本书根据功能材料领域所需的基本知识而编写，共分8章，前4章主要介绍固体物理相关知识，内容包括晶体的结构与结合、晶格振动、金属自由电子论，以及晶体中电子在磁场中的运动；后4章主要讲述半导体物理相关知识，介绍了能带理论、半导体理论基础、半导体器件及其应用，以及其他功能材料。根据功能材料课程的教学特点，本书对固体物理相关的基础知识和重点内容的讲述尽量做到循序渐进、由浅入深，以帮助读者建立一个完善的功能材料知识体系。考虑到与时俱进，本书在最后结合一些实际案例为读者讲解了功能材料的前沿知识。
本书旨在为材料科学与工程领域的学生、研究人员以及工程师提供一本全面而实用的教材。
本书通过对固体物理和半导体物理基础理论的系统介绍，揭示了丰富多彩的固体形态（如金属、绝缘体、半导体等）形成的基本物理规律，同时介绍了一些重要的实验方法，具有较强的理论性。为突出工程教育的特色，本书从应用需求出发，以待解决问题为驱动，讨论了固体中微观抽象的理论概念，让读者了解前人解决问题的思维方式，并能够在工程实践中灵活应用功能材料的基础理论。
功能材料在光、电、磁、热等方面展现出丰富的物理特性，在新一代信息处理与存储器件、人工智能器件等领域展示出巨大的应用潜力，因此受到广泛的关注以及科技工作者的重视。
本书全面介绍了功能材料的基础理论，并着重探讨了这些理论在能源材料与器件中的实际应用。通过前沿研究的介绍，读者将了解功能材料在能源领域的最新应用与前瞻性研究方向。本书可用于材料科学与工程专业的学科基础课程教学，是进一步学习半导体物理器件与应用、电介质物理、磁性材料等课程的基础。本书通过对固体物理和半导体物理基础理论的系统介绍，揭示了丰富多彩的固体形态（如金属、绝缘体、半导体等）形成的基本物理规律，同时介绍了一些重要的实验方法，具有较强的理论性。为突出工程教育的特色，本书从应用需求出发，以待解决问题为驱动，讨论了固体中微观抽象的理论概念，让读者了解前人解决问题的思维方式，并能够在工程实践中灵活应用功能材料的基础理论。
本书的第1～4章由王洪强编写，第5章由王建淦编写，第6～8章由王红月编写。贾宁参与了第1～4章的编写工作，刘昕浩参与了第5～8章的编写工作。本书的编写得到了西北工业大学材料学院和机械工业出版社的大力支持与帮助，在此一并致谢。
高等院校教师
目录
前言
第1章晶体的结构与结合1
11晶体的周期性2
111点阵和基元2
112简单格子（布拉维格子）与复式
格子2
113原胞和基矢3
114维格纳塞茨原胞4
12布拉维格子5
121布拉维格子的定义5
122一维布拉维格子5
123一维复式格子6
124三维情况的原胞6
125三维布拉维晶胞7
13晶向与晶面10
131晶列、晶向与晶向指数10
132晶面、晶面指数与米勒指数11
133六角晶体中晶面族的米勒指数11
14倒格矢与布里渊区12
141倒格矢12
142布里渊区14
15晶体衍射16
16电负性20
161原子的电子分布20
162电离能21
163电子亲和能21
164电负性22
17结合力与结合能22
171结合力的共性22
172结合能23
173结合类型25
18离子晶体的结合（马德隆常数）27
181离子结合的定义和特点27
182离子晶体的结合能28
183马德隆常数的计算31
课后思考题32
第2章晶格振动33
21一维单原子晶格的振动33
211连续媒质中的弹性波33
212晶格振动的近似处理方法35
213一维单原子链的振动38
22一维双原子晶格的振动42
23黄昆方程47
231长光频模的特点47
232黄昆方程48
24简正振动与声子48
241简正振动48
242晶格振动能52
25晶格振动热容理论53
251热容理论53
252爱因斯坦模型55
253德拜模型56
课后思考题59
第3章金属自由电子论60
31经典自由电子论61
311特鲁德模型的研究背景61
312特鲁德对金属结构的描述——
“葡萄干”模型62
313特鲁德模型的基本假设62
314特鲁德模型的特征参量——
电子数密度63
32电子气密度与费米能级65
321电子气的状态密度65
322费米能级67
33索末菲自由电子气模型69
331单电子的本征态和本征能量69
332电子气的基态和基态能量71
34金属的热容76
341电子的热容76
342金属的热容76
35功函数与接触电势差78
351电子发射78
352接触电势差80
课后思考题81
第4章晶体中电子在磁场中的运动82
41原子的磁性83
411固有磁矩84
412感生磁矩88
42固体的磁性90
421抗磁性与顺磁性90
422铁磁性95
43磁有序与局域磁矩理论98
431磁有序98
432交换作用99
433Heisenberg Hamilton量及其平均
场近似100
434间接交换作用与超交换作用103
44磁共振104
课后思考题109
第5章能带理论110
51能带理论的基本近似与能带形成110
511能带理论的基本近似110
512能带的形成111
52布洛赫定理113
521布洛赫定理的历史回顾113
522布洛赫定理的定义114
523布洛赫定理的证明115
524布洛赫定理的重要推论117
53一维周期势场中电子运动的近自由
电子模型117
531近自由电子模型117
532定态非简并微扰计算能量与波
函数118
533定态简并微扰计算能量与波
函数120
534近自由电子能量的讨论121
535产生能隙的物理释义122
536二维晶体和三维晶体的能带
结构123
54紧束缚近似模型125
541紧束缚近似模型的基本思想125
542紧束缚近似下的波函数和能量本
征值126
543固体能带的E～k关系127
55KronigPenney能带模型130
551一维周期性势场的设定130
552KronigPenney模型的求解130
553KronigPenney模型中的E～k色散
关系132
56布洛赫电子的准经典运动134
561波包与电子速度134
562外力作用下的电子状态与
准动量135
563加速度与有效质量张量136
57三类晶体的能带结构138
571能带填充与导电规则139
572近满带与空穴140
573导体、半导体和绝缘体的能带
结构141
574常见半导体的能带结构142
课后思考题144
第6章半导体理论基础146
61载流子统计分布146
611态密度146
612费米能级和载流子的统计分布148
613玻尔兹曼分布函数149
614载流子浓度150
62掺杂152
621替位杂质与间隙杂质153
622施主杂质与施主能级154
623受主杂质与受主能级155
624杂质能级电离能156
625杂质补偿作用157
63非平衡载流子160
631非平衡载流子的注入与复合160
632复合理论165
64半导体发光性质166
65半导体导电性质170
651欧姆偏移定律170
652多能谷散射与耿氏效应171
课后思考题174
第7章半导体器件及其应用175
71pn结175
711pN结的形成175
712pn结能带结构177
72金属半导体接触178
721功函数178
722接触电势179
723表面势垒181
73MIS结构183
731MIS基本结构183
732MIS结构电容电压特性184
733MIS结构CV特性185
74异质结187
741异质结能带结构187
742发光二极管191
743光生伏特效应192
75应用实例简介194
751传统半导体194
752第三代半导体195
753热点前沿半导体196
课后思考题199
第8章其他功能材料200
81超导体200
811约瑟夫孙效应200
812超导体的应用202
82压电功能材料202
821压电效应202
822压电性与晶体机构205
83光功能材料209
831荧光物质209
832激光器210
833通信用光导纤维210
834电光及声光材料211
84铁氧磁性材料211
841软磁材料211
842硬磁材料212
843旋磁材料213
844矩磁材料213
845压磁材料214
课后思考题214
参考文献215
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