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第一章 晶体结构1

1.1 晶体结构的周期性2

1.1.1 基元和格子2

1.1.2 原胞和基矢2

1.1.3 布拉维格子和复式格子3

1.2 晶胞和晶系4

1.2.1 周期性与对称性4

1.2.2 晶系与格子5

1.2.3 维格纳-塞茨原胞7

1.3 典型的晶体结构7

1.3.1 面心立方结构和相应的复式格子7

1.3.2 体心立方结构10

1.3.3 氯化铯型结构11

1.3.4 六角密积型结构11

1.4 晶面和密勒指数12

1.4.1 晶列指数13

1.4.2 密勒指数13

1.5 晶体的对称性14

1.5.1 周期性结构的旋转对称性14

1.5.2 旋转反演对称性16

1.5.3 对称性群17

1.5.4 32种点群17

1.5.5 滑移面与螺旋轴20

1.6 晶体结合的基本类型21

1.6.1 离子晶体22

1.6.2 共价晶体（原子晶体）22

1.6.3 金属24

1.6.4 分子晶体24

1.6.5 氢键晶体25

1.7 晶体中的简单缺陷26

1.7.1 点缺陷26

1.7.2 线缺陷27

1.7.3 面缺陷29

习题31

第二章 分析晶体结构的实验方法33

2.1 倒格子和布里渊区34

2.1.1 倒格子34

2.1.2 面心立方和体心立方互为正倒格子36

2.1.3 布里渊区36

2.1.4 二维倒格子37

2.2 晶体对X射线衍射的劳厄条件38

2.2.1 劳厄方程38

2.2.2 布拉格反射38

2.2.3 衍射面指数39

2.3 低能电子衍射40

2.3.1 LEED图与LEED谱40

2.3.2 重构与分数指数42

2.4 磁性晶体的中子衍射44

2.4.1 测定晶体磁性结构的实例44

2.4.2 MnO的磁性结构44

2.5 扫描电子显微术47

2.5.1 扫描电子显微镜47

2.5.2 电子探针49

习题51

第三章 晶格振动和晶体的热学性质52

3.1 一维原子链的振动52

3.1.1 一维单原子链的振动52

3.1.2 周期性边界条件55

3.1.3 布里渊区内的波矢数56

3.1.4 一维双原子链——复式格子的振动56

3.1.5 声频波与光频波57

3.2 简正坐标和格波量子60

3.2.1 简正坐标60

3.2.2 动能与势能函数的变换62

3.2.3 晶格原子振动两种描述的等价性65

3.3 三维晶格的振动模式66

3.3.1 动力学矩阵66

3.3.2 三维格波的模式数与波矢代表点分布密度68

3.3.3 格波的模式密度69

3.4 离子晶体光学模与电磁波的耦合70

3.4.1 黄昆方程70

3.4.2 电磁耦合子74

3.5 声子模的实验测定77

3.5.1 中子非弹性散射77

3.5.2 三轴中子谱仪78

3.6 晶格比热容79

3.6.1 平均声子数80

3.6.2 爱因斯坦模型81

3.6.3 德拜模型83

3.7 热膨胀和固体物态方程86

3.7.1 固体的物态方程86

3.7.2 固体的热膨胀87

3.8 固体的热传导89

3.8.1 原子间非简谐相互作用90

3.8.2 绝缘体的热导率91

习题94

第四章 金属电子论95

4.1 金属自由电子气的比热容95

4.1.1 自由电子气的基态电子结构96

4.1.2 任意温度下自由电子气的化学势99

4.1.3 自由电子气的比热客102

4.2 金属的电导率104

4.2.1 玻耳兹曼积分-微分方程105

4.2.2 弛豫时间近似108

4.2.3 金属的直流电导率109

4.2.4 金属电阻率与温度的关系111

4.3 金属的霍尔效应和磁阻114

4.3.1 同时存在电、磁场时玻耳兹曼方程的解114

4.3.2 霍尔效应116

4.3.3 磁致电阻118

4.4 金属的热电子发射与接触电势差119

4.4.1 里查孙-德西曼公式120

4.4.2 热发射的经典理论120

4.4.3 热电子发射的量子理论121

4.4.4 接触电势差123

4.5 扫描隧穿显微术123

4.5.1 STM的工作原理124

4.5.2 隧穿电流与电子态125

4.6 等离子振荡126

4.6.1 等离子体振荡126

4.6.2 等离体子128

4.6.3 屏蔽库仑势129

4.7 金属内聚能130

4.7.1 离子实与价电子之间的静电库仑作用能131

4.7.2 价电子的动能131

4.7.3 交换作用的修正132

习题134

第五章 固体的能带135

5.1 单电子近似135

5.1.1 绝热近似136

5.1.2 哈特里近似136

5.2 布洛赫定理138

5.2.1 平移算符及其本征值138

5.2.2 布洛赫定理139

5.2.3 能量E在倒空间中的对称性140

5.3 近自由电子近似142

5.3.1 微扰能量和波函数142

5.3.2 布里渊区边界处的能隙143

5.3.3 三维情形145

5.4 紧束缚近似147

5.4.1 原子轨道的线性组合147

5.4.2 紧束缚近似的色散关系148

5.4.3 体心立方和面心立方金属的s带149

5.4.4 电子有效质量150

5.5 能带电子的准经典运动151

5.5.1 周期场中电子的平均速度152

5.5.2 加速度153

5.5.3 外场作用下的波矢变化153

5.5.4 有效质量张量154

5.6 从能带模型区分固体材料154

5.6.1 能带填充与电流155

5.6.2 绝缘体、导体和半导体157

5.6.3 空穴157

5.6.4 半金属158

5.7 金属的费米面159

5.7.1 自由电子气的费米球159

5.7.2 正方格子的费米圆160

5.7.3 弱周期场对费米圆周的修正161

5.7.4 单价金属的费米面162

习题163

第六章 半导体中的电子过程164

6.1 半导体的能带164

6.1.1 sp3杂化和能带分裂164

6.1.2 典型半导体的色散关系166

6.1.3 回旋共振和有效质量169

6.2 半导体中的杂质171

6.2.1 施主和受主172

6.2.2 深能级杂质174

6.3 载流子的统计分布175

6.3.1 费米能级和载流子数密度176

6.3.2 本征载流子数密度177

6.3.3 费米能级随温度的变化178

6.4 半导体的电导率和霍尔效应182

6.4.1 半导体的直流电导率182

6.4.2 载流子的迁移率184

6.4.3 半导体的霍尔效应187

6.5 非平衡载流子191

6.5.1 非平衡载流子数密度191

6.5.2 非平衡少子192

6.5.3 非平衡载流子的寿命192

6.5.4 直接复合与间接复合193

6.5.5 非平衡载流子的扩散194

6.6 p-n结及其应用196

6.6.1 p-n结的平衡能带结构196

6.6.2 p-n结的伏-安特性197

6.6.3 p-n结的应用199

6.7 MOS场效应器件202

6.7.1 理想MOS结构的表面203

6.7.2 氧化层电荷、界面态和平带电压204

6.7.3 MOS场效应晶体管205

6.7.4 硅电荷耦合器件205

6.8 量子阱和超晶格208

6.8.1 半导体量子阱208

6.8.2 半导体超晶格210

习题212

第七章 固体的介电性213

7.1 极化的微观机制213

7.1.1 原子的极化率213

7.1.2 离子位移极化216

7.1.3 固有偶极矩的取向极化218

7.2 介电函数及局域场219

7.2.1 介电函数219

7.2.2 晶格中原子位置的局域电场220

7.2.3 克劳修斯-莫索提关系221

7.3 极化弛豫和介电损耗222

7.3.1 极化滞后于电场223

7.3.2 在交变电场中固体的介电损耗224

7.4 钛酸钡的铁电性225

7.4.1 位移型的铁电体225

7.4.2 软模理论227

7.5 磷酸二氢钾的铁电性229

7.5.1 磷酸二氢钾的晶体结构229

7.5.2 氢键上氢核分布从无序变为有序230

7.6 共价晶体的介电性231

7.6.1 共价晶体的价键特色231

7.6.2 哈里森（Harrison）杂化价键的极化率231

7.7 极化子233

7.7.1 电子与晶体离子极化的相互作用233

7.7.2 球势阱模型—小极化子的基态能量234

7.7.3 弱耦合的大极化子235

7.8 自发极化的新理论236

7.8.1 自发极化的表述236

7.8.2 价带电子对极化的贡献238

习题241

第八章 固体的光学性质242

8.1 介电固体的光学参数242

8.1.1 折射率和吸收系数242

8.1.2 克拉默斯-克勒尼希（Kramers-Kronig）关系244

8.2 本征光吸收245

8.2.1 跃迁概率245

8.2.2 横电场介电函数246

8.2.3 直接跃迁光吸收247

8.2.4 间接跃迁光吸收248

8.3 激子的光吸收249

8.3.1 松束缚激子的光吸收249

8.3.2 弗仑克尔激子251

8.4 拉曼散射252

8.4.1 拉曼散射的经典理论252

8.4.2 拉曼张量254

8.5 激光原理和固体激光器255

8.5.1 产生激光的条件255

8.5.2 固体激光器举例257

8.6 非线性光学性质260

8.6.1 非线性极化261

8.6.2 非线性光学效应262

8.6.3 相位匹配264

8.6.4 铁电晶体的非线性光学性质264

8.7 光子晶体266

8.7.1 光子晶体的能带结构267

8.7.2 三维光子晶体269

8.7.3 光子晶体光纤271

习题273

第九章 固体的磁性274

9.1 原子和离子的磁矩275

9.1.1 未满壳层只有一个电子的原子磁矩275

9.1.2 未满壳层有多个电子的原子磁矩276

9.1.3 洪德（F．Hund）定则276

9.2 固体中的弱磁性278

9.2.1 抗磁性279

9.2.2 朗之万顺磁性280

9.2.3 范弗莱克顺磁性282

9.3 金属电子气的磁性283

9.3.1 泡利顺磁性283

9.3.2 朗道抗磁性285

9.3.3 德哈斯-范阿尔芬效应288

9.4 磁共振290

9.4.1 核磁共振291

9.4.2 磁化强度的经典运动方程292

9.4.3 布洛赫方程293

9.4.4 电子自旋共振294

9.4.5 奈特移位295

9.5 铁磁性和外斯理论295

9.5.1 铁磁性的基本特征296

9.5.2 自发磁化强度与温度的关系296

9.5.3 高温顺磁性298

9.5.4 磁畴和磁化过程298

9.6 反铁磁性和亚铁磁性300

9.6.1 反铁磁晶体300

9.6.2 亚铁磁晶体303

9.7 交换作用305

9.7.1 海森伯模型305

9.7.2 金属中的间接交换作用307

9.7.3 超交换作用308

9.7.4 巡游电子模型309

9.8 自旋波311

9.8.1 自旋波的色散关系311

9.8.2 布洛赫T3/2规律313

9.9 巨磁阻效应314

9.9.1 巨磁电阻与通常磁阻的差异314

9.9.2 铁磁／非铁磁金属多层膜结构的巨磁电阻效应316

9.9.3 铁磁隧道结的磁电阻318

9.9.4 超巨磁电阻321

9.10 穆斯堡尔效应323

9.10.1 无反冲的核共振发射和吸收323

9.10.2 应用举例324

习题326

第十章 超导电性327

10.1 超导态的基本特性328

10.1.1 零电阻性质328

10.1.2 迈斯纳效应329

10.1.3 超导态的凝聚能330

10.1.4 超导态的比热容331

10.2 超导态的唯象电磁理论332

10.2.1 伦敦方程332

10.2.2 磁通量子化334

10.2.3 皮帕德方程336

10.3 同位素效应和库珀对337

10.3.1 同位素效应337

10.3.2 库珀对339

10.4 BCS超导理论342

10.4.1 超导基态的总能量342

10.4.2 能隙方程343

10.4.3 若干重要的理论结果344

10.5 超导临界电流和完全抗磁性346

10.5.1 超导临界电流346

10.5.2 迈斯纳效应的解释348

10.6 准粒子和它的隧穿效应349

10.6.1 超导态的准粒子激发349

10.6.2 正常金属隧道结351

10.6.3 NIS结的隧穿效应352

10.6.4 S1IS2结的隧穿效应353

10.7 约瑟夫森效应354

10.7.1 描述约瑟夫森效应的基本方程354

10.7.2 交流约瑟夫森效应356

10.7.3 超导量子干涉现象357

10.8 金兹堡-朗道理论358

10.8.1 超导态自由能密度的新表述359

10.8.2 金兹堡-朗道参数360

10.8.3 界面能和两类超导体361

10.8.4 Ⅱ类超导体的磁通格子362

10.9 高温超导体364

10.9.1 新的突破与挑战364

10.9.2 d波超导体366

10.9.3 铁基新超导体367

习题369

第十一章 缺失周期性的固体370

11.1 简单的二元合金370

11.1.1 休姆-罗瑟里定则370

11.1.2 有序-无序转变371

11.1.3 间隙式固溶体373

11.2 非晶固体的结构374

11.2.1 非晶结构模型374

11.2.2 帕特森函数375

11.2.3 扩展X射线吸收精细结构378

11.3 无序固体中的电子态380

11.3.1 安德森局域化电子态380

11.3.2 莫特迁移率边381

11.4 非晶态半导体382

11.4.1 变程跳跃电导383

11.4.2 非晶硅的振动谱384

11.4.3 非晶硅太阳能电池386

11.5 非晶铁磁体387

11.5.1 非晶合金的铁磁性387

11.5.2 近藤效应389

11.5.3 自旋玻璃389

11.6 准晶体392

11.6.1 斐波那契（Fibonacci）序列392

11.6.2 彭罗斯拼块396

11.6.3 二十面体准晶衍射图描述397

习题399

第十二章 低维固体和纳米结构401

12.1 固体表面401

12.1.1 二维晶格及其倒格子401

12.1.2 弛豫和重构402

12.1.3 半无限一维双原子链的表面模404

12.1.4 表面电子态406

12.2 量子霍尔效应408

12.2.1 整数量子霍尔效应408

12.2.2 分数量子霍尔效应409

12.3 聚乙炔中的准粒子411

12.3.1 派尔斯不稳定性411

12.3.2 反式聚乙炔中的孤子412

12.3.3 新形态的极化子413

12.4 碳纳米管415

12.4.1 碳纳米管的结构415

12.4.2 单壁碳纳米管的电子态密度418

12.5 一维纳米导体的电传导419

12.5.1 电导量子化419

12.5.2 朗道尔公式421

12.5.3 双势垒的共振隧穿效应421

12.5.4 欧姆定律422

12.5.5 局域化423

12.6 介观系统的物理效应424

12.6.1 阿哈罗诺夫-玻姆（AB）效应424

12.6.2 普适电导涨落425

12.7 零维系统428

12.7.1 金属团簇428

12.7.2 半导体纳米晶粒429

12.7.3 碳团簇431

12.8 纳米隧道结和库仑阻塞433

12.8.1 隧道结中的库仑阻塞效应434

12.8.2 单电子隧穿晶体管435

12.8.3 球形量子点436

习题439

参考书目441

附录443