纳米材料物理基础

近年来，材料科学迅速发展，特别是在新兴战略材料领域，新现象和新概念不断涌现，研究领域不断扩展，人们对材料的认识不断深化，因而在材料学科的教学中必须不断地更新内容，吸收材料领域最新研究成果，以扩大学生的视野，使之尽早接触材料科学前沿。本书也力求对此有所体现。 本书共6 章。第1 章是晶体形成的内在机制与几何晶体学，这是所有从事材料研究工作者的共同基础知识，也是材料科学基础的重要内容；第2 章是量子力学方法，简明扼要地介绍了如何对晶体中微观粒子（电子、声子和自旋）的运动和相互作用进行描述，这是理解微观世界的基础；第3 章是统计物理，通过这部分内容的学习，读者能够有效地建立微观与宏观的联系；第4 章为晶格振动，描述了晶体中原子的运动，建立了重要的声子概念，是理解晶体振动对材料物理性质影响的基础；第5 章为能带理论，给出了晶体中电子基态的描述，为理解电子行为如何影响材料物理性质奠定了基础；第6 章是釐属电子气及其输运理论，这是理解材料电学性质的基础，同时也是一个重要的应用专题的例子。其他一些非常重要的专题，如固体磁性、介电性、非线性光学性质、固体激光等，由于篇幅限制本书未做介绍。 本书既可以作为材料科学与工程、应用物理、物理、电子物理与器件等专业本科生、研究生的教材，也可供有关科研人员学习参考。

高等院校老师

序 前言 第1章晶体形成的内在机制与几何 晶体学 1.1晶体的特点 1.2晶体内部的作用力 1.3晶体的结合类型 1.3.1离子性结合 1.3.2共价性结合 1.3.3金属性结合 1.3.4范德瓦尔斯结合 1.3.5氢键结合 1.3.6混合键晶体 1.4原子的电负性与晶体结合的规律性 1.5晶格的周期性及其描述方法 1.5.1结构基元、布拉菲点阵 1.5.2元胞、基矢 1.6晶向、晶面及其标识 1.6.1晶向及其标识 1.6.2晶面及其标识 1.7倒易格子 1.7.1倒易矢量与倒易格子的定义 1.7.2倒易矢量与倒易格矢的基本性质 1.7.3倒易格矢与晶面族的关系 1.7.4傅里叶变换 1.8晶体的对称性 1.8.1点对称操作及其数学描述 1.8.2群的基本概念 1.8.3晶体点群 1.8.4七大晶系与14种布拉菲格子 1.8.5晶体空间群 思考题 第2章量子力学方法 2.1量子力学方法基础 2.1.1态与波函数 2.1.2力学量与算符 2.1.3本征方程与波函数的特性 2.1.4典型算符 2.2薛定谔方程与典型问题求解 2.2.1薛定谔方程 2.2.2定态薛定谔方程 2.2.3一维无限深势阱问题 2.2.4一维线性谐振子问题 2.2.5势垒贯穿问题 2.2.6氢原子问题 2.3复杂问题求解中的微扰方法 2.3.1非简并定态微扰 2.3.2简并定态微扰 2.3.3含时微扰 2.4自旋与全同性原理 2.4.1自旋 2.4.2简单塞曼效应 2.4.3角动量耦合 2.4.4全同性原理 2.4.5两电子体系 思考题 第3章统计物理 3.1全同近独立粒子的分布 3.1.1粒子运动状态的描述 3.1.2系统微观运动状态的描述 3.1.3分布和微观状态数 3.1.4玻尔兹曼分布、玻色分布和费米分布 3.2玻尔兹曼统计 3.2.1宏观物理量的统计表达式 3.2.2经典的玻尔兹曼统计 3.2.3量子的玻尔兹曼统计 3.3玻色统计和费米统计 3.3.1玻色统计和费米统计的宏观物理量公式 3.3.2声子气体系统 3.3.3金属材料中的自由电子气体（索末菲模型） 3.4系综理论和非平衡态统计简介 3.4.1系综理论 3.4.2非平衡态统计 思考题 第4章晶格振动 4.1简谐近似与简正坐标 4.2一维单原子链 4.3一维双原子链 4.4三维晶格的振动 4.5晶格振动的量子理论 4.6晶格振动模式密度 4.7非简谐近似 4.7.1晶格的状态方程与热膨胀 4.7.2晶格的热传导 思考题 第5章能带理论 5.1布洛赫定理 5.1.1布洛赫定理及其证明 5.1.2波矢k的取值及其物理意义 5.1.3能带的表示图示 5.2近自由电子近似 5.2.1一维非简并微扰 5.2.2一维简并微扰 5.2.3三维周期场中电子运动的近自由近似 5.3紧束缚近似 5.3.1紧束缚近似的模型及能带 5.3.2瓦尼尔（Wannier）函数 5.4能带结构的其他近似方法 5.4.1正交化平面波法 5.4.2赝势法 5.5能态密度和费米面 5.5.1能态密度 5.5.2费米面 5.6布洛赫电子的准经典运动 5.6.1晶体中电子的平均速度 5.6.2外力作用下状态的变化和准动量 5.6.3布洛赫电子的加速度和有效质量 5.7固体导电性能的能带理论解释 5.7.1满带和不满带对电流的贡献 5.7.2绝缘体、导体和半导体 5.7.3近满带与空穴 思考题 第6章金属电子气及其输运理论 6.1金属自由电子气模型 6.1.1特鲁德模型 6.1.2索末菲模型 6.20K下金属自由电子气的量子理论 6.2.1自由电子的本征态和状态密度 6.2.2自由电子气的基态 6.2.3与费米面相关的物理量 6.3激发态下的金属自由电子气量子理论 6.3.1费米-狄拉克统计 6.3.2激发态时量子态上的电子占据 6.3.3激发态时的费米能 6.3.4激发态时的总能量 6.4自由电子气的比热容 6.5电子发射 6.5.1电子发射效应 6.5.2电子热发射效应的理论分析 6.6朗道能级与霍尔效应 6.6.1朗道能级 6.6.2朗道能级的简并度 6.6.3霍尔效应 6.7分布函数和玻尔兹曼方程 6.8外场和碰撞作用 6.8.1由外场引起的在k空间的漂移 6.8.2碰撞 6.9弛豫时间近似 6.10晶格散射与电导 思考题 参考文献