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出版者:Springer Verlag

作者:Hummel, Rolf E.

出品人:

页数:470

译者:

出版时间:2004-8

价格:$ 134.47

装帧:HRD

isbn号码:9780387209395

丛书系列:

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深入探索微观世界的奥秘：一本关于凝聚态物理与应用材料学的著作 本书旨在为对凝聚态物理现象的深层机制以及现代材料科学的工程应用有浓厚兴趣的读者提供一个全面而深入的视角。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论推导到前沿技术实现的广泛领域，力求在理论深度和工程实用性之间架起一座坚实的桥梁。 第一部分：凝聚态物理的基石 本部分聚焦于构成我们周围一切物质的微观世界的基本原理。我们从晶体结构和晶格振动（声子）的理论入手，详尽阐述了晶格的周期性如何决定了电子的能带结构。 第一章：晶体结构与衍射 首先，本书详细介绍了晶体的分类、对称性群以及布拉维晶格。通过对点群和空间群的系统梳理，读者将理解不同材料在原子尺度上的排列规律。重点内容包括X射线衍射（XRD）的原理与数据分析，如何从衍射图样中精确反演出晶体结构参数，以及电子衍射和中子衍射在特定体系研究中的应用。我们不仅讨论了理想晶体，还深入探讨了缺陷工程——点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷对材料宏观性能的决定性影响。 第二章：电子的量子行为——能带理论 这是理解材料电学、光学和磁学特性的核心。本章从薛定谔方程在周期性势场下的解——布洛赫定理开始，构建了能带理论的完整框架。我们将详细分析紧束缚近似（Tight-Binding Approximation）和近自由电子模型（Nearly Free Electron Model），并展示它们如何解释金属、半导体和绝缘体之间的本质区别。费米面和费米海的概念被引入，用以描述电子的集体激发。随后，我们讨论了能带结构中的拓扑特性，例如狄拉克锥和能谷自由度，为理解新型二维材料奠定基础。 第三章：声子与晶格动力学 晶格振动，即声子，是热学和某些电学现象的载体。本章建立了一维和三维晶格的色散关系模型，区分了声学支和光学支。我们详细推导了德拜模型（Debye Model）和布里渊函数，并用它们来精确计算材料的比热容。此外，声子与电子之间的耦合（如电子-声子散射）被纳入考量，这对于理解电阻的温度依赖性和超导现象至关重要。 第四章：磁性与磁有序 磁性是凝聚态物理中最引人入胜的现象之一。本章首先区分了抗磁性、顺磁性和铁磁性的微观起源——朗之万理论和居里-外斯定律。随后，重点分析了电子间的交换相互作用（Exchange Interaction），这是铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性产生的根本原因。我们深入探讨了布洛赫壁、磁畴结构，并引入了斯托纳尔理论（Stoner Theory）来描述自旋涨落。新兴的自旋电子学概念，如巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR），也在本章进行了理论阐述。 第二部分：功能材料的精细调控与应用 本部分将理论物理知识转化为实际可用的工程材料设计工具，聚焦于半导体、陶瓷、聚合物以及新兴的软物质。 第五章：半导体物理与器件基础 作为信息技术的核心，半导体材料的精细控制是重中之重。本章回顾了半导体中载流子的输运机制，详细分析了本征半导体、N型和P型掺杂的载流子浓度分布。PN结的建立及其在二极管、三极管中的工作原理被系统阐述。我们特别关注了异质结（Heterojunctions）的构建，如GaAs/AlGaAs异质结，以及其在高频器件和激光器中的应用。对MOSFET的工作原理和短沟道效应的分析，展示了集成电路微型化的物理限制。 第六章：介电、铁电与压电材料 电介质的极化行为是储能和传感器技术的基础。本章从宏观的电容理论出发，深入到微观的电子极化、离子极化和偶极极化机制。我们详细分析了居里-外斯定律在铁电材料中的表现，并用Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) 理论描述了铁电畴的形成和反转。压电效应作为一种机电耦合现象，其本构方程和能量转换效率被严格推导，并探讨了PZT等高性能压电陶瓷在换能器中的应用实例。 第七章：超导现象的原理与进展 超导电性是零电阻和迈斯纳效应的奇特现象。本书从BCS理论出发，阐述了库珀对的形成、能隙的意义以及超导转变温度的决定因素。我们区分了第一类和第二类超导体，并利用Ginzburg-Landau理论描述了磁通钉扎和涡旋动力学，这对高场磁体和超导电缆的设计至关重要。随后，本书概述了高温超导（如铜氧化物和铁基超导体）的研究现状，并展望了室温超导的可能性与挑战。 第八章：高分子与软物质科学 本部分拓宽了材料学的范畴，涵盖了高分子材料的独特行为。我们探讨了聚合物的链结构、自由体积理论和粘弹性（Viscoelasticity）。高分子溶液中的统计力学，包括Flory-Huggins理论，被用来预测相分离行为。对于液晶材料，本书引入了序参量，并分析了向列相、层列相和胆甾相的结构特征，以及它们在显示技术中的应用。 第九章：先进表征技术 理解材料必须依赖于先进的表征手段。本章对几种关键技术进行了深入剖析：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的成像原理、分辨率限制和元素分析（EDS/EELS）；原子力显微镜（AFM）的表面形貌和力学性能测量；以及各种光谱技术（如拉曼散射、XPS）如何提供化学键合和电子态信息。重点强调了同步辐射光源在获取高时间/空间分辨率数据中的不可替代性。 结论与展望 全书在总结当前材料科学面临的核心挑战（如可持续性、能源存储效率、量子计算材料的开发）后结束。本书旨在培养读者将微观物理模型应用于解决宏观工程问题的能力，鼓励其在多学科交叉领域进行创新性探索。

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