固體物理重點概念

　　固體物理力學是物理力學的一個分支，是從固體的微觀結構理論出發(fā)，探求固體宏觀力學性質的學科。以下是學習啦小編分享給大家的關于固體物理重點概念，希望能給大家?guī)韼椭?

　　固體物理重點概念：

　　晶體：是由離子，原子或分子(統(tǒng)稱為粒子)有規(guī)律的排列而成的，具有周期性和對稱性 非晶體：有序度僅限于幾個原子，不具有長程有序性和對稱性 點陣：格點的總體稱為點陣

　　晶格：晶體中微粒重心，周期性的排列所組成的骨架，稱為晶格

　　格點：微粒重心所處的位置稱為晶格的格點(或結點)

　　晶體的周期性和對稱性：晶體中微粒的排列按照一定的方式不斷的做周期性重復，這樣的性質稱為晶體結構的周期性。晶體的對稱性指晶體經過某些對稱操作后，仍能恢復原狀的特性。(有軸對稱，面對稱，體心對稱即點對稱)

　　密勒指數(shù)：某一晶面分別在三個晶軸上的截距的倒數(shù)的互質整數(shù)比稱為此晶面的密勒指數(shù)

　　配位數(shù)：可用一個微粒周圍最近鄰的微粒數(shù)來表示晶體中粒子排列的緊密程度，稱為配位數(shù)

　　致密度：晶胞內原子所占體積與晶胞總體積之比稱為點陣內原子的致密度

　　固體物理學元胞：選取體積最小的晶胞，稱為元胞：格點只在頂角，內部和面上都不包含其他格點，整個元胞只含有一個格點：元胞的三邊的平移矢量稱為基本平移矢量(或者基矢);突出反映晶體結構的周期性

　　元胞:體積通常較固體物理學元胞大;格點不僅在頂角上，同時可以在體心或面心上;晶胞的棱也稱為晶軸，其邊長稱為晶格常數(shù),點陣常數(shù)或晶胞常數(shù);突出反映晶體的周期性和對稱性。

　　布拉菲格子：晶體由完全相同的原子組成，原子與晶格的格點相重合而且每個格點周圍的情況都一樣

　　復式格子：晶體由兩種或者兩種以上的原子構成，而且每種原子都各自構成一種相同的布拉菲格子，這些布拉菲格子相互錯開一段距離，相互套購而形成的格子稱為復式格子，復式格子是由若干相同的布拉菲格子相互位移套購而成的

　　聲子：晶格簡諧振動的能量化，以hvl來增減其能量，hvl就稱為晶格振動能量的量子叫聲子

　　非簡諧效應：在晶格振動勢能中考慮了δ2以上δ高次項的影響，此時勢能曲線能是非對稱的，因此原子振動時會產生熱膨脹與熱傳導

　　點缺陷的分類：晶體點缺陷：①本征熱缺陷：弗倫克爾缺陷，肖脫基缺陷②雜質缺陷：置換型，填隙型③色心④極化子布里淵區(qū)：在空間中倒格矢的中垂線把空間分成許多不同的區(qū)域，在同一區(qū)域中能量是連續(xù)的，在區(qū)域的邊界上能量是不連續(xù)的，把這樣的區(qū)域稱為布里淵區(qū)

　　愛因斯坦模型在低溫下與實驗存在偏差的根源是什么?

　　答：按照愛因斯坦溫度的定義，愛因斯坦模型的格波的頻率大約為1013Hz，屬于光學支頻率，但光學格波在低溫時對熱容的貢獻非常小，低溫下對熱容貢獻大的主要是長聲學格波，也就是說愛因斯坦沒考慮聲學波對熱容的貢獻是愛因斯坦模型在低溫下與實驗存在偏差的根源。

　　陶瓷中晶界對材料性能有很大的影響，試舉例說明晶界的作用

　　答：晶界是一種面缺陷，是周期性中斷的區(qū)域，存在較高界面能和應力，且電荷不平衡，故晶界是缺陷富集區(qū)域，易吸附或產生各種熱缺陷和雜質缺陷，與體內微觀粒子(如電子)相比，晶界微觀粒子所處的能量狀態(tài)有明顯差異，稱為晶界態(tài)。

　　在半導體陶瓷，通?？梢酝ㄟ^組成，制備工藝的控制，使晶界中產生不同起源的受主態(tài)能級，在晶界產生能級勢壘，顯著影響電子的輸出行為，使陶瓷產生一系列的電功能特性(如PTC特性，壓敏特性，大電容特性等)。這種晶界效應在半導體陶瓷的發(fā)展中得到了充分的體現(xiàn)和應用。

　　從能帶理論的角度簡述絕緣體，半導體，導體的導電或絕緣機制

　　答：⑴在金屬能帶中，價帶與導帶迭合，價帶中存在空能級或者價帶全滿但導帶中有電子，故電子易遷移進入較高能量狀態(tài)的空能級中，金屬具有優(yōu)異的導電性⑵在絕緣體的能帶中，其價帶全部填滿，而導帶全部為空能級，在價帶與導帶之間存在很寬的禁帶(>3.0eV)，因而電子難以由價帶躍遷到導帶中，絕緣體的導電性很差⑶半導體的能帶結構與絕緣體相似，但其禁帶較窄(<3.0eV),因而在外電場激發(fā)下(如熱激發(fā)),電子可由價帶躍進導帶中而導電,如果在禁帶中靠近導帶(或價帶)的位置引入附加能級(施主或受主)將顯著提高半導體的導電性.

　　畫出鈣鈦礦的晶體結構,并指出它是由哪幾種布拉菲格子組成的.

　　答:此為鈣鈦礦結構(BaTiO3,SrTiO3等),A,B,O1,O2,O3各自組成5個簡單立方布氏格子套購而成。

　　試從結合鍵的角度說明水在結冰是何以會膨脹?

　　答：水結成冰，是從液態(tài)往固態(tài)轉化，形成晶體結構，晶格與晶格之間是通過氫鍵結合，氫原子不但與一個氧原子結合成共價鍵O-H，而且還和另一個氧原子結合，但結合較弱，鍵較長，用O-H表示，氧原子本身則組成一個四面體。

　　經典的自由電子理論的要點,用其解釋金屬的電性能

　　答:要點:金屬晶體就是靠自由價電子和金屬離子所形成的點陣間的相互作用而結合在一起的,這種相互作用稱為金屬鍵.

　?、沤饘僦写嬖诖罅靠勺杂蛇\動的電子,其行為類似理想氣體⑵電子氣體除與離子實碰撞瞬間外,其他時間可認為是自由的⑶電子←→電子之間的相互碰撞(作用)忽略不計⑷電子氣體通過與離子實的碰撞而達到熱平衡,電子運動速度分布服從M—B經典分布.

　　在金屬中的自由價電子的數(shù)目是較多的且基本上不隨溫度而變,所以當溫度升高的時候,金屬電導率的變化主要取決去電子運動的速度.因為晶格中的原子和離子不是靜止的,它們在晶格的格點上作一定的振動,且隨溫度升高這種振動會加劇,證實這種振動對電子的流動起著阻礙作用,溫度升高,阻礙作用加大,電子遷移率下降,電導率自然也下降了

　　索莫非量子理論的成功之處

　　答:金屬中的電子不受任何其他外力的作用,彼此間也無相互作用,可把它看成是在一個長,寬,高,分別為a,b,c的方匣子中運動的自由離子,在金屬內部每一個電子的勢能是一個常數(shù)(或0),在邊界處和邊界外面的勢能則為無窮大,所以可把金屬中的電子看成是在具有一定深度勢阱中運動的自由電子,把這樣一個體系作為三維勢箱中的平動子來考慮.

　　成功之處:1解釋了金屬鍵的本質;2對電子的比熱問題進行了較好的解釋

　　長光學支格波與長聲學支格波本質上有何差異?

　　答:長光學支格波的特征是每個元胞內的不同原子做相對振動,振動頻率較高,它包含了晶格振動頻率最高的振動模式,長聲學支格波的特征是元胞內的不同原子沒有相對位移,元胞做整體運動,振動頻率較低,它包含了晶格振動頻率最低的振動模式,波速是一常數(shù),任何晶體都存在聲學支格波,但簡單晶格(非復式格子)晶體不存在光學支格波.

　　從導電率的角度簡述絕緣體,半導體,導體的導電或絕緣機制

　　答:⑴從電導率角度講,由于金屬的可自由移動電子較多,所以電導率很大,并且電導率隨著溫度的升高而降低.⑵從電導率角度講,由于絕緣體的可自由移動電子很少,所以電導率很小,并且電導率隨著溫度的升高而升高.

　　按缺陷在空間分布的情況,對晶體的缺陷進行分類,并舉例說明摻雜對材料結構和性能的影響

　　答:①點缺陷:本征熱缺陷(弗倫克爾缺陷,肖脫基缺陷),雜質缺陷(置換,填隙),色心,極化子.線缺陷:刃性位錯,螺旋位錯;面缺陷:小角晶界,晶界,堆積缺陷;體缺陷:孔洞,聚集,微裂紋②在Fe中摻雜C,使C聚集在晶界,提高Fe的韌性;在Si中摻雜微量P,B等元素能使Si成為半導體,電導率得到大幅度提高;在白寶石Al2O3晶體中摻雜Cr替代Al,可由白寶石變成紅寶石,改變Al2O3晶體的光學特性

　　簡述石墨的結構特點,并說明其結構與性能的關系

　　答:石墨晶體,是金剛石的同素異構體,組成石墨的一個碳原子以其最外層的三個價電子與其最近鄰的三個原子組成共價鍵結合,這三個鍵幾乎在同意平面上,使晶體呈層狀;另一個價電子則較自由的在整個層中運動,具有金屬鍵的性質,這是石墨具有較好導電本領的根源層與層之間又依靠分子晶體的瞬時偶極矩的互作用而結合,這又是石墨質地疏松的根源.

　　簡述離子晶體中缺陷對電導率有何影響?

　　答:由于離子晶體是正負離子在庫侖力的作用下結合而成的,因而使離子晶體中點缺陷帶有一定的電荷,這就引起離子晶體的點缺陷具有一般點缺陷沒有的特性,理想的離子晶體是典型的絕緣體,滿價帶與空帶之間有很寬的禁帶,熱激發(fā)幾乎不可能把電子由滿價帶激發(fā)到空帶上去,但實際上離子晶體都有一定的導電性,其電阻明顯地依賴于溫度和晶體的純度.因為溫度升高和摻雜都可能在晶體中產生缺陷,所以可以斷定離子晶體的導電性與缺陷有關.

　　從能帶理論可以這樣理解離子晶體的導電性:離子晶體中帶點的點缺陷可以是束縛電子或空穴,形成一種不同于布洛赫的局域態(tài).這種局域態(tài)的能級處于滿帶和空帶的能隙中,且離空帶的帶地或者滿帶的帶頂較近,從而可能通過熱激發(fā)向空帶提供電子或接受滿帶電子,使離子晶體表現(xiàn)出類似于半導體的導電特性.

　　為什么組成晶體的粒子(分子，原子或離子)間的互作用力除吸引力還要排斥力?排斥力的來源是什么?答：電子云重疊——泡利不相容原理

　　排斥力的來源：相鄰的原子靠的很近，以至于它們內層閉合殼層的電子云發(fā)生重疊時，相鄰的原子間使產生巨大排斥力，也就是說，原子間的排斥作用來自相鄰原子內層閉合殼層電子云的重疊。

　　本征半導體的能帶與絕緣體的能帶有何異同?

　　答：在低溫下，本征半導體的能帶與絕緣體的能帶結構相同，但本征半導體的禁帶較窄，禁帶寬度通常小于2eV，由于禁帶窄，本征半導體禁帶下滿帶項的電子可以借助熱激發(fā)，躍遷到禁帶上面空帶的底部，使得滿帶不滿，空帶不空，二者都對導電有貢獻。

　　試述范德瓦爾斯力的起源和特點

　　答：范德瓦爾斯力：是分子間微弱的相互作用力，主要由靜電力(偶極子-偶極子相互作用)(極性分子之間)，誘導力(偶極子-誘導偶極子相互作用)(極地分子和非極地分子之間)，色散力(非極性分子的誘導偶極子-誘導偶極子的相互作用)之間的相互作用而結合;

　　特點：①存在于所有分子間②作用范圍在幾個A內③沒有方向性和飽和性④不同分子中，靜電力，誘導力和色散力所占比例不同，一般色散力所占比例較大。

　　為什么形成一個肖特基缺陷所需能量比形成一個弗倫克爾缺陷所需能量低?

　　答：形成一個肖特基缺陷時，晶體內留下一個空位，晶體表面多一個原子，因此形成一個肖特基缺陷所需的能量，可以看成晶體表面一個原子與其他原子的相互作用能，和晶體內部一個原子與其他原子的相互作用能的差值，形成一個弗倫克爾缺陷是，晶體內留下一個空位，多一個填隙原子，因此形成一個弗倫克爾缺陷所需的能量，可以看成晶體內部一個填隙原子與其他原子的相互作用能，和晶體內部一個原子與其他原子相互作用能的差值，填隙原子與相鄰原子的距離非常小，它與其他原子的排斥力的相互作用能是負值，所以填隙原子與其它原子相互作用能的絕對值，比晶體表面一個原子與其他原子 相互作用能的絕對值要小，也就是說形成一個肖特基缺陷所需能量比形成一個弗倫克爾所需能量要低。

　　為什么金屬具有延展性而原子晶體和離子晶體卻沒有延展性?

　　答：正離子間可流動的“電子海”，對原子移動時克服勢壘起到“調劑”作用。因此，原子間(主要是密置層間)比較容易相對位移，從而使金屬有較好的延展性和可塑性。原子晶體具有方向性和飽和性;離子晶體間相對位移出現(xiàn)同號相鄰現(xiàn)象，產生斥力

　　設晶體只有弗倫克爾缺陷，填隙原子的振動頻率，空位附近原子的振動頻率與無缺陷時原子的振動頻率有什么異同?

　　答：正常格點的原子脫離晶格位置變成填隙原子，同時原格點成為空位，這種產生一個填隙原子將伴隨產生一個空位的缺陷稱為弗倫克爾缺陷，填隙原子與相鄰原子的距離要比正常格點原子間的距離小，填隙原子與相鄰原子的力系數(shù)要比正常格點原子間的力系數(shù)大，因為原子的振動頻率與原子間力系數(shù)的開根數(shù)成正比，所以填隙原子的振動頻率比正常格點原子的振動頻率要高，空位附近原子與空位另一邊原子的距離比正常格點原子間的距離大得多，它們之間的力系數(shù)比正常格點原子間的力系數(shù)小得多，所以空位附近原子的振動頻率比正常格點原子的振動頻率要低。

　　試從金屬鍵的結合特性說明，何以多數(shù)金屬形成密集結構?

　　答：金屬結合中，受到最小能量原理的約束，要求原子實與共有電子電子云間的庫倫能要盡可能的低(絕對值盡可能的大)原子實越緊湊，原子實與共有電子電子云靠的就越緊密，庫倫能就越低，所以，許多金屬的結構為密積結構

　　在討論晶體的結合時，有時說，由于電子云的交疊使互作用能減小，出現(xiàn)引力，形成穩(wěn)定結構;有事又說，由于電子云的交疊，使原子間初相斥力，這兩種說法有無矛盾?

　　答：共價結合，形成共價鍵的配對電子，它們的自旋方向相反，這兩個電子的電子云交迭使得體系的能量降低，結構穩(wěn)定，但當原子靠的很近時，原子內部充滿殼層電子的電子云交疊，量子態(tài)相同的電子產生巨大的排斥力，使得系統(tǒng)的能量急劇增大。