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| 內容簡介： |
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《固体物理基础》是高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材。本书系统介绍了材料的晶体结构、晶格振动和声子、金属自由电子气模型、能带理论、电子在电场和磁场中的运动、半导体电子论、材料的光学性质、材料的磁学性质等内容，涵盖固体材料的电、磁、光、热等物理性能的基本原理，重点讲述如何通过能带结构理解材料的物理性能。本书注重物理概念的讲解，以及如何通过这些基本概念理解固体材料的不同物理性能及其调控。书中减少对公式的推导，增加图表和实例讲解，同时大量引入了前沿材料新颖的晶体结构和能带结构表征手段，将理论知识与前沿科学研究紧密联系，帮助学生通过实例更深入地学习抽象的理论知识。考虑到材料类专业学生的培养计划，书中删减了与其他专业课重复的知识点，如晶体缺陷对材料物性的影响、晶体化学键等内容。本书是高等学校材料类相关专业本科、研究生的教材，也可供从事材料研究的科研人员参考。
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| 關於作者： |
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潘安练，湖南大学，院长、教授，2006年在中国科学院物理研究所获博士学位，随后赴德国马普微结构物理所从事洪堡学者访问研究，2007年底加盟美国亚利桑那州立大学电子工程系从事博士后研究并取得助理研究教授，2010年初受聘湖南省“芙蓉学者”特聘教授全职加盟湖南大学工作。主要从事新型半导体材料和集成光电子技术研究，力求解决新一代信息通信领域的核心元器件和光子芯片技术。他在Science， Nature Nanotechnology，Nature Materials等国际期刊上发表了200余篇研究论文，多项研发成果已在国际上产生了重要学术影响，曾以第@一完成人两次获得湖南省自然科学一等奖，并于2019年获国家自然科学二等奖。
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| 目錄：
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第1章晶体结构
1.1晶体结构的周期性/1
1.1.1晶体的周期性结构/1
1.1.2晶体的分类/4
1.1.3晶体中的原子堆积/6
1.2晶向和晶面/8
1.2.1晶向/8
1.2.2晶面/8
1.3晶体的宏观对称性/9
1.3.1宏观对称元素/9
1.3.2点群/12
1.3.3等价晶向和等价晶面/16
1.4晶体的微观对称性/17
1.4.1微观对称操作/17
1.4.2空间群/19
1.5倒格子/20
1.6布里渊区/22
习题/24
第2章晶格振动和声子
2.1晶格振动/26
2.1.1单原子晶格振动/26
2.1.2双原子晶格振动/30
2.1.3复式晶格的振动/32
2.2声子/32
2.2.1声子的能量和动量/32
2.2.2晶格振动谱的实验测量/34
2.2.3声子气体与晶格比热/36
2.2.4晶格比热的逆问题/42
习题/43
第3章金属自由电子气模型
3.1模型及基态性质/44
3.1.1单电子本征态和本征能量/44
3.1.2基态和基态的能量/46
3.2自由电子气的热性质/47
3.2.1有限温度下的能量分布/47
3.2.2电子气的比热容/47
3.3自由电子气的泡利顺磁性/49
3.4金属的电导过程/51
3.4.1欧姆定律和电导率/51
3.4.2金属电阻率的实验结果/53
3.5自由电子气的霍尔效应/54
3.5.1霍尔效应的原理/54
3.5.2应用和发展/55
3.6自由电子气的光学性质/56
3.6.1交流电导率/56
3.6.2电子气的介电常数/57
3.6.3金属的光学性质/58
3.7等离激元及应用/61
3.7.1等离子体振荡和等离激元/61
3.7.2等离激元应用/62
3.8金属的热电子发射和接触电势/63
3.8.1功函数/63
3.8.2热电子发射/64
3.8.3接触电势/65
3.8.4应用：热离子转换器/66
习题/68
第4章能带理论
4.1布洛赫定理/69
4.1.1单电子近似/70
4.1.2布洛赫定理/70
4.1.3能带及其图示/73
4.2近自由电子近似/73
4.2.1一维周期势作为微扰/74
4.2.2能隙/76
4.3紧束缚模型/78
4.3.1原子轨道线性组合/78
4.3.2瓦尼尔函数/82
4.4费米面与态密度/83
4.4.1布里渊区中的费米面/83
4.4.2态密度/84
4.5能带特征与导电性/85
4.5.1绝缘体、导体和半导体的区别/85
4.5.2几种常见材料的能带及属性/87
4.6第一性原理计算方法/88
4.6.1密度泛函理论/89
4.6.2霍恩伯格-科恩定理/90
4.6.3科恩-沈吕九方程/90
4.7紧束缚近似计算方法/91
4.8角分辨光电子能谱/94
4.8.1角分辨光电子能谱的实验原理/94
4.8.2角分辨光电子能谱的应用/96
4.9扫描隧道显微镜技术/97
4.9.1量子隧穿效应/98
4.9.2扫描隧道谱的原理/99
4.9.3系统构造/100
4.9.4扫描隧道显微镜的应用/102
习题/102
第5章电子在电场和磁场中的运动
5.1电子的准经典运动模型/104
5.1.1准经典近似/104
5.1.2波包与电子平均速度/105
5.1.3电子在外场作用下的状态与有效质量/106
5.2静态电场下的电子运动/108
5.3材料导电性能的能带论解释/109
5.4静态磁场下的电子运动/111
5.5回旋共振/114
5.6德哈斯-范阿尔芬效应/114
习题/116
第6章半导体电子论
6.1半导体的基本能带结构/118
6.2半导体中的杂质/120
6.2.1Ⅳ族半导体中的杂质与缺陷/120
6.2.2Ⅲ-Ⅴ族半导体中的杂质与缺陷/123
6.3半导体中载流子的统计分布/124
6.3.1电子和空穴数密度/124
6.3.2本征载流子浓度/129
6.3.3杂质半导体中的电子分布/131
6.4半导体的电导率/133
6.5非平衡载流子/135
6.5.1非平衡载流子的产生/135
6.5.2非平衡载流子复合和寿命/136
6.5.3准费米能级/137
6.5.4载流子的复合方式/138
6.5.5载流子的扩散和漂移/139
6.6P-N结/140
6.7金属-氧化物-半导体结构/144
6.7.1表面势/144
6.7.2金属-氧化物-半导体场效应晶体管/145
6.8异质结/147
6.8.1异质结的能带图/147
6.8.2半导体异质P-N结的电流电压特性及注入特性/148
6.8.3半导体应变异质结/150
6.8.4半导体超晶格/151
习题/153
第7章固体材料的光学性质
7.1光学参数/154
7.1.1吸收系数/154
7.1.2介电常数与电导率/155
7.1.3折射率和消光系数的Kramers-Kronig变换/156
7.2固体的光吸收过程/157
7.2.1带间跃迁和本征光吸收/157
7.2.2激子吸收/160
7.3固体的光发射过程/163
7.3.1光发射过程/163
7.3.2荧光寿命/165
7.4拉曼散射/166
7.5发光材料的应用/167
7.5.1激光/167
7.5.2光纤/170
习题/173
第8章固体材料的磁学性质
8.1固体材料的磁化率/174
8.2顺磁性与抗磁性/175
8.3铁磁性与反铁磁性/177
8.4磁共振技术与应用/180
8.4.1核磁共振/181
8.4.2电子顺磁共振/183
习题/187
参考文献
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| 內容試閱：
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随着科技的迅速发展对高性能新材料的需求日益迫切，如集成电路产业需要高性能电子材料，航空航天领域需要高性能结构材料和功能材料等，材料领域基础研究人才的培养成为重中之重。材料学科是一门多学科交叉的基础与应用相结合的学科，其基础研究人才的培养需要物理、化学等基础学科强有力的支撑。对于材料类专业学生，尤其是有志于从事新一代集成电路和新型光电信息领域相关工作的学生，“固体物理”是一门必不可少的基础课程。
大部分高校的材料类专业开设有“固体物理”课程，基本采用物理专业的教材，该类教材对“量子力学”“数学物理方法”等先修课程的基础要求较高，而材料类专业的本科生基本不学习这两门物理专业的基础课或者讲授得较为简单，因而学习传统固体物理教材的内容比较吃力，教材内容的编排顺序与深度等均抬高了材料类专业学生的学习门槛。此外，传统固体物理教材侧重于原子和电子运动的基本规律和通用的一些物理概念，很少涉及具体材料体系及其应用，导致材料类专业的学生使用传统教材时对该门课程的学习兴趣不高，缺乏学习动力。因此亟需一本适合材料类专业本科生学习使用的固体物理教材，在讲授物理基础知识的同时，融入具体的材料体系以及目前的研究进展，以达到更好的教学效果。
本书作者所负责的教学团队多年来一直为材料科学与工程专业本科生讲授“材料物理基础”课程，相关内容多与固体物理知识相关。为进一步加强材料类本科生的物理基础，作者所在高校在新版的培养方案中将该课程名称更改为《固体物理基础》，对教学大纲和课程内容也相应进行了修订，比如对晶体结构部分的内容进行了简化，增加了半导体电子论、固体的光学性质和磁学性质等内容，以进一步加深学生对不同固体材料物理性能的理解。本次编写的《固体物理基础》教材，基于前期的课程讲义，减少了对公式的推导，增加了图表和实例讲解，使材料类专业的学生更容易理解。同时，书中大量引用了前沿材料新颖的晶体结构和能带结构表征手段，将理论知识与前沿科学研究紧密联系，帮助学生通过实例更深入地学习抽象的理论知识，提高学生的学习兴趣和动力。另外，考虑到材料类专业学生的整体培养方案，教材删减了与其他材料类专业课程重复的知识点，如晶体缺陷对材料物性的影响、晶体化学键等内容。
全书分为8章，包含有晶体结构、晶格振动和声子、金属自由电子气模型、能带理论、电子在电场和磁场中的运动、半导体电子论、固体材料的光学性质、固体材料的磁学性质。内容涵盖固体材料的电、磁、光、热等物理性能的基本原理，重点讲述如何通过能带结构理解材料的物理性能。
本书由课程团队成员共同编写完成，其中第1章由陈旭丽和李梓维编写；第2章由王晓霞编写；第3章由林陈编写；第4章由潘安练和李思宇编写；第5章由向立编写；第6章由潘安练和李东编写；第7章由王晓霞和杨雷编写；第8章由陈舒拉和马超编写。潘安练和马超对全文进行了多次修改，全书由潘安练统稿。在本书编写过程中，也得到了湖南大学材料科学与工程学院许多同事和研究生的关心与帮助，谨向他们表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正，并提出宝贵意见和建议，以便在再版时修改和完善。
编著者
2024年4月
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