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导读
引用
Ibach, H., & Lüth, H. (2009). Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science (4th ed.). Springer.
章节概要
第4版在书目记录中被称为“大幅更新和扩充”的版本，约530页，共12章，含104道习题和18个“专栏”（panel）。专栏是放在章末的独立小节，介绍实验方法和实验室实践；出版社称这些专栏突出了实验方面和最新进展。以下章名以及提到的各节和专栏主题均依据印刷版目录。
第1章：固体中的化学键
本书不是从晶格而是从元素周期表和各类化学键（共价键、离子键、金属键、氢键和范德华键）讲起，先说明固体为何能结合在一起，再描述其结构。
第2章：固态物质的结构
讲述晶格、点对称、32种晶类和简单晶体结构，随后是两个偏重材料科学的主题：合金相图和固体中的缺陷。
第3章：周期结构的衍射
从衍射的一般理论出发，讲到倒易点阵、劳厄条件与布拉格条件、布里渊区、结构因子和结构分析方法。随后有两个专栏：各种粒子的衍射实验，以及X射线干涉术和X射线形貌术。
第4章：晶体中原子的动力学
从原子间势和双原子线性链导出晶格振动，然后讲散射方法的声子谱学和晶体的弹性性质。专栏介绍拉曼光谱。
第5章：热学性质
声子态密度、比热、非谐效应、热膨胀和声子导热，并附一个关于低温实验的专栏。
第6章：固体中的“自由”电子
自由电子气、费米统计和金属的电子比热，并延伸到屏蔽与莫特转变以及热电子发射。
第7章：固体的电子能带结构
电子态的对称性、近自由电子近似与紧束缚近似、能带结构实例，以及包括非晶固体在内的态密度。专栏介绍光电子能谱。
第8章：磁性
抗磁性与顺磁性、交换作用、铁磁性的能带模型及其温度行为、局域电子的铁磁耦合、反铁磁性、自旋波和磁晶各向异性。两个专栏分别讨论静磁自旋波，以及薄膜体系中的磁性与巨磁电阻（GMR）效应。
第9章：电子的运动与输运现象
有效质量、空穴、电子散射、玻尔兹曼方程与弛豫时间、金属的电导率、热电效应、维德曼—弗兰兹定律、局域电子的导电以及纳米结构中的量子输运。专栏讨论量子振荡与费米面的拓扑。
第10章：超导电性
除第12章外篇幅最长的一章，约80页。从基本现象和伦敦方程出发，经库珀对和BCS基态，讲到激发谱、超导电流、磁通量子化、第二类超导体和高温超导体。两个专栏分别讨论单电子隧穿和约瑟夫森效应。
第11章：材料的介电性质
介电函数、吸收、谐振子模型、纵模与横模、表面波、反射率、局域场和铁电体，然后讲自由电子气、带间跃迁、激子和电子的能量损失。三个专栏介绍新型光学材料、红外光谱和受抑全反射方法。
第12章：半导体
篇幅最长的一章（约100页）：重要半导体的性质、本征与掺杂半导体的载流子浓度、电导率、p–n结与肖特基接触、异质结构与超晶格，以及重要的半导体器件。五个专栏分别介绍霍尔效应、回旋共振、舒布尼科夫—德哈斯振荡与量子霍尔效应、半导体外延和纳米结构的制备。
核心概念
第1–5章：结构与晶格
- 化学键：使固体结合在一起的各类键，是本书的起点。
- 倒易点阵与布里渊区：讨论衍射以及电子态和声子态的框架。
- 声子：量子化的晶格振动，可通过散射测量，决定比热和导热。
- 缺陷与相图：对实际材料至关重要的、偏离完美晶体的情况。
第6–9章：电子
- 费米气体：金属的自由电子模型及其统计。
- 能带结构：周期势中电子的能级，从近自由电子和紧束缚两个极限入手。
- 交换作用：铁磁性和反铁磁性的来源。
- 玻尔兹曼方程：用散射和弛豫时间描述输运。
第10–12章：超导体、电介质与半导体
- BCS理论：以库珀对描述超导电性的理论。
- 介电函数：固体对电磁场的响应，从晶格振动到电子跃迁。
- 掺杂与p–n结：载流子浓度的控制和半导体器件的基础。
- 异质结构与超晶格：层状半导体结构。
评析
优点
- 实验与理论并重。 从衍射、拉曼光谱到光电子能谱、隧穿和外延，18个专栏说明了各章涉及的物理量如何测量、结构如何制备。出版社把这一点作为本书的特色，它也适合将来从事实验工作的读者。
- 面向材料科学。 正如副标题所示，本书把固体物理与材料联系起来：第2章的合金相图和缺陷、第12章的器件，以及专栏中的薄膜磁性和纳米结构。出版社的目标读者是物理、材料科学和电气工程专业的学生。
- 半导体和超导讲得充分。 第10章和第12章合计约占全书三分之一，对BCS理论、约瑟夫森隧穿、异质结构和器件都有详细论述。
- 每章都有习题。 每章以习题结束，共104道。
局限
- 数学要求较高。 本书属于Springer的“Advanced Texts in Physics”丛书，BCS基态、玻尔兹曼方程等内容要求读者具备本科水平的量子力学、电磁学和统计物理。
- 2009年的版本。 第4版早于拓扑材料等后来的发展，这些内容不在目录中，需要的读者须另找较新的教材。
- 专栏在设计上是选读内容。 实验专栏位于论述主线之外，课程需要决定布置哪些；只读正文各章的学生会错过大部分实验内容。
在课程中的定位
Ibach与Lüth的书适合作为固体物理的第二门课，或者供量子力学基础扎实、对实验和材料感兴趣的学生作为第一门课。本课程书单中有三本更平易的书：Hofmann的Solid State Physics: An Introduction是一本尽量减少数学形式的简短入门书；Simon的The Oxford Solid State Basics源自一学期的本科课程；Hook与Hall的Solid State Physics重物理推理而轻形式工具。先读其中一本，Ibach与Lüth第6–9章会容易得多。
Kittel的Introduction to Solid State Physics以简洁、物理优先的风格覆盖了大致相同的物理内容；Ibach与Lüth的主要不同在于实验专栏和对材料的侧重，两本书可以对照使用。Girvin与Yang的Modern Condensed Matter Physics是研究生阶段的下一步，补充了拓扑相、量子霍尔物理和量子磁性等超出Ibach与Lüth范围的内容。
如何使用本书
本书面向已修完量子力学、电磁学和统计物理的物理、材料科学和电气工程专业学生。
实用的阅读计划：
- 核心顺序： 依次阅读第1–7章，掌握化学键、结构、衍射、声子、热学性质、自由电子和能带理论，这是任何固体物理课程的基础。
- 然后按兴趣选择： 关注电子学和器件可读第9章（输运）和第12章（半导体）；磁性读第8章；超导读第10章；光学性质读第11章。
- 有选择地布置专栏： 挑选与学生将接触的实验相关的专栏，例如衍射（专栏I）、光电子能谱（专栏V）或霍尔效应（专栏XIV）。
完成每章末的习题。由于本书内容密集，可先在Simon或Hook与Hall这类较平易的教材中读同一主题，推导不清楚时再把Kittel作为另一种讲解来参照。