衍射 44

2.4.1 测定晶体磁性结构的实例 44

2.4.2 MnO的磁性结构 44

2.5 扫描电子显微术 47

2.5.1 扫描电子显微镜 47

2.5.2 电子探针 49

习题 51

第三章 晶格振动和晶体的热学性质 52

3.1 一维原子链的振动 52

3.1.1 一维单原子链的振动 52

3.1.2 周期性边界条件 55

3.1.3 布里渊区内的波矢数 56

3.1.4 一维双原子链——复式格子的振动 56

3.1.5 声频波与光频波 57

3.2 简正坐标和格波量子 60

3.2.1 简正坐标 60

3.2.2 动能与势能函数的变换 62

3.2.3 晶格原子振动两种描述的等价性 65

3.3 三维晶格的振动模式 66

3.3.1 动力学矩阵 66

3.3.2 三维格波的模式数与波矢代表点分布密度 68

3.3.3 格波的模式密度 69

3.4 离子晶体光学模与电磁波的耦合 70

3.4.1 黄昆方程 70

3.4.2 电磁耦合子 74

3.5 声子模的实验测定 77

3.5.1 中子非弹性散射 77

3.5.2 三轴中子谱仪 78

3.6 晶格比热容 79

3.6.1 平均声子数 80

3.6.2 爱因斯坦模型 81

3.6.3 德拜模型 83

3.7 热膨胀和固体物态方程 86

3.7.1 固体的物态方程 86

3.7.2 固体的热膨胀 87

3.8 固体的热传导 89

3.8.1 原子间非简谐相互作用 90

3.8.2 绝缘体的热导率 91

习题 94

第四章 金属电子论 95

4.1 金属自由电子气的比热容 95

4.1.1 自由电子气的基态电子结构 96

4.1.2 任意温度下自由电子气的化学势 99

4.1.3 自由电子气的比热客 102

4.2 金属的电导率 104

4.2.1 玻耳兹曼积分-微分方程 105

4.2.2 弛豫时间近似 108

4.2.3 金属的直流电导率 109

4.2.4 金属电阻率与温度的关系 111

4.3 金属的霍尔效应和磁阻 114

4.3.1 同时存在电、磁场时玻耳兹曼方程的解 114

4.3.2 霍尔效应 116

4.3.3 磁致电阻 118

4.4 金属的热电子发射与接触电势差 119

4.4.1 里查孙-德西曼公式 120

4.4.2 热发射的经典理论 120

4.4.3 热电子发射的量子理论 121

4.4.4 接触电势差 123

4.5 扫描隧穿显微术 123

4.5.1 STM的工作原理 124

4.5.2 隧穿电流与电子态 125

4.6 等离子振荡 126

4.6.1 等离子体振荡 126

4.6.2 等离体子 128

4.6.3 屏蔽库仑势 129

4.7 金属内聚能 130

4.7.1 离子实与价电子之间的静电库仑作用能 131

4.7.2 价电子的动能 131

4.7.3 交换作用的修正 132

习题 134

第五章 固体的能带 135

5.1 单电子近似 135

5.1.1 绝热近似 136

5.1.2 哈特里近似 136

5.2 布洛赫定理 138

5.2.1 平移算符及其本征值 138

5.2.2 布洛赫定理 139

5.2.3 能量E在倒空间中的对称性 140

5.3 近自由电子近似 142

5.3.1 微扰能量和波函数 142

5.3.2 布里渊区边界处的能隙 143

5.3.3 三维情形 145

5.4 紧束缚近似 147

5.4.1 原子轨道的线性组合 147

5.4.2 紧束缚近似的色散关系 148

5.4.3 体心立方和面心立方金属的s带 149

5.4.4 电子有效质量 150

5.5 能带电子的准经典运动 151

5.5.1 周期场中电子的平均速度 152

5.5.2 加速度 153

5.5.3 外场作用下的波矢变化 153

5.5.4 有效质量张量 154

5.6 从能带模型区分固体材料 154

5.6.1 能带填充与电流 155

5.6.2 绝缘体、导体和半导体 157

5.6.3 空穴 157

5.6.4 半金属 158

5.7 金属的费米面 159

5.7.1 自由电子气的费米球 159

5.7.2 正方格子的费米圆 160

5.7.3 弱周期场对费米圆周的修正 161

5.7.4 单价金属的费米面 162

习题 163

第六章 半导体中的电子过程 164

6.1 半导体的能带 164

6.1.1 sp3杂化和能带分裂 164

6.1.2 典型半导体的色散关系 166

6.1.3 回旋共振和有效质量 169

6.2 半导体中的杂质 171

6.2.1 施主和受主 172

6.2.2 深能级杂质 174

6.3 载流子的统计分布 175

6.3.1 费米能级和载流子数密度 176

6.3.2 本征载流子数密度 177

6.3.3 费米能级随温度的变化 178

6.4 半导体的电导率和霍尔效应 182

6.4.1 半导体的直流电导率 182

6.4.2 载流子的迁移率 184

6.4.3 半导体的霍尔效应 187

6.5 非平衡载流子 191

6.5.1 非平衡载流子数密度 191

6.5.2 非平衡少子 192

6.5.3 非平衡载流子的寿命 192

6.5.4 直接复合与间接复合 193

6.5.5 非平衡载流子的扩散 194

6.6 p-n结及其应用 196

6.6.1 p-n结的平衡能带结构 196

6.6.2 p-n结的伏-安特性 197

6.6.3 p-n结的应用 199

6.7 MOS场效应器件 202

6.7.1 理想MOS结构的表面 203

6.7.2 氧化层电荷、界面态和平带电压 204

6.7.3 MOS场效应晶体管 205

6.7.4 硅电荷耦合器件 205

6.8 量子阱和超晶格 208

6.8.1 半导体量子阱 208

6.8.2 半导体超晶格 210

习题 212

第七章 固体的介电性 213

7.1 极化的微观机制 213

7.1.1 原子的极化率 213

7.1.2 离子位移极化 216

7.1.3 固有偶极矩的取向极化 218

7.2 介电函数及局域场 219

7.2.1 介电函数 219

7.2.2 晶格中原子位置的局域电场 220

7.2.3 克劳修斯-莫索提关系 221

7.3 极化弛豫和介电损耗 222

7.3.1 极化滞后于电场 223

7.3.2 在交变电场中固体的介电损耗 224

7.4 钛酸钡的铁电性 225

7.4.1 位移型的铁电体 225

7.4.2 软模理论 227

7.5 磷酸二氢钾的铁电性 229

7.5.1 磷酸二氢钾的晶体结构 229

7.5.2 氢键上氢核分布从无序变为有序 230

7.6 共价晶体的介电性 231

7.6.1 共价晶体的价键特色 231

7.6.2 哈里森（Harrison）杂化价键的极化率 231

7.7 极化子 233

7.7.1 电子与晶体离子极化的相互作用 233

7.7.2 球势阱模型—小极化子的基态能量 234

7.7.3 弱耦合的大极化子 235

7.8 自发极化的新理论 236

7.8.1 自发极化的表述 236

7.8.2 价带电子对极化的贡献 238

习题 241

第八章 固体的光学性质 242

8.1 介电固体的光学参数 242

8.1.1 折射率和吸收系数 242

8.1.2 克拉默斯-克勒尼希（Kramers-Kronig）关系 244

8.2 本征光吸收 245

8.2.1 跃迁概率 245

8.2.2 横电场介电函数 246

8.2.3 直接跃迁光吸收 247

8.2.4 间接跃迁光吸收 248

8.3 激子的光吸收 249

8.3.1 松束缚激子的光吸收 249

8.3.2 弗仑克尔激子 251

8.4 拉曼散射 252

8.4.1 拉曼散射的经典理论 252

8.4.2 拉曼张量 254

8.5 激光原理和固体激光器 255

8.5.1 产生激光的条件 255

8.5.2 固体激光器举例 257

8.6 非线性光学性质 260

8.6.1 非线性极化 261

8.6.2 非线性光学效应 262

8.6.3 相位匹配 264

8.6.4 铁电晶体的非线性光学性质 264

8.7 光子晶体 266

8.7.1 光子晶体的能带结构 267

8.7.2 三维光子晶体 269

8.7.3 光子晶体光纤 271

习题 273

第九章 固体的磁性 274

9.1 原子和离子的磁矩 275

9.1.1 未满壳层只有一个电子的原子磁矩 275

9.1.2 未满壳层有多个电子的原子磁矩 276

9.1.3 洪德（F．Hund）定则 276

9.2 固体中的弱磁性 278

9.2.1 抗磁性 279

9.2.2 朗之万顺磁性 280

9.2.3 范弗莱克顺磁性 282

9.3 金属电子气的磁性 283

9.3.1 泡利顺磁性 283

9.3.2 朗道抗磁性 285

9.3.3 德哈斯-范阿尔芬效应 288

9.4 磁共振 290

9.4.1 核磁共振 291

9.4.2 磁化强度的经典运动方程 292

9.4.3 布洛赫方程 293

9.4.4 电子自旋共振 294

9.4.5 奈特移位 295

9.5 铁磁性和外斯理论 295

9.5.1 铁磁性的基本特征 296

9.5.2 自发磁化强度与温度的关系 296

9.5.3 高温顺磁性 298

9.5.4 磁畴和磁化过程 298

9.6 反铁磁性和亚铁磁性 300

9.6.1 反铁磁晶体 300

9.6.2 亚铁磁晶体 303

9.7 交换作用 305

9.7.1 海森伯模型 305

9.7.2 金属中的间接交换作用 307

9.7.3 超交换作用 308

9.7.4 巡游电子模型 309

9.8 自旋波 311

9.8.1 自旋波的色散关系 311

9.8.2 布洛赫T3/2规律 313

9.9 巨磁阻效应 314

9.9.1 巨磁电阻与通常磁阻的差异 314

9.9.2 铁磁／非铁磁金属多层膜结构的巨磁电阻效应 316

9.9.3 铁磁隧道结的磁电阻 318

9.9.4 超巨磁电阻 321

9.10 穆斯堡尔效应 323

9.10.1 无反冲的核共振发射和吸收 323

9.10.2 应用举例 324

习题 326

第十章 超导电性 327

10.1 超导态的基本特性 328

10.1.1 零电阻性质 328

10.1.2 迈斯纳效应 329

10.1.3 超导态的凝聚能 330

10.1.4 超导态的比热容 331

10.2 超导态的唯象电磁理论 332

10.2.1 伦敦方程 332

10.2.2 磁通量子化 334

10.2.3 皮帕德方程 336

10.3 同位素效应和库珀对 337

10.3.1 同位素效应 337

10.3.2 库珀对 339

10.4 BCS超导理论 342

10.4.1 超导基态的总能量 342

10.4.2 能隙方程 343

10.4.3 若干重要的理论结果 344

10.5 超导临界电流和完全抗磁性 346

10.5.1 超导临界电流 346

10.5.2 迈斯纳效应的解释 348

10.6 准粒子和它的隧穿效应 349

10.6.1 超导态的准粒子激发 349

10.6.2 正常金属隧道结 351

10.6.3 NIS结的隧穿效应 352

10.6.4 S1IS2结的隧穿效应 353

10.7 约瑟夫森效应 354

10.7.1 描述约瑟夫森效应的基本方程 354

10.7.2 交流约瑟夫森效应 356

10.7.3 超导量子干涉现象 357

10.8 金兹堡-朗道理论 358

10.8.1 超导态自由能密度的新表述 359

10.8.2 金兹堡-朗道参数 360

10.8.3 界面能和两类超导体 361

10.8.4 Ⅱ类超导体的磁通格子 362

10.9 高温超导体 364

10.9.1 新的突破与挑战 364

10.9.2 d波超导体 366

10.9.3 铁基新超导体 367

习题 369

第十一章 缺失周期性的固体 370

11.1 简单的二元合金 370

11.1.1 休姆-罗瑟里定则 370

11.1.2 有序-无序转变 371

11.1.3 间隙式固溶体 373

11.2 非晶固体的结构 374

11.2.1 非晶结构模型 374

11.2.2 帕特森函数 375

11.2.3 扩展X射线吸收精细结构 378

11.3 无序固体中的电子态 380

11.3.1 安德森局域化电子态 380

11.3.2 莫特迁移率边 381

11.4 非晶态半导体 382

11.4.1 变程跳跃电导 383

11.4.2 非晶硅的振动谱 384

11.4.3 非晶硅太阳能电池 386

11.5 非晶铁磁体 387

11.5.1 非晶合金的铁磁性 387

11.5.2 近藤效应 389

11.5.3 自旋玻璃 389

11.6 准晶体 392

11.6.1 斐波那契（Fibonacci）序列 392

11.6.2 彭罗斯拼块 396

11.6.3 二十面体准晶衍射图描述 397

习题 399

第十二章 低维固体和纳米结构 401

12.1 固体表面 401

12.1.1 二维晶格及其倒格子 401

12.1.2 弛豫和重构 402

12.1.3 半无限一维双原子链的表面模 404

12.1.4 表面电子态 406

12.2 量子霍尔效应 408

12.2.1 整数量子霍尔效应 408

12.2.2 分数量子霍尔效应 409

12.3 聚乙炔中的准粒子 411

12.3.1 派尔斯不稳定性 411

12.3.2 反式聚乙炔中的孤子 412

12.3.3 新形态的极化子 413

12.4 碳纳米管 415

12.4.1 碳纳米管的结构 415

12.4.2 单壁碳纳米管的电子态密度 418

12.5 一维纳米导体的电传导 419

12.5.1 电导量子化 419

12.5.2 朗道尔公式 421

12.5.3 双势垒的共振隧穿效应 421

12.5.4 欧姆定律 422

12.5.5 局域化 423

12.6 介观系统的物理效应 424

12.6.1 阿哈罗诺夫-玻姆（AB）效应 424

12.6.2 普适电导涨落 425

12.7 零维系统 428

12.7.1 金属团簇 428

12.7.2 半导体纳米晶粒 429

12.7.3 碳团簇 431

12.8 纳米隧道结和库仑阻塞 433

12.8.1 隧道结中的库仑阻塞效应 434

12.8.2 单电子隧穿晶体管 435

12.8.3 球形量子点 436

习题 439

参考书目 441

附录 443