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《有机固体物理》解士杰，尹笋，高琨著_现代物理基础丛书47.pdf

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有机固体物理
作者:解士杰、尹笋、高琨出版社:科学出版社出版时间:2012年09月

开 本：16开
纸 张：
包 装：平装
是否套装：否
国际标准书号ISBN：9787030356178
丛书名：现代物理基础丛书
所属分类：
图书>教材>研究生/本科/专科教材>理学图书>自然科学>物理学>固体物理学

内容简介
《有机固体物理》主要阐述有机分子及其固体的结构和力学、电学、磁学、光学等物理性质，涉及当前在有机固体物理中一些成熟的理论图像，并论述了相关前沿研究现状。《有机固体物理》共分九章。章概述固体物理一般概念和问题；第二章简述有机分子及其固体的结构；第三至第七章为有机固体中的元激发和导电、光学、磁学等特性；第八章为生物大分子物理简介；第九章则介绍全碳材料，例如碳纳米管、富勒烯和石墨烯等材料的性质。
《有机固体物理》可供凝聚态物理及相关领域的研究人员参考，也可作为大专院校的高年级本科生或研究生的教材或参考书。

目　　录
前言
章 固体物理概述
1.1 固体结构
1.1.1 固体的点阵结构
1.1.2 固体的结合
1.2 晶格振动
1.2.1 晶格振动理论
1.2.2 声子
1.2.3 固体比热
1.3 固体电子论
1.3.1 自由电子近似
1.3.2 布洛赫定理
1.3.3 近自由电子近似
1.3.4 紧束缚近似
1.4 固体导电理论
1.4.1 玻尔兹曼输运方程
1.4.2 金属导电理论
1.4.3 半导体导电理论
1.4.4 跃迁电导
1.5 固体的磁性
1.5.1 抗磁性
1.5.2 顺磁性
1.5.3 铁磁性
1.5.4 反铁磁性
1.5.5 亚铁磁性
1.5.6 巡游电子的磁性, 斯通纳(Stoner)判据
1.6 固体的维度效应
参考文献
第二章 有机固体结构
2.1 碳原子成键理论
2.2 分子间的相互作用
2.3 有机小分子
2.3.1 小分子的合成
2.3.2 小分子的基本化学性质
2.4 导电高分子
2.4.1 高分子的合成
2.4.2 聚乙炔的合成
2.4.3 高分子的基本化学性质
2.4.4 共聚物
2.5 有机固体结构
2.5.1 小分子点阵结构
2.5.2 高分子的取向性
2.5.3 有机薄膜
2.6 有机固体各向异性
参考文献
第三章 有机固体中的极化子
3.1 有机小分子中的极化子
3.1.1 极化子的一般图像
3.1.2 有机小分子中的极化子
3.2 有机分子晶体模型
3.3 有机高分子模型
3.3.1 高分子链的紧束缚模型(SSH模型)
3.3.2 连续介质模型(TLM模型)
3.3.3 PPP模型
3.3.4 实坐标空间模型
3.3.5 声子化模型
3.4 高分子的二聚化
3.4.1 一维体系的Peierls不稳定性
3.4.2 高分子的基态
3.5 电荷密度波与自旋密度波
3.6 孤子、极化子和双极化子
3.6.1 孤子
3.6.2 极化子和双极化子
3.7 有机分子振动理论
3.7.1 有机分子的光谱结构
3.7.2 振动理论
参考文献
第四章 有机固体中的激子
4.1 激子的一般图像
4.2 高分子中的激子和双激子
4.3 激子的产生过程
4.4 激子的极化
4.5 激子的扩散与解离
参考文献
第五章 有机固体的导电性
5.1 有机固体电荷输运的一般理论
5.2 有机小分子固体的导电性
5.3 有机固体导电理论
5.3.1 隧穿理论
5.3.2 跃迁理论
5.3.3 扩散理论
5.4 有机高分子的极化子动力学理论
5.5 极化子的形成与解离
5.5.1 有机半导体的电荷注入
5.5.2 极化子形成动力学
5.5.3 极化子的解离
5.5.4 极化子的链间运动
5.6 有机场效应晶体管
5.7 有机超导体
参考文献
第六章 有机固体的光学特性
6.1 有机固体的红外与拉曼特性
6.1.1 红外光谱及拉曼光谱
6.1.2 聚乙炔的光谱性质
6.2 有机固体的发光特性
6.2.1 有机固体发光
6.2.2 有机固体发光的基本图像
6.3 有机发光器件
6.3.1 OLED的结构
6.3.2 OLED发光的基本原理
6.3.3 OLED的发光效率
6.3.4 OLED应用前景
6.4 有机太阳能电池
6.4.1 固体中的光伏特性
6.4.2 有机光伏器件
6.4.3 有机光伏器件应用前景
6.5 有机半导体激光器
参考文献
第七章 有机自旋电子学
7.1 自旋相互作用
7.2 有机磁性分子
7.3 有机磁性分子理论
7.4 有机磁性分子器件
7.5 有机自旋器件
7.5.1 实验概述
7.5.2 有机自旋阀的隧穿理论
7.6 有机器件自旋极化的扩散理论
7.7 有机器件自旋极化的量子理论
7.7.1 自旋极化注入
7.7.2 极化子自旋动力学
7.8 有机磁场效应
7.8.1 有机磁场效应(OMFE)
7.8.2 有机磁电阻(OMR)
7.9 有机磁场效应机理
7.9.1 极化子对机制
7.9.2 激子与极化子淬灭机制
7.9.3 双极化子机制
7.9.4 磁致跃迁理论
7.9.5 有机磁电阻理论
参考文献
第八章 生物大分子物理
8.1 生物大分子简介
8.1.1 蛋白质分子
8.1.2 DNA分子
8.2 生物分子的稳定性
8.2.1 蛋白质分子动力学模型
8.2.2 蛋白质折叠
8.2.3 DNA分子力学特性
8.3 DNA分子的电荷输运性质
8.3.1 实验研究进展
8.3.2 理论研究进展
8.3.3 DNA分子模型
8.4 DNA输运的变电子数模型
8.5 DNA分子的极化子理论
8.5.1 一维紧束缚模型下的极化子图像
8.5.2 三维紧束缚模型下的极化子图像
8.5.3 Peyrard-Bishop-Holstein模型下的极化子图像
8.5.4 双极化子图像
8.5.5 螺旋结构对极化子动力学的影响
8.6 DNA分子器件的磁场效应
8.7 DNA的光激发
参考文献
第九章 全碳材料
9.1 碳家族概述
9.2 碳团簇
9.2.1 碳团簇的种类
9.2.2 C60的结构和性能
9.3 碳纳米管
9.4 石墨烯
9.4.1 石墨烯的制备
9.4.2 石墨烯的奇特性质
9.5 石墨烯纳米条带
9.5.1 石墨烯纳米条带的制备
9.5.2 石墨烯纳米条带的电子结构性质
9.5.3 锯齿边界石墨烯纳米带的磁性
9.6 金刚石
参考文献
《现代物理基础丛书》已出版书目
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章 固体物理概述
本章将回顾固体物理中对于晶体的描述和认识.有机固体是固体的一种,因此对有机固体的很多描述手段和认识脱胎于（无机）固体物理.本章将从固体结构、晶格振动、电子性质、电磁性质以及维度性几个方面予以介绍.
1.1固体结构
固体包含有大量原子或离子,数目以摩尔数（1023）计算.如此大量的原子或离子在微观上是按照一定的方式排列组合在一起的,其微观排列组合方式就是固体的结构.固体的宏观性质由微观结构和性质决定.固体的微观结构可以从固体的点阵结构和固体的结合两方面来分析.前者关注所有原子的相对位置,后者关注原子或离子之间的联系.
1.1.1固体的点阵结构
固体按照点阵结构的有序性可以分为晶体和非晶体两大类.晶体中的原子排列具有周期性,也叫做长程有序.而非晶体则不具有长程有序的性质.1984年,人们又提出了介于晶体和非晶体之间的新状态,称作准晶态.对于晶体结构的研究可以追溯到两个世纪以前,而深入、系统的研究则始于X射线晶体衍射的发现.通过X射线手段人们证明晶体由原子通过周期性排列组成.
为了研究晶体的点阵结构,可以将空间重复的原子团单元抽象为几何的点,这些点构成为晶格,这些原子团称为原胞.图1.1.1给出了常见的立方晶格结构示意图.结构的周期性意味着平移一个确定的矢量,可以得到完全相同的晶格排列.在三维晶体中,我们通过平移矢量（.a1,.a2,.a3）的整数倍来表征所有原子的位置,其中三个矢量.a1,.a2,.a3称为三个基矢.原胞是小的重复单元.但有时候为了反映晶格的周期性,常取原胞的几倍作为重复单元,叫做单胞.如图1.1.1所示,三维简单立方格子就是原胞,但是体心立方和面心立方格子却不是原胞,而是单胞.所有格点的位置可以通过下式给出：
R=ma1+na2+p.a3
其中,m,n,p为整数.

固体物理概述
图1.1.1简单立方、体心立方和面心立方晶格示意图
对于一个给定的晶格,可以定义一个倒格子,形成所谓的倒易空间.对于具有平移矢量（.a1,.a2,.a3）的三维晶格来说,倒格子的基矢定义为
b1=2π
.a2×.a3
（1.1.1）
.a1
.a2×.a3
?
b2=2π
.a3×.a1
（1.1.2）
.a1
.a2×.a3
?
b3=2π
.a1×.a2
（1.1.3）
.a1
.a2×.a3
?
倒易空间中的所有倒格矢则可以用（.b1,.b2,.b3）来表示：
G.=h.b1+k.b2+l.b3（1.1.4）
其中,h,k,l为整数.
倒易空间中的元胞可以由Wigner-Seitz晶胞来表示.Wigner-Seitz晶胞定义为所选取的格点向近的倒易格点的连线的垂直平分面包围的体积.倒易空间中的Wigner-Seitz晶胞也叫做布里渊区.在布里渊区边界上电子存在反射,这是造成带隙的原因.
表1.1.1七大晶系与相应的Bravais点阵
晶系单胞基矢的特性Bravais格子所属点阵
三斜晶系单斜晶系正交晶系.a1.=.a2.=.a3,夹角不等.a1.=.a2.=.a3,.a2⊥.a1,.a3.a1.=.a2.=.a3,.a1⊥.a2⊥.a3简单三斜简单单斜、底心单斜简单正交,底心正交,体心正交,面心正交C1,C2C2,Cs,C2hD2,C2v,D2h

三角晶系.a1=.a2=.a3三角C3,C3i,D3,C3v,α=β=γ=90.<120.D3d
.a1=.a2=.a3C4,C4h,D4,C4v
四方晶系α=β=.γ.=90.简单四方,体心四方D4h,S4,D2d
六角晶系.a1=.a2.=.a3,.a3⊥.a1,.a2六角C6,C6h,D6,C3v
γ=120.D6h,C3h,D2h
立方晶系.a1=.a2=.a3α=β=γ=90.简单立方,体心立方,面心立方T,Th,Td,O,Oh

1.1固体结构3
??
晶体可以通过晶格平移或者绕某格点的特殊转动与其自身重合,其中的平移对称性通过选取单胞体现,而绕格点的转动对称性要求平移矢量的方向有一定的限制.可以通过这些限制对点阵进行分类,叫做Bravais点阵.三维情况下晶体分为七大晶系,14种Bravais点阵.假设.a1,.a2,.a3间的夹角分别为∠.a1.a2=α,∠.a2.a3=β,∠.a3.a1=γ,七大晶系有如表1.1.1的性质.
1.1.2固体的结合
原子或者离子是依靠什么样的相互作用而结合成大的固体的?这是一个重要的问题.从能量的角度来说,原子聚合在一起,总能量应该降低,才能使整个系统处于稳定状态.在零温度下,将固体分解为距离无限远、静止且不带电的单个中性原子所需要的能量,定义为分离能或者内聚能.把无限远的中性自由原子聚合在一起所放出的能量,叫做结合能.结合能和内聚能大小相等.固体的结合力来源于原子核的正电荷与电子的负电荷之间的库仑相互作用.而磁力与万有引力影响很弱.一般来说,固体的结合从性质上可以分为四类:范德瓦耳斯结合、离子性结合、共价结合和金属性结合,如图1.1.2所示.实际的固体结合既可以是这四种中的一种,也可以是几种的共存.

图1.1.2晶体结合的主要类型示意图
（a）范德瓦耳斯力结合;（b）离子性结合;（c）共价结合;（d）金属性结合
章固体物理概述
1.范德瓦耳斯结合
这是弱的一种结合,产生于具有稳定电子结构的原子或分子之间.惰性气体即是此种结合.在这种结合过程中,电子结构几乎保持不变.以惰性气体为例,原子核外面电子形成满壳层,整个原子电荷分布呈球对称,原子之间没有直接的库仑相互作用.但是当原子相互靠近时,感生偶极矩,此偶极矩将会使原子之间产生吸引相互作用.
此处给出简单定量描述瞬时偶极的范德瓦耳斯相互作用（色散力）,较详细的介绍参见第二章的相关部分.考虑两个原子,其中一原子产生瞬时偶极矩p1,那么在距离此原子r处将产生E~p1/r3的电场.这个电场将诱导出另一原子的偶极矩
p2=αE~αp1（1.1.5）
r3其中,α为原子极化率.两个原子的库仑吸引相互作用为
p1p2αp21
r3~.r6（1.1.6）
其中,p1是瞬时感应出来的,时间平均值为零;但是,p21的时间平均值不为零.因
此,上述库仑吸引相互作用是有意义的.另外,这个吸引相互作用与r16成正比,随
距离下降很快,因此范德瓦耳斯力是一种短程相互作用.
范德瓦耳斯力是相互吸引作用,两个原子的距离将会减少.但是当原子电子云有交叠时,将会产生排斥性的相互作用.这种相互作用主要来自于电子的泡利不相容原理.电子云的交叠使得属于两个原子的电子倾向于占据同一量子态（耦合后的态）,但为泡利原理所禁止.因此只有激发其中一个电子使其占据高能态,这会使总能量增加.因此,原子靠近会造成斥力.
对于惰性气体来说,经验表明,排斥能有正比于r112的形式.因此,距离为r的
两个惰性气体原子总势能有如下形式
..σ.12.σ.6.U
（r）=4εr.r（1.1.7）
这种形式的相互作用势被称作伦纳德?琼斯势（如图1.1.3）.其中,σ,ε是经验参数,针对不同的原子或者分子,它们可以在文献中查到.
图1.1.3伦纳德?琼斯势示意图
1.1固体结构5
??
2.离子性结合
这种结合以正负离子为基础,相应的晶体称为离子晶体.典型的离子晶体是由碱金属元素和卤族元素组成的化合物,如LiF、NaCl等.在这些晶体中,碱金属原子失去外层电子,形成满壳层的正离子,而卤族原子则得到电子,形成满壳层的负离子.正负离子通过库仑相互作用吸引在一起.当正负离子距离逐渐接近,并有了电子波函数的交叠时,泡利原理再次起作用,造成正负离子之间的排斥力.排斥力和吸引力达到平衡,使化合物形成稳定的固体.
由于库仑相互作用的长程性以及同种电荷相斥、异种电荷相吸的性质,离子晶体中的正离子和负离子间隔排列.在离子晶体中,每个离子上的电荷分布近似为球形,在离子间结合处形成一定畸变,这种认识已经被X射线研究所证实.
离子晶体的结合能主要来自于静电能,也被称作马德隆（Madelung）能.其他效应如范德瓦耳斯能贡献都比较少.对离子晶体来说,静电能包含两部分：离子间
2
的库仑部分和近邻离子的排斥部分.库仑部分的表达形式为q,其中,“±”来
源于离子的正负.与近邻离子的排斥部分来自于电子云的交叠±,r其排斥能是随着距离r的减少剧烈上升的,可以唯象地表达为
rbn或λe.r/r0（1.1.8）
若我们取后一种表达形式,并引入量pij,使得r=pijR,其中R为离子近邻间距,那么第i个离子具有的电离能为
Ui=
..
..
.
2
λe.R/r0.qR近邻
（1.1.9）
1q2其他
±pijR
假设共有2N个离子,那么总的电离能为U=NUi=N（Zλe.R/r0.αq2/R）（1.1.10）
±1
其中,Z是离子的近邻数目（配位数）,α≡
叫做马德隆常数.当达到平
pij
j（=i）
衡间距时能量有极值,有dU/dR=0,得到平衡间距R0满足的方程R20e.R0/r0=r0αq2/Zλ（1.1.11）
所以,总的结合能表示为
Nαq2
1.r0
U=.
（1.1.12）
R0R0
章固体物理概述
马德隆常数与具体的离子晶体点阵结构有关,数值可以在文献中查到.结合能U的表达式可以与具体实验结果作比较.
3.共价性结合
共价性结合是指相邻两个原子各贡献一个电子共用,在外层形成共用的电子分布,即共价键.共价结合的晶体被称为共价晶体.
共价键有两个基本特征：饱和性和方向性.
饱和性是指每种原子只能形成一定数目的共价键,即每种原子依靠共价键只能和一定数目的其他原子相结合.饱和性产生的原因是共价键只能由未配对的电子构成.由泡利原理可知,一个原子轨道多只能占据自旋相反的两个电子.若此原子轨道只占据了一个电子,那么这个电子就是未配对的,可以与其他原子的未成对电子形成共价键.相反,若是原子轨道上已经占据了两个电子,那么就不能再与其他原子形成共价键.有未成对电子的典型例子是氢原子,其1s轨道上只有一个电子,是未成对的,因此两个氢原子通过共价结合形成氢分子.相反,惰性气体比如氦原子,外层两个电子都占据1s轨道,已经成对,故不能形成共价键.由此原则,价电子壳层若未到半满,那么所有的电子就都是未成对的.此时能形成的共价键数目就是价电子数目.如果价电子壳层电子数目多于半满,根据泡利原理,会有一部分价电子形成配对,这时能形成的共价键数目将少于价电子数目.
有机物主要由C、H原子构成.C原子属于IV族元素,价电子为4,外层恰好是半满,因此多可以形成4个共价键.
方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键.形成共价键的两个电子来自于两个原子,两个电子是共用的,因此共价键只在两个电子的原来的原子轨道交叠的位置上形成共价键.也就是说,一个原子在价电子波函数的方向上形成共价键.例如,金刚石的C原子的四个共价键位于四面体的四个顶角上.
从量子力学理论出发可以了解共价键的某些性质.我们以H原子为例做一个具体的说明.前面的分析表明,两个H原子可以形成一个共价键.我们处理两个氢原子A和B.当它们离开足够远时,是两个独立的原子,电子的波函数.A和.B满足
..2.
HA.A=2+VA.A=εA.A.2m.
..2.（1.1.13）
HB.B=2+VB.B=εB.B.2m.
其中,VA（VB）为电子因原子核的作用而具有的势能.当两个原子结合在一起时,每个电子将受到两个原子核的作用,而且还要考虑到电子之间的相互作用,因此难以严格求解.如果忽略电子间的相互作用,两个电子满足的方程就可以分离,每个电
1.1固体结构7
??
子所受的外势变成两个原子核.此时电子不再隶属于某一原子,而是在分子轨道上：
..2.
.2m.2+VA+VBψ=εψ（1.1.14）
其中,ε为分子轨道的能量.此时我们可以用原子轨道的线性组合来表示分子轨道,即原子轨道线性组合法（linearcombinationofatomicorbitals或LCAO）.对氢分子来说,由于两个原子完全等价,分子轨道可以选取对称组合和反对称组合：
ψ+=C+（.A+.B）（1.1.15）
（.A..B）
ψ
=C
..
人们通常把ψ+叫做成键态,而ψ.叫做反键态.一般情况下在成键态,电子云将主要聚集在两个原子核中间,而反键态的电子云在两原子核中间密度小.通过量子力学理论进一步计算两种态的能量差别
Hψ+d.r
.
ψ
2..
|
+
2（ε0+Hab）=2
.
AH.Ad.r+
=2
.
.
ε+=
|C+
.C+
||
AH.Bd.r
ψ+d.r
ψ
.
+
d.r
ψ
..
Hψ
2..
.
2（ε0.Hab）
=2
.
AH.Ad.r.
=2
.
.
ε
.
.
|C
AH.Ad.r=.C+
.=.
|||
AH.Bd.r
ψ
d…ψ.
r
（1.1.16）
.
.
BH.Bd.r,Hab≡
.
AH.Bd.r.
其中,已经令ε0≡
通常情况下,
..
Hab<0,表示处在原子A（B）上的电子云受到B（A）原子的库仑吸引力.因此,成键态的能量较低,反键态的能量较高,原因是成键态轨道电子云聚集在原子核之间,受到两个原子核的库仑吸引作用降低了总的能量,反键态则正好相反,总能量升高.
上述例子处理的是两个原子相同的情况,如果A、B两种原子不同,那么原子轨道组合就没有对称性,这个时候电子云的转移情况较复杂,此时成键既有共价键的成分又有离子键的成分.这时可以引入电离度来表征电子云在A、B两个原子中更倾向于哪一个.对于电离度的概念此处不作详细论述.
4.金属性结合
第I、II族元素和过渡族金属都是通过金属性结合而成为晶体的.这种结合的特点是,原子的外层1~2个电子将会失去,并在整个金属中运动,形成所谓的传导电子.这样,传导电子在离子实之间传输,会使得传导电子的能量降低,从而把整个晶体结合在一起.另一方面,离子实相互靠近会使得内层电子云交叠引起排斥力,吸引力和排斥力终将会达到平衡.