固体物理第5章
固体物理 第五章 固体电子论基础1
5.一些金属元素的自由电子密度 一些金属元素的自由电子密度
元 素 Li Na K Cu Ag Mg Ca Zn Al In Sn Bi z 1 1 1 1 1 2 2 2 3 3 4 5 n/1028m-3 4.70 2.65 1.4 8.47 5.86 8.61 4.61 13.2 18.1 11.5 14.8 14.1 rs/10-10m 1.72 2.08 2.57 1.41 1.60 1.41 1.73 1.22 1.10 1.27 1.17 1.19 rs/a0 3.25 3.93 4.86 2.67 3.02 2.66 3.27 2.30 2.07 2.41 2.22 2.25
n= z
ρNA
M
ne2E j = nev = τ 2m
设电子平均自由程为l, 设电子平均自由程为 ,则 τ
2
zρNAe2E j= τ 2mM
(A m )
2
=l v
电流密度可写成
zρNAe E l j= × 2mM v
6.电导率σ 电导率
(A m )
2
j zρNAe l σ= = × 2mM v E
2
1.必须用薛定谔方程来描述电子的运动。 必须用薛定谔方程来描述电子的运动。 必须用薛定谔方程来描述电子的运动 电子的运动不同于气体分子的运动, 电子的运动不同于气体分子的运动,不能用经典 理论来描述。 理论来描述。 2.电子的分布服从量子统计 即费米 狄拉克分布。 电子的分布服从量子统计, 即费米-狄拉克分布 狄拉克分布。 电子的分布服从量子统计 电子的分布不再服从经典的统计分布规律。 电子的分布不再服从经典的统计分布规律。 3.电子的运动是在一个周期性势场中进行的。 电子的运动是在一个周期性势场中进行的。 电子的运动是在一个周期性势场中进行的 4.电子的能级是由一些能带组成。 电子的能级是由一些能带组成。 电子的能级是由一些能带组成
中山大学固体物理第五章参考答案
定态薛定谔方 程为:
d 2 d2x
2m 2
E
U ( x)
0
U(x)
U0
1区 2区3区
b x
0 ca
1( x) Aeix Beix , 2( x) Aei'x Bei'x , 3( x) eika ( Aeix Beix ), 这里 2mE / , ' 2m(E U0) /
进行一些推导和必要简化,最后可 以得出下式
maU0b
2
sin
a
a
cos(
a)
cos(ka)
式中
2mE
而 k 2
是电子波的波矢。
上式就是电子的能量 E 应满足的方程,也是电子能量 E 与波矢 k 之间的关系式。
f( E)
E
图 5 f(E)函数图
由图看出,在允许取的 E值之间,有一些不允许取 的 E值,称为能隙。
– (2)试讨论分别同A、B两种材料组成的一维 超晶格量子阱的能带变化。*(如下图)
AB
ECA
EVA
8
a
a
ECB
克朗尼格-朋奈模型
EVB (基泰尔,固体物理导论,P119)
克朗尼格-朋奈模型
U(x)
周期性方势阱
U0
2区
1区 3区
b
x
0 ca
在 0 < x < a 一个周期的区域中,电子的势能为
0 (0 x c) U(x) U0 (c x a)
b=0, U0=∞, P=β2ba/2
见 Kittel 8版 p121Biblioteka 于本题,每个能带里有8条 小分能带
AB
8
a
a
固体物理第五章习题及答案
.
从上式可以看出,当电子从外场力获得的能量又都输送给了晶格时, 电子的有效质量 m* 变 为 . 此时电子的加速度
a= 1 F =0
m*
,
即电子的平均速度是一常量. 或者说, 此时外场力与晶格作用力大小相等, 方向相反. 11. 万尼尔函数可用孤立原子波函数来近似的根据是什么?
[解答] 由本教科书的(5.53)式可知, 万尼尔函数可表示为
m* = 1 m 1 + 2Tn
Vn <1.
10. 电子的有效质量 m* 变为 的物理意义是什么?
[解答] 仍然从能量的角度讨论之. 电子能量的变化
(dE)外场力对电子作的功 = (dE)外场力对电子作的功 + (dE)晶格对电子作的功
m*
m
m
=
1 m
(dE ) 外场力对电子作的功
− (dE)电子对晶格作的功
i 2 nx
V (x) = Vne a
n
中, 指数函数的形式是由什么条件决定的?
[解答] 周期势函数 V(x) 付里叶级数的通式为
上式必须满足势场的周期性, 即
V (x) = Vneinx
n
显然
V (x + a) = Vnein (x+a) = Vneinx (eina ) = V (x) = Vneinx
Es (k)
=
E
at s
− Cs
−
Js
e ik Rn
n
即是例证. 其中孤立原子中电子的能量 Esat 是主项, 是一负值, − Cs和 − J s 是小量, 也是负 值. 13. 紧束缚模型下, 内层电子的能带与外层电子的能带相比较, 哪一个宽? 为什么?
福州大学固体物理第五章
2
2
εK
k
(k x k y k z )
2m
2m
这就是色散关系,能量随波矢的变化是抛物线函数。
对于一个三维晶体,需要的量子数为:
(1)波矢k(三个分量kx、ky、kz)
(2)自旋量子数 ms 1
2
给定了 k 就确定了能级,k 代表同能级上自旋相反的
一对电子轨道。
在波矢空间自由电子的等能面是一个球面
2 2
εk
(k x k y2 k z2 )
2m
在波矢空间是一球面方程,不同能量的等能面是一
系列同心球面。
➢费米能级和费米面:
在T=0K时,电子的能级与轨道填充时有两个原则:
① 先填能量低的能级
② 服从泡利原理
在T=0K时,由N个电子组成的自由电子系
2
1
3
相应的费米能:
2
kF
2
EF
(3 2 n) 2 / 3
2me
2m
2
也是由电子气的密度唯一地决定。
费米速度:
k F
vF
(3 2 n)1/ 3
m
m
也唯一决定于电子气密度,电子气的密度越大,
F .VF .k F
都越大。
思考: 晶体膨胀时,费米能级如何变化?
如一些典型金属的费米面参数:
面,即E到E+dE之间的体积,可以转化为半径k
到k+dk的两个球面之间的体积。转化公式:
k 2mE /
在波矢空间,波矢为k的球的球体体积为:4/3πk3,
每个k值占的体积为(2π/L)3,每个k又对应自旋相反的一
对电子,则:
《固体物理·黄昆》第五章(1)
1 1 1 b1 ( b2 b3 ) N1 N2 N3
l1 l3 l2 k b1 b2 b3 N1 N2 N3
( 2 ) Vc
3
状态密度
Vc 3 ( 2 )
3
( 2 ) N N 简约布里渊区的波矢数目 3 ( 2 )
§5.2 周期势场下电子波函数的一般特性:布洛赫定理
布洛赫定理:当势场 V ( r ) 具有晶格周期性时,波动
方程的解具有以下性质
ik Rn (r Rn ) e (r )
了位相因子 e
k 为一矢量。当平移晶格矢量为 Rn ,波函数只增加
ik R n
H i ( r i ) E i ( r i )
能带理论的基本近似和假设:
3)周期性势场假设: 所有离子势场和其它电子的平均场是周期性势场
V ( r ) ( r ) u( r )
V ( r ) V ( r Rn )
在以上单电子近似核晶格周期性势场假定下,多 电子体系问题简化为在晶格周期性势场的单电子 问题:
1 2 3
布洛赫定理
ik Rm (r Rm ) e (r )
平移算符本征值的物理意义
(1) 1
e
ik a1
, 2 e
ik a 2
, 3 e
ik a 3
表征原胞之间电子波函数位相的变化 (2)平移算符本征值量子数
T和 H存在对易关系,则 H的本征函数同时也是各平移 算符T的本征函数 H E T1 1 , T2 2 , T3 3
平移算符的本征值 周期性边界条件
三个方向 a1 , a 2 , a 3 上的原胞数目
固体物理第五章
—— 绕z轴转θ角的正交矩阵 轴转θ 轴转
—— 中心反演的正交矩阵
—— 空间转动,矩阵行列式等于+1 空间转动,矩阵行列式等于+ —— 空间转动加中心反演,矩阵行列式等于-1 空间转动加中心反演,矩阵行列式等于-
01_05_晶体的宏观对称性 —— 晶体结构
对称操作 —— 一个物体在某一个正交变换下保持不变 —— 物体的对称操作越多,其对称性越高 物体的对称操作越多, 1 立方体的对称操作 1) 绕三个立方轴转动
01_05_晶体的宏观对称性 —— 晶体结构
所有正实数(0 除外)的集合 的集合, 正实数群 —— 所有正实数 除外 的集合,以普通乘法为 运算法则 所有整数的集合, 整数群 —— 所有整数的集合,以加法为运算法则
—— 一个物体全部对称操作的集合满足上述群的定义 一个物体全部对称操作 全部对称操作的集合满足上述群的定义 运算法则 —— 连续操作
平行轴(六角轴) 平行轴(六角轴)的分量 垂直于六角轴平面的分量 —— 由于六角晶体的各向异性,具有光的双折射现象 由于六角晶体的各向异性, —— 立方晶体的光学性质则是各向同性的
01_05_晶体的宏观对称性 —— 晶体结构
晶体的宏观对称性的描述 —— 原子的周期性排列形成晶格,不同的晶格表现出不 原子的周期性排列形成晶格, 同的宏观对称性 概括晶体宏观对称性的方法是考察晶体在正交变换的不变性 —— 三维情况下,正交变换的表示 三维情况下,
如果A为对称操作 如果 为对称操作 —— 这样可以简化 阶张量 这样可以简化n阶张量
01_05_晶体的宏观对称性 —— 晶体结构
—— 正四面体晶体上述结论亦然成立 —— 介电常数的论证和推导也适合于一切具有二阶张量形 式的宏观性质:如导电率、热导率……等 式的宏观性质:如导电率、热导率 等
固体物理:第五章 晶体中电子能带理论
电子在一个具有晶格周期性的势场中运动
V r V
r
Rn
其中 Rn 为任意格点的位矢。
2 2 2m
V r
E
2. 布洛赫定理
当势场具有晶格周期性时,波动方程的解具有如下性质:
(
r
Rn
)
eikRn
(
r
),
其中 k
为电子波矢,Rn
n1 a1 n2 a2 n3 a3
是格矢。
个能级分裂成N个相距很近的能级, 形成一个准连续的能带。 N个原子继续靠近,次外壳层电子也开始相互反应,能级 分裂成能带。
能带理论
能带论是目前研究固体中的电子状态,说明固体性质最重 要的理论基础。
能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理 论。它曾经定性地阐明了晶体运动的普遍特点,并进而说 明了绝缘体与半导体、导体的区别所在,解释了晶体中电 子的平均自由程问题。
原子中的电子处在不同的能级上,形成电子壳层
原子逐渐靠近,外层轨道发生电子的共有化运动——能级分裂
原子外壳层交叠的程度最大,共有化运动显著,能级分裂的很厉害, 能带很宽;
原子内壳层交叠的程度小,共有化运动很弱,能级分裂的很小,能 带很窄。
N个原子相距很远时,相互作用忽略不计。 N个原子逐渐靠近,最外层电子首先发生共有化运动,每
第五章 晶体中电子 能带理论
表征、计算和实验观测电子结构是固体物理学的核心问题; 这是因为原则上研究电子结构往往是进一步解释或预言许 多其他物理性质的必要步骤。
晶体电子结构的内涵是电子的能级以及它们在实空间和动 量空间中的分布。
玻尔的原子理论给出这样的原子图像:电子在一些特定的可能轨道 上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高,当电子在这些可能的轨道 上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到 另一个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或吸收的辐射是单 频的。
固体物理第五章
三维晶体中单个电子在周期性势场中的运动问题处理 能量本征值的计算 能量本征值 选取某个具有布洛赫函数形式的完全集合 布洛赫函数 晶体中的电子的波函数按此函数集合展开 将电子的波函数代入薛定谔方程 确定展开式中的系数应满足的久期方程 求解久期方程得到能量本征值 电子波函数的计算 根据能量本征值确定电子波函数展开式中的 系数得到具体的波函数 在不同的能带计算模型和方法中采取的理论框架相 同,只是选取不同的函数集合
b1 , b2 , b3 ——倒格子基矢
满足 ai ⋅ b j = 2πδ ij
2π i
λ1 = eik ⋅a , λ2 = eik ⋅a , λ3 = eik ⋅a 平移算符的本征值
1 2
3
平移算符的本征值 λ1 = e
ik ⋅a1
, λ2 = eik ⋅a2 , λ3 = eik ⋅a3
ˆ ( R ) = T n1 (a )T n2 (a )T n3 (a ) 作用于电子波函数 ˆ ˆ ˆ 将T n 1 1 2 2 3 3
电子波函数
uk + Kn (r ) = =
n
=e
ik ⋅ Rn
- - -K h ⋅ Rn = 2πμ
∑
h
a ( k + K n + K h )e i K h ⋅ r a ( k + K l )e
n
∑
l
i ( K 43; K ( r ) = e i(k + K
=
)⋅ r
uk + Kn (r )
能带理论——单电子近似的理论
将每个电子的运动看成是独立的在一个等效势 运动 场中的运动 单电子近似 最早用于研究多电子原子 哈特里-福克自洽场方法 自洽场 能带理论的出发点 电子不再束缚于个别的原子,而在整个固体内运动 个别的原子 共有化电子
固体物理答案第五章1
∑ f ( x la )
∞
为某一确定的函数) ( f 为某一确定的函数)
试求电子在这些状态的波矢。 试求电子在这些状态的波矢。
r r r r r ir Rn 解: 由式 ψk r + Rn = e ψk (r )
(
)
可知, 可知,在一维周期势场中运动的电子波函数满足
ψ k ( x + a ) = e ikna ψ k ( x )
v* a =
1 v i o 2A v* 1 v b = j o 4A
v* v* 以 a ,b
为基矢构成的倒格子
B3
ky
B2
A2
b
B1
A1
如图6-11所示 图中“。” 所示,图中 如图 所示 图中“
A3
o
代表倒格点。由图可见, 代表倒格点。由图可见, 矩形晶格的倒格子也是 矩形格子。 矩形格子。 第一区
(s = 0,1,2...
n = ±1,±2...)
5.2 电子在周期场中得势能
1 2 2 2 mω b ( x na ) V (x) = 2 0
[
]
当na b ≤ x ≤ na + b
当(n - 1)a + b ≤ x ≤ na b
是常数。 试画出此势能曲线,并求此势能的平均值。 且 a = 4b, ω 是常数。 试画出此势能曲线,并求此势能的平均值。 V(x) 解:
r k ya kza k xa at E k = E s A 8J cos cos cos 2 2 2
并求能带宽度。 并求能带宽度。 用紧束缚方法处理晶格的s态电子,当只计及最近邻格点 用紧束缚方法处理晶格的 态电子, 解: 态电子 的相互作用时,其能带的表示式为 的相互作用时,
固体物理课件——第五章 共86页
根据前面所得热能和热容表达式:
U9NkBTT3
xD x3 dx 0 ex1
CV9NBk T3 0xD(exx4e1x)2dx
在低温情况下,即T«θ时,则x»1,
xD T
x xD
3
积分: dx x e dx 0 x
第五章 声子Ⅱ: 热学性质
本章是从量子角度讨论 内能 热容
晶体的比热实验规律
(1)在高温时,晶体的比热为3NkB (N为晶体中原子的个
数, kB=1.3810-23JK-1为玻尔兹曼常量) ;
(2)在低温时,晶体的比热按T3趋于零。
下面分别用经典理论和量子理论来解释晶体比热的规律。
晶体比热的一般理论
<2> 德拜模型的热容
模式密度:
U0 DdD s()ns(.T)s
则点阵热能为:
U0 Dd2 3V 2v2 3e 1 式 中 , kBT
直接导出结论即可,下页ppt及课本(27-29)式无甚必要
补充:德拜温度的定义
由于ћω、 kBT均具有能量的量纲,可令ћω=kBTω
d3N
D3
62v3N
V
D(62n)1/3v
与德拜截止频率相对应的波矢定义为德拜截止波矢:
KD
D
v
1
KD 62n 3
kD是晶体中格波的最大波矢,以KD为半径在波矢 空间画一个球,称为德拜球,球内应包含所有的 简正模式,即 3N个模式,球外的短波振动在晶体 中是不存在的,而球内的所有模式可用连续介质 中的弹性波来处理,球内的模式数应为晶体中所
vg K
这实际上是(低温) 长声学支模式
球体分布
将Vg带入上页D(ω)公式即得对应的 模式密度
固体物理学课件第五章
于是:
A0ei( k )c
B ei( k )c 0
C e D e ( ik )(ac) 0
( ik )(ac)
0
C e( ik )b 0
D0e( ik )b
《固体物理学》 微电子与固体电子学院
23
5.1 布洛赫(Bloch)定理
同理,在x=c处,由 du 连续的条件可得: dx
由布洛赫函数可得
k r Rn
e
i
k Rn
(r )
所以,布洛赫定理可表述为:在以布拉菲格子原胞为周期 的势场中运动的电子,当平移晶格矢量Rn时,单电子态波函 数只增加相位因子exp(ik∙Rn)。
《固体物理学》 微电子与固体电子学院
11
5.1 布洛赫(Bloch)定理
一维周期性方势场,势阱的势能为零,势垒高度V0势阱的宽 度是c,相邻势阱之间的势垒宽度为b,周期为 a=b+c,V0足 够大,b 足够小,乘积为有限值。当电子能量 E 小于V0时, 电子有几率从一个势阱穿到另一个势阱中去。
V0
c
b
x
-a
-b 0 c a
《固体物理学》 微电子与固体电子学院
13
5.1 布洛赫(Bloch)定理
5.1 布洛赫(Bloch)定理
5.1.1 基本概念
实际晶体是由大量电子和原子核组成的多粒子体系。由于 电子与电子、电子与原子核、原子核与原子核之间存在着 相互作用。一个严格的固体电子理论,必须求解多粒子体 系的薛定谔方程。但求解这样复杂的多粒子体系几乎是不 可能的,必须对方程简化,为此能带理论作了一些近似和 假定,将多体问题化为单电子问题。
固体物理第五章
l1 l3 l2 简约波矢 k b1 b2 b3 N1 N2 N3
第一布里ห้องสมุดไป่ตู้区体积
l1 l3 l2 简约波矢 k b1 b2 b3 N1 N2 N3
—— 在 空间中第一布里渊区均匀分布的点
每个代表点的体积
Vc 状态密度 ( 2 ) 3
(2 ) N 简约布里渊区的波矢数目 N 3 (2 )
三维晶体中单个电子在周期性势场中的运动问题处理 能量本征值的计算 —— 选取某个具有布洛赫函数形式的完全集合 晶体中的电子的波函数按此函数集合展开 —— 将电子的波函数代入薛定谔方程 确定展开式中的系数应满足的久期方程 求解久期方程得到能量本征值
三维晶体中单个电子在周期性势场中的运动问题处理 电子波函数的计算
实际上,受晶体的 离子和电子产生的 晶体势场的影响.
能带理论 —— 研究固体中电子运动的主要理论基础 能带理论 —— 定性阐明了晶体中电子运动的普遍 性的特点 —— 说明了导体、非导体的区别 —— 晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子的 间距 —— 半导体理论问题的基础,推动了半导体技术的 发展
—— 根据能量本征值确定电子波函数展开式中的系数
得到具体的波函数
—— 在不同的能带计算模型和方法中 采取的理论框架相同,只是选取不同的函数集合
能带理论的局限性 一些过渡金属化合物晶体 —— 价电子的迁移率小 自由程与晶格间距相当, 电子不为原子所共有 周期场失去意义,能带理论不适用了 非晶态固体 —— 非晶态固体和液态金属只有短程有序 两种物质的电子能谱显然不是长程序的周期场的结果
第一节 布洛赫定理
布洛赫波
晶体电子在规则排列的正离子势场中运动, 势场具有晶格周期性. 周期场中运动的单电子的波函数不再是平面波, 而是调幅平面波,其振幅不再是常数。
吴代鸣固体物理第五、六章课后答案
ne m
2
1 1 1 2 EF 2 热导率 K Cel Ce Ce 3 3 3 m
k BT 2 EF 1π π nk nk B E m 3 m T 3 2 F
2 2 2 B
π nk T K 3 m 2 ne mΒιβλιοθήκη (1)求 :'
( n ,n )
V ( x) Aδ( x na ) Aδ( x)
n
( x)V ( x) ( x)dx
' *
dx e
2 x
[ Aδ( x na ) Aδ( x)]
n
A d x e
0
E d k T Nmk BT B Nmk BT ( E ) / k BT 2 2 nπ e 1 nπ 0
Nmk BT 2 nπ
Nm / nπ f ( E ) g ( E )dE ( E ) / k BT dE e 1 0
j ne 1 i ne ( ) 2 2 E E 1 m
2
6 1设有单价原子组成的一 维晶格,晶格常数为 a,晶体中的单电子势 V ( x)由原子势叠加而成,即
n
V ( x) Aδ( x na )
式中 A为常量,是 δ函数势的强度, n为整数,自由
' E0 E ( k ) 1 '2 ' k ; dk 2 2 a 2a
π π ' 令: E0 Es 6;k k x ;k y k y a a π ' kz kz a
' x
' ' dE ( k ) E0 E ( k ) a 2 1
精品文档-固体物理基础(蓸全喜)-第5章
第5章固体能带论 图5-2 钠晶体中的势能曲线和电子云
第5章固体能带论
孤立原子中电子的定态薛定谔方程为
(25-1a)t(k,r)2+m2 (Eat-Vat(r)) at(k,r)=0 其中Vat为孤立原子中电子的势能函数。这个方程的解
是孤立原子中电子的能量Eat和波函数ψat。 晶体中的单电子定态薛定谔方程为
n0 k'
k'
(5-14)
第5章固体能带论
将此式两边乘e-ik·x,然后对整个晶体积分, 并利用
ei(k k l
) x d x=L
k'k '
e dx=L i(kGn k )x L
k Gn ,k
其中, L为一维晶体的长度。式(5-14)成为
(5-15)
2k'2
k' 2m
EC(k
'
)L k ,,
把式(5-18)与一维布洛赫定理
(k,r) u(k,r)eikx
比较,若可证明
u(k,x)=C(k Gn )eiGnx u(k, x na)
Gn
(5-19)
则说明由式(5-18)表示的波函数满足布洛赫定理。
第5章固体能带论
由第1章中已得出的正倒格子的关系,正格矢与倒格矢
的点乘等于2π的整数倍:
Gh·Rn=2πm m为整数 一维情况时, Rn=na,Gn·na=2πm,则
(5-20)
eiGn na ei2m 1
(5-21)
即式(5-19)可改写为
第5章固体能带论
u(k,x)=C(k Gn )eiGnx eiGnna
Gn
=C(k Gn )eiGn (xna)
Gn
《固体物理学答案》第五章
第五章 晶体中电子能带理论 习题1.晶体常数为a 的一维晶体中,电子的波函数为(1)()x ai x k πψ3cos =,(2)()f la x f x k,)(-l ∑∞∞=-=ψ是某一函数,求电子在以上状态中的波矢.[解 答]由《固体物理教程》(5.14)式()()r e R r k R r i n k nψψ∙=+可知,在一维周期势场中运动的电子的波函数满足()()x e a x k ika k ψψ=+由此得(1) ()()()()x e x x ai x a i a x a i a x k ika k k ψψππππψ=-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=+3cos 3cos 3cos于是1-=ikae因此得 ,5,3,aa akπππ±±±= 若只取布里渊区内的值:ak aππ<-,则有ak π=(2) ()].)1([)(a l x f la a x f a x l l k ∑∑∞-∞=∞-∞=--=++=+ψ令1+='ll得 ()()()()x e x a l x f a x k ika k k ψψψ==-=+∑'.由上式知 ikae =1所以有 ,6,4,2,0aa a kπππ±±±= 因此得在布里渊区内的值为0=k2.一维周期势场为()()[]()⎪⎩⎪⎨⎧-≤≤+-+≤≤---=.1,0,21222b na x b a n b na x b na na x b mW x V 当当其中b a 4=,W 为常数,试画出此势能曲线,并求出势能的平均值.[解 答]图5.1 一维周期势场如图5.1所示,由于势能具有周期性,因此只能在一个周期内求平均即可,于是得V=a 1 ()dx x V a a ⎰-22=()dx x V b bb ⎰-2241 =dx x b mW b b b ⎰--][2141222 =b b x x b b mW --]31[8322 =2261b mW . 3.用近自由电子模型求解上题,确定晶体的第一及第二个禁带宽度. [解 答]根据教科书(5.35)式知禁带宽度的表示式为 ng V E 2=,其中n V 是周期势场()x V傅里叶级数的系数,该系数可由《固体物理教程》(5.22)式n V = a 1 ()dx e x V nx ai a a π222--⎰求得,第一禁带宽度为112V E g ==2()dxex V a a x ai ⎰--222a 1π=2⎰---b b x ai dxex b mW b π2222][241=2⎰-⎪⎭⎫ ⎝⎛-b b dx x b x b mW b 2cos ][241222π=3228πb mW .第二禁带宽度为222V E g ==2()dxex V a a x ai ⎰--224a 1π=2⎰---b b x bi dx e x b mW b π][241222 =2⎰-⎪⎭⎫ ⎝⎛-b b dx x b x b mW b πcos ][241222=222πb mW4.已知一维晶格中电子的能带可写成()⎪⎭⎫⎝⎛+-=ka ka ma k E 2cos 81cos 8722 , 式中a是晶格常数.m 是电子的质量,求(1)能带宽度,(2)电子的平均速度,(3)在带顶和带底的电子的有效质量. [解 答](1)能带宽度为 .min max E E E -=∆由极值条件 ()0=dkk dE 得上式的唯一解是0sin =ka 的解,此式在第一布里渊区内的解为 ak π,0=.当()k E k ,0时=取极小值min E ,且有 min E =()00=E当()k E ak,时π=,E(k)取极大值max E ,且有.222max ma a E E=⎪⎭⎫ ⎝⎛=π由以上可得能带宽度为.222m i nm a x ma E E E =-=∆(2)由《固体物理教程》(5.81)式,得电子的平均速度为 ().2sin 41sin 1⎪⎭⎫⎝⎛-==ka ka ma dk k dE v(3)由《固体物理教程》(5.87)式得,带顶和带底电子的有效质量分别为.322cos 21cos 1222m ka ka m k E mak ak ak -=⎪⎭⎫⎝⎛-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂=±=-±=*±=πππ.22cos 21cos 012220m ka ka m k E m k k k =⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂==-==*5.对简立方结构晶体,其晶格常数为a .(1)用紧束缚方法求出对应非简并s态电子的能带;(2)分别画出第一布里渊区[110]方向的能带﹑电子的平均速度、有效质量以及沿[110]方向有恒定电场时的加速度曲线.[解 答](1)非简并s态电子的能带().e n R k ∑∙--=ns s ats s J C E k E式中n R是晶体参考格点最近邻格矢.对于简单立方晶体,任一格点有6个最近邻.取参考格点的坐标为(0,0,0),则6个最近邻点的坐标为()()().,0,0,0,,0,0,0,a a a ±±±简单立方体非简并s 态电子的能带则为()().cos cos cos 2a k a k a k J C E k E z y x s s at s s ++--=(2)在[110]方向上 ,22,0k k k k y x z === 能带变为(),22cos 40⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=ka J E k E s s其中 ,20ss at s J C E E --=在[110]方向上,在第一布里渊区内,电子的能带如图5.2所示.图5.2[110]方向电子的能带电子的平均速度.22sin 221⎪⎪⎭⎫⎝⎛=∂∂=ka a J k E v s 平均速度曲线如图5.3所示.图5.3 平均速度曲线电子的有效质量,22cos 222222⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∂∂=*ka a J k E m s 有效质量曲线如图5.4所示.图5.4 有效质量曲线 在[110]方向有恒定电场情况下,电子的受力 εe F -=电子的加速度2222cos 2⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==*ka a J e m F a s ε.设电场方向与[110]方向相反,加速度曲线则如图5.5所示.图5.5加速度曲线6.用紧束缚方法处理面心立方体晶格的s 态电子,试导出其能带⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--=2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 4a k a k a k a k a k a k J C E E x z z y y x s s atss ,并求出能带底的有效质量. [解 答]用紧束缚方法处理晶格的s 态电子,当只计及最近邻格点的相互作用时,根据《固体物理教程》(5.60)式,其能带表示式为()∑∙--=ns s ats s J C E k E n R k e ,n R 是最近邻格矢.对面心立方晶格,取参考点的坐标为(0,0,0),则12个最近邻格点的坐标为 (2a ±,2a ±,0),( 2a ±,0, 2a ±),(0, 2a ±,2a±). 将上述12组坐标带入能带的表示式,得()∑∙--=ns s ats s J C E k E n R k es s ats J C E --=()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++---+-+---+-++---+-z y z y z y z k y k a i z k x k a i z k x k a i z k x k a i z x y x y x y x y x k k a i k k a i k k a i k k a i k k a i k k a i k k a i k k a i e e e e e e e e e e e e 222222222222()()()()()()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++++-+++-++--=z y z y z x z x y x y x s s ats k k a k k a k k a k k a k k a k k a J C E 2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 2cos⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--=2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 2cos 4a k a k a k a k a k a k J C E x z z y y x s s ats .能带底即()k E 的最小值对应的k为(0,0,0),有《固体物理教程》(5.87)可得在能带底处电子的有效质量为2202222a J k E m s kxx xx i=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂==*.同理可得222a J m s yy=*,222a J m s zz =*其它交叉项的倒数全为零.7.用紧束缚方法处理体心立方晶体,求出 (1) s 态电子的能带为()2cos 2cos 2cos 8a k a k a k J C E k E z y x s s ats s --= ; (2) 画出第一布里渊区[111]方向的能带曲线;(3) 求出带顶和带底电子的有效质量. 【解 答】(1)用紧束缚方法处理晶格的s 态电子,当只计及最近邻格点的相互作用时,其能带的表示式为().e n R k ∑∙--=ns s ats s J C E k E n R 是最近邻格矢.对体心立方晶格,取参考格点的坐标为(0,0,0),则8个最近邻格点的坐标为 (2,2,2aa a ±±±). 将上述8组坐标代入能带的表示式,的().e n R k ∑∙--=ns s ats s J C E k E()()()()()()()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+++++++--=---+---+---++-+--+++z k y k x k a i z k y k x k a i z k y k x k a i z k y k x k ai z k y k x k a i z k y k x k a i z k y k x k a i z y x e e e e e e e e J C E k k k a i s s ats 22222222()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++--=--+--+2cos 2cos 2cos 2cos 22222a k e a k e a k e a k e J C E z zz z k k a i s s atsy k x k ai y k x k a i y k x k a i y x ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=-2cos 2cos 422a k a k e e J C E z y k a i s s at s x k ai x 2cos 2cos 2cos 8ak a k a k J C E z y x s s at s --=.(2)在[111]方向上k k k k z y x 33=== , 且第一布里渊区边界在 ak k k z y x π±===,于是能带化成⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=ka J E E s 63cos 830,其中s ats C E E -=0.图5.6为第一布里渊区[111]方向的能带曲线.图5.6 [111]方向的能带曲线(3)由能带的表示式及余弦函数的性质可知,当===z y x k k k 时,sE 取最小值,即0===z y x k k k 是能带底,电子的有效质量为2202222a J k E m s kxx xx i=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂==*同理可得222a J m s yy=*,222a J m s zz =*其它交叉项的倒数全为零.而在布里渊区边界上的⎪⎭⎫ ⎝⎛±⎪⎭⎫ ⎝⎛±⎪⎭⎫ ⎝⎛±a a a πππ2,0,0,0,2,0,0,0,2处是能带顶,电子的有效质量为222a J m m m s zzyyxx-===***.其它交叉项的倒数也全为零.8.某晶体电子的等能面是椭球面⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=32322212122m k m k m k E ,坐标轴1,2,3相互垂.(1) 求能态密度;(2)今加一磁场B , B与坐标轴的夹角的方向余弦分别为γβα,,,写出电子的运动方程;(3) 证明电子在磁场中的回旋频率*=m eB c ω, 其中2132********⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=*m m m m m m m γβα.【解 答】(1) 由已知条件可将波矢空间内电子能带满足的方程化为1222232322222121=++ E m k E m k E m k .将上式与椭球公式1222222=++c z b y a x 比较可知,在波矢空间内电子的等能面是一椭球面.与椭球的体积abc π34比较可得到,能量为E 的等能面围成的椭球体积 2332132234E m m m πτ= 由上式可得dE E m m m d 21321324 πτ=.能量区间内电子的状态数目()dE E m m m V d V dz cc 1321323222πτπ== 是晶体体积.电子的能态密度()21321322E m m m VdE dz E N cπ==(2) 根据《固体物理教程》中(5.86)式得⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂+∂∂∂+∂∂=331222121212211F k k EF k k E F k E a ,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂+∂∂+∂∂∂=332222221122221F k k E F k E F k k E a,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂+∂∂∂=323222321132231F k E F k k E F k k E a .将⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=32322212122m k m k m k E代入上述三式得运动方程为 333222111,,m F a m Fa m F a ===.即333222111,,F dtdvm F dt dv m F dt dv m ===. (1)当存在磁场B时,电子受到洛仑兹力B v e F⨯-=.其分量形式为 ()()23323223321v B v B v e B v B v e F ωνωβγ-=--=--=,()()31131331132v B v B v e B v B v e F ωνωγα-=--=--=, ()()12212112213v B v B v e B v B v e F ωνωαβ-=--=--=式中B B=,γωβωαωeB eB eB ===321,,.将上述结果代入运动方程(1)得.,,122133311322233211v v dt dvm v v dt dvm v v dt dv m ωωωωωω-=-=-= (2)(3)上述方程可用不同的方法求解.解法一:对(2)式两边作拉普拉斯变换,并采用如下初始条件 ()1010v v =,()2020v v =,().0303v v =得[]11v pL m +[]23v L ω-[]32v L ω=101v m ,-[]13v L ω+[]22v pL m +[]31v L ω=202v m ,[]12v L ω-[]21v L ω+[]33v pL m =303v m .由此解出[]∆∆=11v L . 其中()()B p Ap m m m p m m m pm p m p m +≡+++=---=∆22332222113321312123231ωωωωωωωωω.321m m m A =,321233222211m m m m m m B ωωω++=.()()322130313202121021120332302323103213130312202231011C p C p C v m v m v m pv m m v m m p v m m m pm v m p m v m v m ++≡+++-+=--=∆ωωωωωωωωωωω()203302322103211,v v m m C v m m m C ωω+==,3031320212102113v m v m v m C ωωωωω++=.因此得[]()Bp A C B p p AB C B C p AB C B p Ap C p C p C v L +++-+=+++=22231323221111.上式两边取逆拉普拉斯变换得t B BA Ct B AB C B C p AB C v sin cos 123131+-+=.同理可得t B B A C t B AB C B C p AB C v sin cos 123132'+'-'+'=.()301103312203211,v v m m C v m m m C ωω+='=', 1021130323202223v m v m v m C ωωωωω++='.及t B B A C t B AB C B C p AB C v sin cos 123133''+''-''+''=.()102201212303211,v v m m C v m m m C ωω+=''=''2032210311302333v m v m v m C ωωωωω++=''.可见电子回旋频率为B .解法二:由于电子作周期运动,将试探解t i c e v v ω101=, t i c e v v ω202=t i c e v v ω303=(这里302010,,v v v 一般为复数,电子的真实速度应为321,,v v v 的实部或虚部.) 代入(2)式得 101v m i c ω+302v ω-203v ω=0,103v ω+202v m i c ω-301v ω=0,102v ω-201v ω+303v m i c ω=0.302010,,v v v 有不全为零的解的充要条件是0312123231=----m i m i m i c c c ωωωωωωωωω. 由此得 ()02332222113321=++-c c m m m m m m ωωωωω.于是B m m m m m m c=++=3212332222112ωωωω.这样,两种方法均给出电子回旋频率为21321233222211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++==m m m m m m B c ωωωω.再将γωβωαωeB eB eB ===321,,,代入上式即得*=meBc ω, 其中2132********⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=*m m m m m m m γβα.9.求出一维、二维金属中自由的能态密度.[解 答](1)一维情况自由电子的色散关系为 mk E 222 =.由此得dk E m dk m kdE 2121222⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛== ,即dE E m dk 212122-⎪⎭⎫⎝⎛= . 对应同一个dE ,在k ±方向各有一个dk ,因此空间中dE E E +与之间的区间为dE E m dk d 2121222-⎪⎭⎫⎝⎛== τ,在该范围内的状态数为dE E m L d LdZ 212122-⎪⎭⎫⎝⎛== πτπ,其中L 是晶格长度.于是,态密度()12122-⎪⎭⎫ ⎝⎛==E m L dE dZ E N π.(2)二维情况参照《固体物理教程》(5.102)式可知,二维情况下态密度的一般表示式为()⎰∇=Lk EdLS E N 22π.其中S 是晶格的面积,积分沿能量为E 的等能线进行.由()2222y x k k m E += 得 ()mk k k m E y x k 221222 =+=∇.于是有()21222222 mS k m k S E dL S E N Lk ππππ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∇=-⎰.10.二维金属晶格,晶胞为简单矩形,晶格常数A a2=,A b 4=,原子为单价的.(1) 试画出第一、二布里渊区; (2) 计算自由电子费密半径;(3) 画出费密面在第一、二布里渊区的形状.【解 答】(1) 倒格子原胞基矢j bb i a b ππ2,221==.选定一倒格点为原点,原点的最近邻倒格矢有4个,它们是21,b b ±±这4个倒格矢的中垂线围成的区间即是第一布里渊区.即图5.7中Ⅰ所示区间.原点的次近邻倒格矢有4个,它们是21b b ±±这4个倒格矢的中垂线围成的区间与第一布里渊区边界围成的区间即是第二布里渊区.即图5.7中Ⅱ所示区间.图5.7 二维矩形晶格第一、二布里渊区(2)在绝对零度时,二维金属中导电电子若看成自由电子,电子的能量mk E 222 =,能量dE E E+→区间的电子占据波矢空间dk 的范围.在此范围内的波矢数目为图5.8二维波矢空间kdk S ππ2)2(2∙,其中2)2(πS是二维金属中导电电子的波矢密度,S 是金属面积。
固体物理第五章
据特鲁德模型,应用经典理论很容易对金属的一些物理性质作
出解释并在某些方面获得成功。
1 电导率
没有外电场作用时,电子的运动是无规的,不形成电流.在 静电场E作用下,电子沿电场方向加速,同时又不断地和离子实 碰撞而改变运动方向。
按弛豫时间近似,电子沿电场方向获得平均速度v(漂移速度)为
v
eE
m
电流密度为
以外的状态,费米面内的一些状态便空了出来,这时电子的分 布情况与基态不同。下图中分别画出f(E,T)和N(E,T)随E的变化 曲线,阴影部分表示T = 0K 时的分布情况,当温度从0上升至T 时,区域1中的电子激发至区域2
1
g(E) CE 2
f (E,T)
1
exp[(E ) / kBT ] 1
米面是球面,其半径为kF。T=0K时费米面内所以状态都被电
子占满,费米面外状态是空的。
金属:n~1029/m3, kF ~ 1010/m, EF ~ 10 eV
基态时自由电子气的总能量为
NE
EF
g(E)EdE
EF
CE
0
0
1
2 EdE
2 5
C
5
CEF 2
V
2
2
(
2m 2
)
3 2
2C 5
EF 32 EF
解释金属的物理性质
采用自由电子模型:
不考虑晶格周期场对电子的作用; 不考虑电子之间的相互作用;
简单地把金属中的价电子看成封闭在晶格中的自由电子气体。
在此基础上逐步发展为现代的固体电子论 : 考虑电子受晶格周期场的作用; 也考虑电子之间的相互作用;
在研究对象上也从金属扩展至所有类型的固体,从三维固体 扩展至低维固体,从晶体扩展至非晶体。
固体物理第五章 课件
3、布里渊区的特点 布里渊区的特点 (1)空间点阵相同 ) 倒格子点阵相同 布里渊区形状相同 (2)在同一倒格子点阵中,各布里渊区 )在同一倒格子点阵中, 的形状不同, 体积”相同, 的形状不同,但“体积”相同,都 等 于倒格子元胞的体积。 于倒格子元胞的体积。
正格子) 一、二维正方格子(正格子) 正格子
禁带宽度为
Eg = 2 Vn
晶体能带结构的特点
(1)在周期性势场中,电子有带状结 构的能 )在周期性势场中, 允带与禁带交替排列; 带,允带与禁带交替排列; (2) E 是 K 的偶函数 E(K) = E(-K); ; (3)能量越高,允带越宽; )能量越高,允带越宽; (4)禁带宽度为 Eg = 2 Vn ; ) (5)能量是波矢的周期函数 )
i
ik Rn
a i k xi +k y j +kz k i k 2 i k xi +k y j +kz k
=e
a i (kx kz ) 2 i a (kx kz ) 2
ik Rn
) a (i k ) 2
=e
①②③④
∑ e
ik Rn
=e
i
a (kx +kz ) 2
+e
i
a (kx +kz ) 2
例:一维周期势场为 1 mW 2 [b 2 ( x na ) 2 ] 当na b ≤ x ≤ na + b V ( x) = 2 0 当( n 1)a b ≤ x ≤ na b 如图, 求第一, 如图,其中 a = 4b, 求第一,第二禁带宽度 。
V ( x)
o b
a
2a
3a
x
En = 2 Vn 1 Vn = ∫ V ( x) e a a/2 Eg1 = 2 V 1 1 mW2 2 2 i 2π n x =2 [b x ]e a dx ∫ 4b b 2
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Planck distribution Consider a set of identical harmonic oscillators in thermal equilibrium.
N n1 / N n exp( / k BT ) exp( / )
then
N n N 0 exp( n / )
n
1 exp( / ) 1
<n>
4
3
2
1
0
0
x k BT /
1
2
3
4
The energy of the phonons with wavevector K and polariztion p
U K , p nK , p K , p K , p exp( K , p / ) 1
N0 0 <n>
s
N n N 0 exp( n / )
n
1 d x s s x , and sx x x 1 x dx s 1 x s s
n
s exp( s / ) exp( s / )
s s
1 exp( / ) 1
The average excitation quantum number of an oscillator is
n
sN N
s s
s
s exp( s / ) exp( s / )
s s
s
N
N
s
s
The total number and the total energy inside the square are same as those of the oscillators.
U d D p ( )
p
K , p exp( K , p / ) 1
D p ( ) dN p / d
The lattice heat capacity is
Clat x 2 exp x U k B d D p ( ) 2 T (exp x 1 ) V p
Density of states in one dimension Consider vibrations of a 1d line of length L carrying N+1 particles at separation a.
There are two equivalent methods for enumerating the number of the mode. Method 1: fixed boundary conditions
Method 2: periodic boundary conditions
(N+1)
u( sa) u( sa L)
N1
N
s=1
2 3 4 . .
us u (0) exp[i ( sKa K , p t )],
with
2 4π 6π Nπ K 0, , , , ... , . L L L L
dN dN dK L d D( ) d dK d dK
1
The density of the state with the periodic boundary condition:
dN dN dK L d D( ) d dK d 2 dK
exp[ i ( K x x K y y K z z )] exp{i[ K x ( x L) K y ( y L) K z ( z L)]}
whence
2 4 N K x , K y , K z 0, , , ... , L L L
Therefore there is one allowed value of K per volume (2/L)3 in K space.
D ( ) (VK 2 / 2 2 )( dK / d ) V ( / v) 2 1 V 3 2 2 v 2 2 v 3
The cutoff frequency D:
D (6 2v 3 N he cutoff wavevector KD:
Phonon heat capacity
phonon gas
U the heat capacity at constant volume CV T V the lattice heat capacity Clat
The total energy of the phonons at a temperature ( kBT) in a crystal is the sum of the energies over all phonon modes:
for / a K / a
There are three polarizations p for each value of K: 2 transverse modes, 1 longitudinal mode. The number of allowed K values in a single branch for the 1st Brillouin zone equals to the number of the primitive cells. The number of modes equals to the total degrees of the freedom. The density of the state with the fixed boundary condition:
Chapter 5
Key points:
Phonons II. Thermal properties
• Phonon heat capacity • Density of state • Debye model and Einstein model • Thermal expansion • Thermal conductivity
Due to the fixed boundary condition, The wavevector K is
2 3 ( N 1) K , , , ... . L L L L The number of mode is equal to the number of particles allowed to move. There is one mode for ach interval K = /L, so that the number of modes per unit range of K is L/ for K /a, and 0 for K > /a. dN / dK L / , for 0 K / a
The total energy in thermal equilibrium is K , p U U K , p K p K p exp( K , p / ) 1 Suppose that the crystal has Dp( )d modes of a given polarization p in the frequency range to + d . Then the energy is
Method 2: periodic boundary conditions
Method 1: fixed boundary conditions
L
Fixed
s=0 1
Fixed a ui-1 … … …… i1 i i+1 …… N-1 N
us u (0) exp( iK , p t ) sin sKa
. .
.
..
. i+1 ui i
i1
.
..
.
a
For periodic boundary conditions the number of modes per unit range of K is L/2 for /a K /a, otherwise 0.
dN / dK L / 2 ,
U U K , p nK , p K , p
K p K p
where <nK,p> is the thermal equilibrium occupancy of phonons of wavevector K and polarization p, and is given by the Planck distribution function: 1 nK , p exp( / ) 1
There is NO wavevector larger than KD in Debye model.
The thermal energy for each polarization:
U p d D( p ) n( p ) p V 2 v
2 3
D
The total number of modes with wavevector less than K for a given polarization and a given branch is:
N ( K ) ( L / 2 )3 (4K 3 / 3)
The density of states for each polarization is
where
x / k BT
The central problem is to find D(), the number of modes per unit frquency range. D() is called the density of modes or density of states (DOS). The best practical way to obtain the density of state is to measure the dispersion relation vs K in selected crystal directions by inelastic neutron scattering and then to make a theoretical analytic fit to give the dispersion relation in general direction, from which D() may be calculated.