《固体物理学》课程教学大纲 Solid State Physics

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 固体物理课程教学大纲 课程名称：固体物理学 课程编号：ZH32009 英文名称：Solid State Physics 学时：72学时 学 分：4学分 开课学期：第五学期 适用专业：材料物理、应用物理、电子科学、信息显示与光电技术、材 料化学 课程类别：专业核心 预修课程：量子力学、数学物理方法、热力学与统计物理、大学物理。 教材：《Introduction to Solid State Physics》,C.Kittel著，John-wiley 一、课程的性质及任务 《固体物理学》是国内外物理类、材料类、微电子类专业的专业核 心课程。它在大学前期所学全部物理专业基础课一一普通物理学、理论 物理学、高等数学、量子力学、热力学统计物理等基础上，学习晶体结 构、晶格振动、能带理论等基础知识。固体物理还是整个物理学中最大 的研究领域，它包括半导体、超导体、激光器件、磁记录薄膜、纳米材 料等所有材料的研究。通过《固体物理学》的学习，使学生掌握研究固 体物理的基本方法和理论，为学习后续的一些专业主干课程，如《半导 体物理》、《凝聚态物理》、《光电子材料》、《固体理论》等奠定必要的基 础。同时，《固体物理学》课程也是培养和提高学生科学素质、科学思维 方法、科技创新能力的重要途径。 二、课程内容及学习方法

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 1 固体物理课程教学大纲 课程名称：固体物理学 课程编号：ZH32009 英文名称：Solid State Physics 学 时：72 学时 学 分：4 学分 开课学期：第五学期 适用专业：材料物理、应用物理、电子科学、信息显示与光电技术、材 料化学 课程类别：专业核心 预修课程：量子力学、数学物理方法、热力学与统计物理、大学物理。 教 材：《Introduction to Solid State Physics》，C. Kittel 著，John-wiley 一、课程的性质及任务 《固体物理学》是国内外物理类、材料类、微电子类专业的专业核 心课程。它在大学前期所学全部物理专业基础课－－普通物理学、理论 物理学、高等数学、量子力学、热力学统计物理等基础上，学习晶体结 构、晶格振动、能带理论等基础知识。固体物理还是整个物理学中最大 的研究领域，它包括半导体、超导体、激光器件、磁记录薄膜、纳米材 料等所有材料的研究。通过《固体物理学》的学习，使学生掌握研究固 体物理的基本方法和理论，为学习后续的一些专业主干课程，如《半导 体物理》、《凝聚态物理》、《光电子材料》、《固体理论》等奠定必要的基 础。同时，《固体物理学》课程也是培养和提高学生科学素质、科学思维 方法、科技创新能力的重要途径。 二、课程内容及学习方法

固体物理课程教学大纲 内容提要：基本内容有两大部分：一是晶格理论，二是固体电子理论。 品格理论包括：品体的基本结构：品体结构的测试方法：品体中原子间的 结合力和品体的结合类型：品格的热振动及热容理论。固体电子论包 括：固体中电子的能带理论：金属中自由电子理论。 1、晶体的结构 晶体的特征，空间点阵，晶格周期性、基矢，密堆积，晶向、晶面、 密勒指数，晶体对称性。 2、晶体结构的测定 倒格子空间、布拉格方程、布里渊区、结构因子、X光衍射方法及 应用。 3、晶体的结合 原子的电负性，晶体的结合类型，结合力的一般性质，分子晶体的 结合能，离子晶体的结合能、离子半径，原子晶体的结合。 4、晶格振动与晶体的热学性质 一维原子链的振动，简正振动、声子，长波近似，晶格振动的热容 理论、固体比热，非简谐效应。 5、能带理论基础 能带理论的基本假设，周期场中单电子状态的一般性质，近自由电 子近似，紧束缚近似，能带计算的近似方法，费米面的构造。 6、金属电子论基础 电子运动的半经典模型，恒定电场和磁场作用下电子的运动，费米 面的测量，光电子谱研究能带结构，一些金属的能带结构。 金属自由电子气体模型，电子比热的量子理论，逸出功、接触电势 差，电场中的自由电子，光学性质，霍耳效应，金属热导率

固体物理课程教学大纲 2 内容提要：基本内容有两大部分: 一是晶格理论, 二是固体电子理论。 晶格理论包括:晶体的基本结构；晶体结构的测试方法；晶体中原子间的 结合力和晶体的结合类型； 晶格的热振动及热容理论。 固体电子论包 括: 固体中电子的能带理论； 金属中自由电子理论。 1、晶体的结构 晶体的特征，空间点阵，晶格周期性、基矢，密堆积，晶向、晶面、 密勒指数，晶体对称性。 2、晶体结构的测定 倒格子空间、布拉格方程、布里渊区、结构因子、X 光衍射方法及 应用。 3、晶体的结合 原子的电负性，晶体的结合类型，结合力的—般性质，分子晶体的 结合能，离子晶体的结合能、离子半径，原子晶体的结合。 4、晶格振动与晶体的热学性质 一维原子链的振动，简正振动、声子，长波近似，晶格振动的热容 理论、固体比热，非简谐效应。 5、能带理论基础 能带理论的基本假设，周期场中单电子状态的一般性质，近自由电 子近似，紧束缚近似，能带计算的近似方法，费米面的构造。 6、金属电子论基础 电子运动的半经典模型，恒定电场和磁场作用下电子的运动，费米 面的测量，光电子谱研究能带结构，一些金属的能带结构。 金属自由电子气体模型，电子比热的量子理论，逸出功、接触电势 差，电场中的自由电子，光学性质，霍耳效应，金属热导率

物理与材料科学学院本科课程教学大钢 三、课程的教学要求 1、晶体的结构 要求： 了解晶体的特征、空间点阵、空间群。 掌握晶格周期性、原胞、基矢。 掌握典型的晶格结构、密堆积以及配位数计算。 掌握品向、品面、密勒指数。 掌握原胞体积、面间距的计算。 掌握晶体对称性，以及七大晶系和14种布拉菲格子。 重点：立方晶系的三种格子、金刚石结构的特点和面间距的计算。 难点：密堆积结构、金刚石结构沿晶向的双层原子面排列。 说明：结晶学理论是后续各章内容学习的基础 2、晶体结构的测定 要求： 掌握倒格子空间的概念和基本性质。 掌握布拉格方程、劳厄方程的本质及联系。 掌握布里渊区的概念和画法和结构因子的计算。 了解X光衍射方法及应用。 重点：倒格子和布里渊区性质的掌握、布拉格方程的应用、结构因 子的计算。 难点：倒格子基本性质及其证明、结构因子的计算、 说明：晶体结构与当前蛋白质科学以及物性关联间的关系。 3、晶体的结合 要求：

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 3 三、课程的教学要求 1、晶体的结构 要求： 了解晶体的特征、空间点阵、空间群。 掌握晶格周期性、原胞、基矢。 掌握典型的晶格结构、密堆积以及配位数计算。 掌握晶向、晶面、密勒指数。 掌握原胞体积、面间距的计算。 掌握晶体对称性，以及七大晶系和 14 种布拉菲格子。 重点：立方晶系的三种格子、金刚石结构的特点和面间距的计算。 难点：密堆积结构、金刚石结构沿晶向的双层原子面排列。 说明：结晶学理论是后续各章内容学习的基础 2、晶体结构的测定 要求： 掌握倒格子空间的概念和基本性质。 掌握布拉格方程、劳厄方程的本质及联系。 掌握布里渊区的概念和画法和结构因子的计算。 了解 X 光衍射方法及应用。 重点：倒格子和布里渊区性质的掌握、布拉格方程的应用、结构因 子的计算。 难点：倒格子基本性质及其证明、结构因子的计算、 说明：晶体结构与当前蛋白质科学以及物性关联间的关系。 3、晶体的结合 要求：

固体物理课程教学大纲 了解原子的电负性。 理解品体的结合类型，了解元素和化合物结合的规律性。 掌握结合力的一般性质。 掌握分子晶体结合的特点，掌握分子轨道法电子波函数、电离度、5即 杂化等。 掌握离子晶体的结合，能够计算马德隆常数、结合能，能够计算晶 格常数，离子半径。 了解原子品体的结合特点。 重点：共价键的饱和性和方向性以及sp3杂化轨道理论： 难点：离子堆积与泡利规则：混合晶体与电离度。 说明：与“晶体结构”部分的内容结合紧密，能够根据原子负电性 和原子半径的差异解释晶体结构的特点。 4、晶格振动与晶体的热学性质 要求： 掌握一维原子链的振动。 掌握简正振动，了解声子、长波近似。 理解晶格振动的热容理论、固体比热。 理解非简谐效应。 重点、难点 重点：格波、波矢，声学波和光学波，色散关系，谐振子和声子， 晶格振动模式密度，晶格热容，热传导。 难点：晶格振动模式密度，能量量子化，U过程，非简谐效应。 说明：晶格振动理论是固体物理学重点内容之一，通过本章的学习 可以从原子级的角度加深对晶体热学性质的理解

固体物理课程教学大纲 4 了解原子的电负性。 理解晶体的结合类型，了解元素和化合物结合的规律性。 掌握结合力的—般性质。 掌握分子晶体结合的特点，掌握分子轨道法电子波函数、电离度、sp 杂化等。 掌握离子晶体的结合，能够计算马德隆常数、结合能，能够计算晶 格常数，离子半径。 了解原子晶体的结合特点。 重点：共价键的饱和性和方向性以及 sp3 杂化轨道理论。 难点：离子堆积与泡利规则；混合晶体与电离度。 说明：与“晶体结构”部分的内容结合紧密，能够根据原子负电性 和原子半径的差异解释晶体结构的特点。 4、晶格振动与晶体的热学性质 要求： 掌握一维原子链的振动。 掌握简正振动，了解声子、长波近似。 理解晶格振动的热容理论、固体比热。 理解非简谐效应。 重点、难点 重点：格波、波矢，声学波和光学波，色散关系，谐振子和声子， 晶格振动模式密度，晶格热容，热传导。 难点：晶格振动模式密度，能量量子化，U 过程，非简谐效应。 说明：晶格振动理论是固体物理学重点内容之一，通过本章的学习 可以从原子级的角度加深对晶体热学性质的理解

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 5、能带理论基础 要求： 掌握能带理论的基本假设。 掌握周期场中单电子状态的一般性质。 理解近自由电子近似、紧束缚近似。 能够应用能带计算的近似方法。 理解费米面的构造。 理解电子运动的半经典模型。 了解恒定电场和磁场作用下电子的运动。 重点：固体中电子的共有化运动，Bloch定理的特点、证明及其推论， 近自由电子近似微扰论，费密统计分布与费米能级，能态密度。 难点：动量空间的薛定鍔方程，微扰论：布里渊区中的等能面」 说明：固体能带理论是本课程学习的重点，也是后续专业课程的必 备基础。 6、金属电子论基础 要求： 掌握金属自由电子气体模型。 掌握电子比热的量子理论。 了解逸出功和接触电势差。 了解电场中的自由电子、光学性质、霍耳效应和金属热导率。 重点：金属自由电子气体模型和电子比热的量子理论。 难点：电子比热的量子理论

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 5 5、能带理论基础 要求： 掌握能带理论的基本假设。 掌握周期场中单电子状态的一般性质。 理解近自由电子近似、紧束缚近似。 能够应用能带计算的近似方法。 理解费米面的构造。 理解电子运动的半经典模型。 了解恒定电场和磁场作用下电子的运动。 重点：固体中电子的共有化运动，Bloch 定理的特点、证明及其推论， 近自由电子近似微扰论，费密统计分布与费米能级，能态密度。 难点：动量空间的薛定鍔方程，微扰论；布里渊区中的等能面。 说明：固体能带理论是本课程学习的重点，也是后续专业课程的必 备基础。 6、金属电子论基础 要求： 掌握金属自由电子气体模型。 掌握电子比热的量子理论。 了解逸出功和接触电势差。 了解电场中的自由电子、光学性质、霍耳效应和金属热导率。 重点：金属自由电子气体模型和电子比热的量子理论。 难点：电子比热的量子理论

周体物理课程教学大纲 四、课程学时分配 讲课内容 学时 1、品体的结构 8 2、X光衍射与倒易空间 8 3、晶体的结合 4 4、晶格振动与晶体的热学性质 12 5、能带理论基础 14 6、金属电子论基础 10 7、习题答疑及实验 8 合计 72 五、课程习题要求 为了帮助学生掌握课程基本内容，培养学生分析问题和解决问题的 能力，建议习题总量不少于10套。 六、课程的实验内容与要求 1.“多模式扫描探针显微镜”实验 结合晶体表面结构的理论教学，我们开设了“多模式扫描探针显微 镜”实验。利用“扫描隧道显微镜”(STM)和“原子力显微镜”(AFM) 两探头分别用于观察导体、半导体和绝缘体材料样品的表面形貌。要求 学生学会样品的制备、了解扫描探针显微镜的原理结构、掌握扫描探针 显微镜的操作和调试、观察样品的形貌、验证隧道效应。 2.“材料晶体结构的X光衍射”实验

固体物理课程教学大纲 6 四、课程学时分配 讲 课 内 容 学 时 1、晶体的结构 8 2、X 光衍射与倒易空间 8 3、晶体的结合 4 4、晶格振动与晶体的热学性质 12 5、能带理论基础 14 6、金属电子论基础 10 7、习题答疑及实验 8 合计 72 五、课程习题要求 为了帮助学生掌握课程基本内容，培养学生分析问题和解决问题的 能力，建议习题总量不少于 10 套。 六、课程的实验内容与要求 1.“多模式扫描探针显微镜”实验 结合晶体表面结构的理论教学，我们开设了“多模式扫描探针显微 镜”实验。利用“扫描隧道显微镜”（STM）和“原子力显微镜”（AFM）， 两探头分别用于观察导体、半导体和绝缘体材料样品的表面形貌。要求 学生学会样品的制备、了解扫描探针显微镜的原理结构、掌握扫描探针 显微镜的操作和调试、观察样品的形貌、验证隧道效应。 2.“材料晶体结构的 X 光衍射”实验

物理与材料科学学院本科课程教学大钢 在晶体结构学习的基础上，结合我院X光衍射仪（日本MAC公司 MXP18HF),我们设计了“材料晶体结构的X光衍射”实验。利采用Jade 和Ful1prof软件，同时对样品进行物相标定、晶面标定、粒度测量，加 深学生对晶体结构的认识，也使学生体会到微观分析方法和手段对晶体 结构研究的重要性和必要性，同时也提高了学生学习的积极性和主动性。 3.“能带、态密度计算”实验 在晶体结构和和能带结构理论学习的基础上，采用Materials Studio、ab initio及VASP等计算软件，构建一些典型的晶体结构，并 对某些特定晶体进行电子态密度、电子能带、光学性质及电子声子输运 性质等属性的计算。 4.“热导率的测量”实验 通过材料热导率的测量，让学生了解热传导现象的物理过程，掌握 热导率的测量方法，深刻理解材料的导热机理取决于其微观结构，热量 的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金 属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中以晶格振动为主导 作用。 七、主要参考书目 1.自编多媒体英文版配套讲义《固体物理学》： 2.《Solid State Physics》,Neil W.Ashcroft.,N.David Mermin,t世界图书 出版公司，2004-04版 3.《固体物理学》，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社出版，2005， 4.《固体物理概念题和习题指导》，王矜奉，山东大学出版社，2001年， 5.《固体物理学习辅导与习题解答》，韦丹，清华大学出版社，2007年， 第2版

物理与材料科学学院本科课程教学大纲 7 在晶体结构学习的基础上，结合我院 X 光衍射仪（日本 MAC 公司 MXP18HF），我们设计了“材料晶体结构的 X 光衍射”实验。利采用 Jade 和 Fullprof 软件，同时对样品进行物相标定、晶面标定、粒度测量，加 深学生对晶体结构的认识，也使学生体会到微观分析方法和手段对晶体 结构研究的重要性和必要性，同时也提高了学生学习的积极性和主动性。 3.“能带、态密度计算”实验 在晶体结构和和能带结构理论学习的基础上，采用 Materials Studio、ab initio 及 VASP 等计算软件，构建一些典型的晶体结构，并 对某些特定晶体进行电子态密度、电子能带、光学性质及电子声子输运 性质等属性的计算。 4.“热导率的测量”实验 通过材料热导率的测量，让学生了解热传导现象的物理过程，掌握 热导率的测量方法，深刻理解材料的导热机理取决于其微观结构，热量 的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金 属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中以晶格振动为主导 作用。 七、主要参考书目 1. 自编多媒体英文版配套讲义《固体物理学》； 2.《Solid State Physics》，Neil W.Ashcroft， N.David Mermin，世界图书 出版公司，2004-04 版 3.《固体物理学》，黄昆、韩汝琦著，高等教育出版社出版，2005， 4.《固体物理概念题和习题指导》，王矜奉，山东大学出版社， 2001 年， 5.《固体物理学习辅导与习题解答》，韦丹，清华大学出版社，2007 年， 第 2 版

周体物理课程教学大纲 6.《固体物理学》（上），方俊鑫、陆栋，上海科技出版社，1980年， 7.《热力学与统计物理》，汪志诚，高等教育出版社，2006年4月第3 版。 8.专题文献综述。 八、考核方式 笔试（闭卷） 各教学环节占总分的比例：平时测验及作业：30%、课程论文集文献 阅读情况：10%、期末考试：60%。 制定人：吴明在 审定人：马永青 批准人：孙兆奇 2008年5月

固体物理课程教学大纲 8 6.《固体物理学》（上），方俊鑫、陆栋，上海科技出版社，1980 年， 7.《热力学与统计物理》，汪志诚，高等教育出版社，2006 年 4 月第 3 版。 8.专题文献综述。 八、考核方式 笔试（闭卷） 各教学环节占总分的比例：平时测验及作业：30%、课程论文集文献 阅读情况：10%、期末考试：60%。 制定人：吴明在 审定人：马永青 批准人：孙兆奇 2008 年 5 月