Giáo trình vật lý chất rắn đại cương

Các vật liệu trong tự nhiên hay đang được sử dụng trong đời sống của con người có thể tồn tại ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Do đó vật lý học cũng chia thành các chuyên ngành nghiên cứu sự vận động của vật chết ở ba thể tồn tại trên. Trong đó ngành vật lý chất rắn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực vật liệu học và nghiên cứu chế tạo các vật liệu mới.
Món Vật lý chất rắn đại cương nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về chất rắn tinh thể cho sinh viên các ngành vật lý và các ngành liên quan tới vật liệu học như vật liệu và công nghệ linh kiện điện tử, luyện kim, địa chất, công nghệ hoá học, cơ khí… Đây là môn học tiếp sau các món cơ sở khác như vật lý đại cương, vật lý nguyên tử, vật lý thống kê, hoá học v.v..
Vật lý chất rắn thiết lập quan hệ các tính chất của các nguyên tử, phân tử riêng biệt với tinh chất quan sát được của các vật rắn. Tinh thể bao gồm vỏ cùng nhiều các nguyên tử. Các tính chất có thể được giải thích dựa trên các mô hình vật lý đơn giản của chất rắn. Trong thực tế, các tinh thể thực và các chất rắn vô định hình phức tạp hơn nhiều, song giá trị của các mô hình đơn giản không hé thay đổi. Giáo trình này đề cập đến các nội dung sau:
1. Mô hình cấu trúc tuần hoàn của vật rắn tinh thể. Tinh thể học là một chuyên để lớn, cắn có một môn học riêng. Trong giáo trình này chỉ cung cấp các thuật toán cơ bản mô tả tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể lý tưởng trong không gian thuận và không gian Fourrier làm cơ sở xây dựng các mô hình chất rắn sau này.
2. Tóm tắt mô hình cấu trúc của tinh thể thực nhằm giải thích các tính chất cơ học của vật rắn tinh thể. Đây là một lĩnh vực riêng về lý thuyết độ bẩn, bạn đọc có thể tìm hiểu kỹ hơn ở tài liệu [2)
3. Mô hình khí phonon dựa trên cơ sở lượng tử hoá dao động mạng nhằm nghiên cứu các tính chất nhiệt của các chất điện môi.
4. Mô hình khí điện tử tự do Fermi nghiên cứu các tính chất nhiệt, tính chất điện của kim loại.
5. Các mô hình về cấu trúc vùng năng lượng nghiên cứu các tương tác của điện tử trong tinh thể dẫn tới các khái niệm về vùng cho phép, vùng cấm, mặt đẳng năng và được áp dụng nghiên cứu tính chất tất cả các loại tinh thể, đặc biệt là các tinh thể bán dẫn.
Các tính chất khác như siêu dẫn, áp điện, các tính chất từ cũng được xem xét bằng lý thuyết cổ điển và lượng tử trên cơ sở mô hình cấu trúc tinh thể.
7. Mô hình chất rắn vô định hình cũng được hệ thống trong giáo trình này.
Bạn đọc có thể tìm thấy nhiều tài liệu khác nhau về môn vật lý chất rắn trong và ngoài nước. Cuốn sách này là kết quả kinh nghiệm giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Vật lý kỹ thuật tại trường Đại học Bách khoa Hà nội trong nhiều năm qua trên cơ sở tham khảo các tài liệu hàn lâm của các tác giả nổi tiếng như Ch. Kittel, Blatt… Những tài liệu [1-7) là các giáo trình kinh điển, còn các tài liệu (8,9] được viết đơn giản và dễ hiểu, ít dùng các thuật toán phức tạp.
Tài liệu do chúng tôi biên soạn là giáo trình cho sinh viên đại học, song cùng có thể có ích cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và những kỷ sư, cán bộ khoa học trong công tác nghiên cứu vật liệu rắn. Trong tài liệu này chúng tôi dùng các thuật ngữ đã dùng trong môn Vật lý đại cương quen thuộc với sinh viên, nên có thể có những khác nhau về thuật ngữ tiếng việt so với một số tài liệu tiếng Việt khác về vật lý và vật liệu học
Tác giả xin cám ơn Giáo sư Phùng Hồ đã đọc bản thảo và cho những ý kiến quý báu.