[物理]材料结构无机-7-晶格振动与热学性质1.ppt

材料结构（无机） ——第四章 晶格振动与热学性质 陈宁nchen@，主楼427 主要内容 第1章 晶体结构（4学时）：晶体学概述、原子的周期性、晶格的基本类型、各晶系空间群特征、国际表示和使用方法、常见的无机晶体结构； 第2章 晶体衍射和倒格子 （4学时）：晶体衍射、布里渊区与倒格子、X射线衍射基础、常见无机晶体结构的测定、中子衍射结构分析； 第3章 晶体结合与弹性常数（4学时）：惰性气体晶体，离子晶体共价晶体，金属晶体等，弹性常数和立方晶体中的弹性波； 第4章 晶格振动与热学性质（4学时）：声子与晶格振动，声子比热容，热膨胀，导热性； 第5章 自由电子费米气（2学时）：电子气的热容，电导率和欧姆定律，无机材料中的电子导电规律也结构特点； 第6章 能带（4学时）：近自由电子模型，金属与绝缘能带比较； 上讲内容要点 各种晶体的键价的本质差异（电子结构特点）； 电子结构与内聚能（化学键）； 晶体结合的多种研究方法； ——力学性能初步认识（弹性常数与对称性） ——进一步认识晶体结合特特点 第四章 晶格振动与热学性质（4学时） 晶格振动：声子与晶格振动； 晶体的相关热性质：声子比热容，热膨胀，导热性； 本章重点: ——声子测量和计算方法； ——与声子相关的晶体性能； 问题的提出 讨论晶体结合时候，原子被认为是静止，只考虑电子之间的相互作用，但事实上，原子是运动的，运动（振动）原子是如何影响对晶体性质的； 从弹性模量开始，涉及到了晶体长波情况的振动情况，对应着较为宏观的弹性波等现象； 由于原子与原子存在一定的相互作用，对它们的振动规律要受到周期性晶体的影响，因此会产生一定限制，导致相关频率与波长相关性——色散关系； 除此之外，原子晶格内的振动模式分布特点和规律，也会影响到电学，声学，热学等性质，产生很多的宏观现象和性质…… 相关的宏观现象和性质 热电性质 热利用关键材料的结构设计 超导的BCS电-声子机制 第四章 晶格振动与晶体的热学性质 ——重要的声子概念的引入，以及对相关性能的分析…… 材料中的弹性波与原子振动关系 格波与连续波的差异 晶体中原子的振动 越小的分子振动相对来讲越比较自由，较大的分子振动起来牵扯的因素越多，行动越迟缓合复杂； 晶体是周期性的原子或离子构成的三维结构，但与所有分子相同，这些原子在其平衡位置受热影响也会发生相对运动，很像一些连接起来的弹簧振子； 振动将对晶体性质产生影响，当然这些影响将受到晶体结合状态的影响，也就是化学键的影响，存在一些限制条件，我们现在研究和分析的目的就是要了解这些限制条件是什么，对材料的性能影响有哪些…… 总结和分析 波如果在晶体中运行（也就是格波）得话，必须满足一定限制条件： 波长不能太小，否则“工作”不了——第一布里渊区； 波长与频率必须满足一定条件，相互限制，相互牵扯，频率和波长相互制约——色散关系； 波长必须满足周期性得共振条件——波矢量子化； 所有得原子都不能单独运动，都必须协调运动——声子概念的提出； ——此外，倒空间我们又进一步发现了新的形象特征：一个限制范围（布里渊区），一条曲线（几个色散曲面），一些虚线细格子（共多少个点？），一些有方向和能量的虚粒子（声子）？…… ——较前面更复杂的情况…… 三维晶格振动 ——一维简单，一维复杂，继续推广到三维情况…… 总结和分析 波如果在晶体中运行（也就是格波）得话，必须满足一定限制条件： 波长不能太小，否则“工作”不了——第一布里渊区； 波长与频率必须满足一定条件，相互限制，相互牵扯，频率和波长相互制约——色散关系； 波长必须满足周期性得共振条件——波矢量子化； 所有得原子都不能单独运动，都必须协调运动——振动模式——声子概念提出； ——概念与方法； ——曲线参数与材料特征； ——其中色散关系是材料重要性质，有什么含义？ 研究色散关系的意义 前面的讨论结论表明，晶体中振动有几条声学支和几条光学支，可以在什么范围内有值，重要的矢波矢与频率关系如何——这些都是用来描述声子的，也叫声子色散谱，它有什么具体含义呢？ …… 色散关系与晶体性能 晶体的热学等性能是与晶体中原子的振动相关的，这是一个普遍的常识； 实际上是，在研究晶体中原子振动时，我们发现了振动模式适合描述这种原子集体振动——声子概念就被提出，再根据声子的统计分布规律，就可以进一步了解认识和分析相关性能了； 而描述某一晶体中的声子特征，就必须要了解晶体的色散关系等特征； 总之，色散关系是了解晶体性质的关键，因此，正确认识色散关系的含义十分必要…… 为什么叫做色散关系 二维曲面表示 二维等高线或者颜色分布图 三维则不能用曲面来表示色散关系 把二维或三维面变成一维的线 下讲内容 如何测量声子散射谱？ 如何计