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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CCD306

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