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導讀
引用
Ibach, H., & Lüth, H. (2009). Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science (4th ed.). Springer.
章節概要
第4版在書目記錄中被稱為「大幅更新和擴充」的版本，約530頁，共12章，含104道習題和18個「專欄」（panel）。專欄是放在章末的獨立小節，介紹實驗方法和實驗室實踐；出版社稱這些專欄突出了實驗方面和最新進展。以下章名以及提到的各節和專欄主題均依據印刷版目錄。
第1章：固體中的化學鍵
本書不是從晶格而是從元素週期表和各類化學鍵（共價鍵、離子鍵、金屬鍵、氫鍵和範德華鍵）講起，先說明固體為何能結合在一起，再描述其結構。
第2章：固態物質的結構
講述晶格、點對稱、32種晶類和簡單晶體結構，隨後是兩個偏重材料科學的主題：合金相圖和固體中的缺陷。
第3章：週期結構的繞射
從繞射的一般理論出發，講到倒晶格、勞厄條件與布拉格條件、布里元區、結構因子和結構分析方法。隨後有兩個專欄：各種粒子的繞射實驗，以及X射線干涉術和X射線形貌術。
第4章：晶體中原子的動力學
從原子間勢和雙原子線性鏈匯出晶格振動，然後講散射方法的聲子譜學和晶體的彈性性質。專欄介紹拉曼光譜。
第5章：熱學性質
聲子態密度、比熱、非諧效應、熱膨脹和聲子導熱，並附一個關於低溫實驗的專欄。
第6章：固體中的「自由」電子
自由電子氣、費米統計和金屬的電子比熱，並延伸到遮蔽與莫特轉變以及熱電子發射。
第7章：固體的電子能帶結構
電子態的對稱性、近自由電子近似與緊束縛近似、能帶結構例項，以及包括非晶固體在內的態密度。專欄介紹光電子能譜。
第8章：磁性
抗磁性與順磁性、交換作用、鐵磁性的能帶模型及其溫度行為、局域電子的鐵磁耦合、反鐵磁性、自旋波和磁晶異向性。兩個專欄分別討論靜磁自旋波，以及薄膜體系中的磁性與巨磁電阻（GMR）效應。
第9章：電子的運動與輸運現象
有效品質、空穴、電子散射、波茲曼方程與鬆弛時間、金屬的電導率、熱電效應、魏德曼—弗蘭茲定律、局域電子的導電以及奈米結構中的量子輸運。專欄討論量子振盪與費米麵的拓撲。
第10章：超導電性
除第12章外篇幅最長的一章，約80頁。從基本現象和倫敦方程出發，經庫珀對和BCS基態，講到激發譜、超導電流、磁通量子化、第二類超導體和高溫超導體。兩個專欄分別討論單電子穿隧和約瑟夫森效應。
第11章：材料的介電性質
介電函數、吸收、諧振子模型、縱模與橫模、表面波、反射率、局域場和鐵電體，然後講自由電子氣、帶間躍遷、激子和電子的能量損失。三個專欄介紹新型光學材料、紅外光譜和受抑全反射方法。
第12章：半導體
篇幅最長的一章（約100頁）：重要半導體的性質、本徵與摻雜半導體的載子濃度、電導率、p–n接面與蕭特基接觸、異質結構與超晶格，以及重要的半導體元件。五個專欄分別介紹霍爾效應、迴旋共振、舒布尼可夫—德哈斯振盪與量子霍爾效應、半導體磊晶和奈米結構的製備。
核心概念
第1–5章：結構與晶格
- 化學鍵：使固體結合在一起的各類鍵，是本書的起點。
- 倒晶格與布里元區：討論繞射以及電子態和聲子態的框架。
- 聲子：量子化的晶格振動，可通過散射測量，決定比熱和導熱。
- 缺陷與相圖：對實際材料至關重要的、偏離完美晶體的情況。
第6–9章：電子
- 費米氣體：金屬的自由電子模型及其統計。
- 能帶結構：週期勢中電子的能級，從近自由電子和緊束縛兩個極限入手。
- 交換作用：鐵磁性和反鐵磁性的來源。
- 波茲曼方程：用散射和鬆弛時間描述輸運。
第10–12章：超導體、電介質與半導體
- BCS理論：以庫珀對描述超導電性的理論。
- 介電函數：固體對電磁場的響應，從晶格振動到電子躍遷。
- 摻雜與p–n接面：載子濃度的控制和半導體元件的基礎。
- 異質結構與超晶格：層狀半導體結構。
評析
優點
- 實驗與理論並重。 從繞射、拉曼光譜到光電子能譜、穿隧和磊晶，18個專欄說明了各章涉及的物理量如何測量、結構如何製備。出版社把這一點作為本書的特色，它也適合將來從事實驗工作的讀者。
- 面向材料科學。 正如副標題所示，本書把固體物理與材料聯絡起來：第2章的合金相圖和缺陷、第12章的元件，以及專欄中的薄膜磁性和奈米結構。出版社的目標讀者是物理、材料科學和電氣工程專業的學生。
- 半導體和超導講得充分。 第10章和第12章合計約佔全書三分之一，對BCS理論、約瑟夫森穿隧、異質結構和元件都有詳細論述。
- 每章都有習題。 每章以習題結束，共104道。
局限
- 數學要求較高。 本書屬於Springer的「Advanced Texts in Physics」叢書，BCS基態、波茲曼方程等內容要求讀者具備本科水準的量子力學、電磁學和統計物理。
- 2009年的版本。 第4版早於拓撲材料等後來的發展，這些內容不在目錄中，需要的讀者須另找較新的教材。
- 專欄在設計上是選讀內容。 實驗專欄位於論述主線之外，課程需要決定佈置哪些；只讀正文各章的學生會錯過大部分實驗內容。
在課程中的定位
Ibach與Lüth的書適合作為固體物理的第二門課，或者供量子力學基礎紮實、對實驗和材料感興趣的學生作為第一門課。本課程書單中有三本更平易的書：Hofmann的Solid State Physics: An Introduction是一本儘量減少數學形式的簡短入門書；Simon的The Oxford Solid State Basics源自一學期的本科課程；Hook與Hall的Solid State Physics重物理推理而輕形式工具。先讀其中一本，Ibach與Lüth第6–9章會容易得多。
Kittel的Introduction to Solid State Physics以簡潔、物理優先的風格覆蓋了大致相同的物理內容；Ibach與Lüth的主要不同在於實驗專欄和對材料的側重，兩本書可以對照使用。Girvin與Yang的Modern Condensed Matter Physics是研究生階段的下一步，補充了拓撲相、量子霍爾物理和量子磁性等超出Ibach與Lüth範圍的內容。
如何使用本書
本書面向已修完量子力學、電磁學和統計物理的物理、材料科學和電氣工程專業學生。
實用的閱讀計畫：
- 核心順序： 依次閱讀第1–7章，掌握化學鍵、結構、繞射、聲子、熱學性質、自由電子和能帶理論，這是任何固體物理課程的基礎。
- 然後按興趣選擇： 關注電子學和元件可讀第9章（輸運）和第12章（半導體）；磁性讀第8章；超導讀第10章；光學性質讀第11章。
- 有選擇地佈置專欄： 挑選與學生將接觸的實驗相關的專欄，例如繞射（專欄I）、光電子能譜（專欄V）或霍爾效應（專欄XIV）。
完成每章末的習題。由於本書內容密集，可先在Simon或Hook與Hall這類較平易的教材中讀同一主題，推導不清楚時再把Kittel作為另一種講解來參照。