晶格振动与晶体的热学性质
晶格振动与晶体的热学性质的界面扩散行为
晶格振动与晶体的热学性质的界面扩散行为晶格振动是指晶体中原子或离子在平衡位置附近做微小振动的现象。
这种振动不仅是晶体材料中热学性质的重要来源，还对材料的热传导和界面扩散等过程起着重要的影响。
本文将探讨晶格振动与晶体的热学性质之间的关系，以及晶体界面扩散行为的影响因素。
一、晶格振动与热学性质晶格振动是晶体中原子或离子在平衡位置附近做的微小振动。
晶体的热学性质主要与晶格振动有关，包括热容、热导率等。
晶格振动可分为声子振动和自由电子振动两个部分。
1. 声子振动声子是晶体中的一种集体振动模式，它描述了晶体中原子或离子之间的相互作用。
晶体中原子或离子的振动可以看作是声子的叠加，因此声子振动是晶体中晶格振动的主要形式。
由于晶体中原子或离子之间的相互作用，声子的能量和动量分布在一定的能带范围内。
不同的能带对应着不同的振动频率和波长。
晶体的声子谱确定了晶体的热学性质，例如热容和热导率等。
2. 自由电子振动自由电子振动是指晶体中自由电子在晶格场中的振动。
自由电子在晶体中的运动不受束缚，因此其振动形式与声子振动有所不同。
晶体中的自由电子振动主要与金属材料的导电性能有关。
在金属中，自由电子可以自由地在晶格中传导热能和电流。
因此，自由电子振动对材料的导电性和热导率有着重要的贡献。
二、界面扩散行为界面扩散是指两个不同材料之间的原子或分子在界面区域的有序交换。
界面扩散行为在材料加工、催化反应和电子器件等领域中具有重要的应用价值。
晶体的界面扩散行为主要受晶格振动和界面能等因素的影响。
1. 晶格振动的影响晶格振动通过扩散势垒的降低和原子或分子的振动能量促进界面扩散行为。
晶格振动的频率和振幅可以调控扩散行为的速率。
当晶体的振动频率与界面上的振动频率相吻合时，晶体原子或分子容易穿过界面，从一个材料迁移到另一个材料中。
此时，扩散行为将得到促进。
2. 界面能的影响界面能是指两个不同材料之间的接触面上的能量。
界面能的大小直接影响着界面扩散行为。
晶格振动与晶体的热学性质的晶格畸变效应
晶格振动与晶体的热学性质的晶格畸变效应晶体是由定序排列的原子或分子构成，其内部结构具有周期性的排列方式。
晶体的热学性质与晶体内原子之间的相互作用密切相关。
晶格振动是晶体内原子或分子在其平衡位置周围做微小振动的一种现象。
晶格振动的性质受到晶体的结构、温度和压强等因素的影响。
晶格畸变是指晶格结构由于外界的作用而发生变化，从而影响晶体的热学性质。
本文将探讨晶格振动与晶格畸变效应对晶体热学性质的影响。
一、晶格振动对晶体热导率的影响晶体的热导率是指晶体传导热量的能力。
热导率与晶格中原子或分子振动的频率和振幅相关。
晶格振动的频率与晶体的晶胞结构有关，例如，对于简单晶格结构，振动频率较高；而对于复杂晶格结构，振动频率较低。
当晶格振动频率较高时，晶体内的能量传递速度加快，热导率提高。
相反，当晶格振动频率较低时，能量传递速度减慢，热导率降低。
晶格畸变会改变晶格振动的频率，从而影响晶体的热传导性能。
例如，在晶格畸变中，晶胞间距的改变会导致振动频率的变化，进而影响热导率。
二、晶格振动对晶体热膨胀性的影响晶体的热膨胀性是指在温度变化时晶体尺寸的变化程度。
晶体的热膨胀性与晶格振动也有密切的联系。
晶格振动引起的原子或分子间的相互作用改变会导致晶体发生畸变，从而产生热膨胀。
当晶体受热而振动频率增加时，晶格结构扩展，晶体膨胀。
相反，当晶体受冷而振动频率减小时，晶格结构收缩，晶体收缩。
晶格畸变可以显著影响晶体的热膨胀行为。
例如，在晶体结构的压力或应力下产生的晶格畸变会导致热膨胀性的改变。
三、晶格振动对晶体热容的影响晶体的热容是指单位质量或单位体积的晶体在吸热(或放热)时温度变化的量。
晶体的热容与晶格振动特性也存在一定的关联。
晶格振动的频率和振幅会影响晶体内部能量的分布和传递，从而影响热容。
当晶格振动频率高且振幅大时，晶体内能量的分布较广，热容较大。
反之，当晶格振动频率低且振幅小时，晶体内能量的分布较为局限，热容较小。
晶格畸变会改变晶格振动的特性，进而对晶体的热容产生影响。
晶格振动与晶体的热学性质关系综述
晶格振动与晶体的热学性质关系综述晶格振动是晶体中原子或分子在平衡位置周围的微小振动。
它是晶体内部热学性质的基础，与晶体的热导率、热膨胀系数、比热容等热学性质密切相关。
本文将综述晶格振动与晶体热学性质的关系，并探讨晶格振动在材料科学中的应用。
晶体的热学性质与晶格振动的频率、波矢以及振幅有密切关系。
一般来说，晶格振动频率高、振幅小的晶体热导率会较高，热膨胀系数较小。
这是因为晶格振动频率高意味着晶格中原子或分子之间的相互作用强，能量传递效率高；而振幅小意味着原子或分子振动的范围小，不易导致晶格的漂移，从而减小了热膨胀系数。
晶格振动与晶体的比热容也存在一定的关系。
在低温下，晶格振动对比热容的贡献为Debye模型所描述的三维声子气模型。
而在高温下，由于激发了大量的非谐振动模式，晶格振动对比热容的贡献将显著增加。
除了热学性质，晶格振动还与晶体的光学性质相关。
例如，晶体的红外吸收谱在一定程度上反映了晶格振动的特点。
由于不同模式的晶格振动对应不同的波矢和能量，因此红外光谱可以提供关于晶体结构和振动特性的重要信息。
在材料科学中，晶格振动也被广泛应用于热电材料和热障涂层等领域。
通过调控晶格振动，可以实现材料的热导率和电导率之间的解耦，从而提高材料的热电性能。
例如，通过引入杂质、界面掺杂或纳米结构等手段，可以有效散射晶格振动，降低热导率，进而提高材料的热电效率。
总之，晶格振动与晶体的热学性质密切相关。
研究晶格振动对于深入理解晶体的热学行为、优化材料的热学性能具有重要意义。
随着计算模拟和实验技术的发展，进一步研究晶格振动与热学性质的关系将有助于推动材料科学和能源领域的进展。
这篇文章主要综述了晶格振动与晶体的热学性质的关系，并探讨了晶格振动在材料科学中的应用。
通过调控晶格振动频率、波矢和振幅等参数，可以实现热导率、热膨胀系数和比热容等热学性质的调控。
此外，晶格振动还与晶体的光学性质相关，并被广泛应用于热电材料和热障涂层等领域。
晶格振动与晶体的热学性质
q1
2 1
2a
q2
2 2
5
2a
q2
q1
2
a
三、周期性边界条件（Born－Karman边界条件）
N+1
12
n
N N+2 N+n
N n
n
Aeit N naq Aeitnaq
eiNaq 1 ei2h 1
q 2 h
Na
h =整数
在q轴上，每一个q的取值所占的空间为 2
Na
q的分布密度：
q Na L
q0时
2
M
Mm
m
1
1
4
M
Mm m
2
sin
2
1 2
aq
M
m
1
Mm
1
4Mm
M m2
1 2
aq2
2
M
Mm
m
2Mm
M m2
1 2
aq
2
2
M m
1 2
aq
2
1 2
a
2 q q
M m
这与连续介质的弹性波 ＝vq 一致
当q0时
n n
q0
1
在长波极限下，原胞内两种原子的运动完全一致，振
M 2 m2 2Mm cosaq
i 1 aq
M
2
2m
cos
1 2
aq
e
2
m2 2Mm cosaq
M
m
Rei
1 aq
2
即：
2 2
－在Ⅰ、Ⅳ象限，属于同位相型
物理图象：原胞中的两种原子的振动位相基本相同，原胞 基本上是作为一个整体振动，而原胞中两种原 子基本上无相对振动。
第三章 晶格振动与晶体的热学性质
例：晶格对下面两种波 的“感受”完全一样
1 4a, q1 2a 4a 5 2 , q2 5 2a
21
3 波恩－冯卡门边界条件：
前面没有考虑边界效应，相当于无穷长链。有 限长链考虑边界。
驻波条件：假定两端不动，而中间原子振动。 周期性边界：两端原子也振动，但假定右端和 左端相连接，这相当于一个首尾连接的大圆环 本书取第二种边界条件。由于宏观固体很大， 边界效应不重要，采用两种边界条件都可以， 周期性边界在数学上更简便。
当λ 减小时，晶格的不连 续性变得更重要，原子开 始对波产生散射，散射的 结果是减小波速而阻碍波 的传播
k
这是本章的重点主要结论
6
§3.1 简正模和格波
一、微振动理论
例：单谐振子
1 2 1 2 1 2 1 2 2 kx q q , q mx H mx 2 2 2 2
40
晶格中任意振动，可以分解为这些格波的 线性叠加
两种模分别形成两个带，带间有带隙
41
§3.4 三维晶格的振动 格波量子－声子
一、三维晶格的振动
三维情况可以以一维情况类似推得出一些 结论，而不需严格求解 系统： N=N1× N2× N3 个元胞，每个元胞 中有n个原子 有N个独立波矢：
h1 h2 h3 Ni Ni q b1 b2 b3 , hi N1 N2 N3 2 2
晶格动力学和晶体的热性质
重点
第三章
格波：有什么特点（与机械波比较） 声学支、光学支：意义是什么 布里渊区：为什么有这个概念
难点
在第一章，假定原子在格点位置上静止不 动。称其为平衡位置。 实际上原子绕平衡位置附近振动。晶格振 动对固体的热学、声学和光学性质有重要 影响。包括金属的超导电性也与晶格振动 相关。 本章主要讨论晶格振动的描述——格波
《固体物理基础》晶格振动与晶体的热学性质
一、三维简单格子
二、三维复式格子
三、第一布里渊区
四、周期性边界条件
◇一个原胞内有P
个不同原子，则
有3P个不同的振
动模式，其中3支 声学波。
◇具有N个原胞的 晶体中共有3PN个
振动模式，其中
3N个声学波， 3N(P-1)个光学波。
四、周期性边界条件 总结
§ 3.4 声子
声子：晶格振动中格波的能量量子
二、一维单原子链的振动
格波
二、一维单原子链的振动
色散关系
二、一维单原子链的振动
色散关系
二、一维单原子链的振动
第一布里渊区
二、一维单原子链的振动
第一布里渊区
二、一维单原子链的振动
第一布里渊区
二、一维单原子链的振动
周期性边界条件
玻恩—卡曼边界条件
二、一维单原子链的振动
周期性边界条件
即q有N个独立的取值—晶格中的原胞数第一布
◇非弹性X射线散射、非弹性中子散射、可见光 的非弹性散射。
§ 3.4 声子
§ 3.4 声子
90K下钠晶体沿三个方向的色散关系
§ 3.5 晶格热容
一、晶格振动的平均能量
热力学中，固体定容热容：
根据经典理论，每一个自由度的平均能量是kBT， kBT/2为平均动能，kBT/2为平均势能，若固体有
N个原子，总平均能量： 取N=1摩尔原子数,摩尔热容是：
二、一维单原子链的振动
一维单原子链的振动
二、一维单原子链的振动
简谐近似下的运动方程
二、一维单Hale Waihona Puke 子链的振动简谐近似下的运动方程
在简谐近似下，原子的相互作用像一个弹 簧振子。一维原子链是一个耦合谐振子，各原 子的振动相互关联传播，形成格波。
晶格振动与晶体的热学性质
系统的哈密顿量
正则方程
p&i
H Qi
正则动量
pi
L Qi
Qi
Q&&i i2Qi 0, i 1, 2, 3,L 3N —— 3N个独立无关的方程
简正坐标方程解 Qi Asin(it )
简正振动 —— 所有原子参与的振动，振动频率相同 振动模 —— 简正坐标代表所有原子共同参与的一个振动
03_01_简谐近似和简正坐标 —— 晶格振动与晶体的热学性质
原子的振动 —— 晶格振动在晶体中形成了各种模式的波 —— 简谐近似下，系统哈密顿量是相互独立简谐振动哈密
顿量之和 —— 这些模式是相互独立的，模式所取的能量值是分立的 —— 用一系列独立的简谐振子来描述这些独立而又分立的
振 动模式 —— 这些谐振子的能量量子，称为声子 —— 晶格振动的总体可看作是声子的系综
摩尔热容量 CV 3Nk 3R —— 与温度无关
—— 杜隆－珀替经验规律
—— 实验表明较低温度下，热容量随着温度的降低而下降 晶格振动 —— 研究固体宏观性质和微观过程的重要基础 晶格振动 —— 晶体的热学性质、电学性质、光学性质、超
导电性、磁性、结构相变有密切关系
03_01_简谐近似和简正坐标 —— 晶格振动与晶体的热学性质
只考察某一个振动模
系统能量本征值计算
i
aij mi
Qj
aij mi
Asin( jt )
正则动量算符
系统薛定谔方程
(1
2
3N i1
pi2
1 2
3N
i2Qi2 ) (Q1,
i1
Q3N )
E (Q1,
Q3N )
03_01_简谐近似和简正坐标 —— 晶格振动与晶体的热学性质
固体物理(第三章 晶格振动与晶体的热学性质)
µi 之间，通过如下形式的正交变
mi µ i = ∑ aij Q j
j =1
3N
= ai1Q1 + ai 2Q2 + L + ai 3 N Q3 N
m1 µ1 = a11Q1 + a12Q2 + L + a13 N Q3 N
§3-1 简谐近似和简正坐标 8 / 17
& i2 µ
mi µ i = ∑ aij Q j = ai1Q1 + ai 2Q2 + L + ai 3 N Q3 N
15 / 17 11/11
§3-1 简谐近似和简正坐标
由上所述，只要能找到体系的简正坐标，或者说振动模， 问题就解决了。
§3-1 简谐近似和简正坐标
16 / 17
§3-1 简谐近似和简正坐标
17 / 17
Qi = A sin(ωi t + δ )
§3-1 简谐近似和简正坐标 10 / 17
任意简正坐标的解为：
Qi = A sin(ωi t + δ )
ωi
是振动的圆频率，ωi
= 2πν i
表明：一个简正振动是表示整个晶体所有原子都参与的振 动。而且它们的振动频率相同。一个简正振动并不是表示某一 个原子的振动。 由简正坐标所代表的体系中所有原子一起参与的共同振动 常常称为一个振动模。
能量本征值
ε i = (ni + )hωi
ϕ n (Qi ) =
i
1 2
本征态函数
ωi
ξ=
Qi h H ni (ξ ) 表示厄密多项式
14 / 17
ω
ξ2 exp H ni (ξ ) − 2 h
固体物理第三章 晶格振动与晶体热学性质
固体物理第三章晶格振动与晶体热学性质第三章晶格振动与晶体的热学性质晶格振动是描述原子在平衡位置附近的振动，由于晶体内原子间存在着相互作用力，各个原子的振动也不是孤立的，而是相互联系的，因此在晶体内形成各种模式的波。
只有当振动微弱时，原子间非谐的相互作用可以忽略，即在简谐近似下，这些模式才是独立的。
由于晶格的周期性条件，模式所取的能量值不是连续的而是分立的。
对于这些独立而又分立的振动模式，可以用一系列独立的简谐振子来描述。
和光子的情形相似，这些谐振子的能量量子称为声子。
这样晶格振动的总体就可以看成声子系综。
若原子间的非谐相互作用可以看作微扰项，则声子间发生能量交换，并且在相互作用过程中，某些频率的声子产生，某些频率的声子湮灭。
当晶格振动破坏了晶格的周期性，使电子在晶格中的运动受到散射而电阻增加，可以看作电子受到声子的碰撞，晶体中的光学性质也与晶格振动有密切关系，在很大程度上可以看作光子与声子的相互作用乃至强烈耦合。
晶格振动最早是用于研究晶体的热学性质，其对晶体的电学性质、光学性质、超导电性、磁性、结构相变等一系列物理问题都有相当重要的作用，是研究固体宏观性质和微观过程的重要基础。
ωη§3-1 简谐近似和简正坐标由原子受力和原子间距之间的关系可以看出，若离开平衡位置的距离在一定限度，原子受力和该距离成正比。
这时该振动可以看成谐振动.用n μϖ表示原子偏离平衡位置（格点）位移矢量，对于三维空间，描述N 个原子的位移矢量需要3N 个分量，表为)3,,2,1(N i i Λ=μ将体系的势函数在平衡位置附近作泰勒展开:高阶项+∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂+∑∂∂+===j i N j i j i i N i i V V V V μμμμμμ031,2031021)(第一项为平衡位置的势能，可取为零，第二项为平衡位置的力，等于零。
若忽略高阶项，因为势能仅和位移的平方成正比，即为简谐近似。
23121i N i i m T μ&∑==引入合适的正交变换，将动能和势能用所谓的简正坐标表示成仅含平方∑==N j j ij i i Q a m 31μ项而没有交叉项，即：由分析力学，基本形式的拉格朗日方程为：)32,1(,N i q Q T Q T dt d i i i Λ&==∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂其中)32,1(,1N i q f q i j N j j i Λϖϖ=∂∂⋅∑==μ朗日方程：)32,1(,0N i Q L Q L dt d i i Λ&==∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂则正则方程为：)3,2,1(,02N i Q Q i i i Λ&&==+ω其解为：)sin(δω+=t A Q i i 当考察某一个j Q 时，则：)sin(δωμ+=t A m a j i iji 晶体参与的振动，且它们的振动频率相同。
第3章 晶格振动与晶体的热学性质new
• 当基元有s个原子时, 模数有sN个=自由度数。
33
§3.3 二维简单格子
• 同理，可建立二维方程，如对四方晶系, x= y= d 2 u l1 l 2 m 2 β 4 u l1 l 2 u l1 1 l 2 u l1 1 l 2 u l1 l 2 1 u l1 l 2 1 dt
5
§3.2 一维晶格振动格波
晶体振动势能
1 d2U dU U(r0 ) U(r0 ) ( ) r0 ( 2 ) r0 2 dr 2 dr
简谐近似 —— 振动很微弱，势能展式中作二级近似：
1 U(r0 ) U(r0 ) U' | r0 U' ' | r0 2 2
vp
q
• 群速:（group velocity）波包（能量）传播速度。 ( q ) • 对三维情况: vg= grad(q) vg q • 对非连续晶格，在长波极限时，群速等于相速，且 它们都等于声速；此时，点阵的行为象一个连续 体，没有色散发生。随着波长的变短，群速减少， 到短波极限q时减至0。
• 在第一布里渊区，-/a < q < /a, 对应于 - N/2 < n < N/2, 故n只能取N个值 .
21
周期性边界条件
（periodic boundary condition）
每个波矢在第一布里渊区占的线度 第一布里渊区的线度 第一布里渊区状态数
2 q Na 2 a 2 / a N 2 / Na
= (ma/2)q = vsq
vs= (ma/2) • 长波极限时为线性关系，连续介质情形。
固体物理第三章 晶格振动与晶体的热学性质.
方程了，方程解为： nq Aei( tnaq )
2. 格波—解的物理意义 连续介质波的解：
i (t 2
Ae
x)
Ae i(t qx )
格波：上述原子振动方程的解与一般连续介质的波有完全类似
的形式，所不同的是只在格点位置上有原子的振动。我们称原
子振动的波为“格波”。
格波与连续介质波的区别：
（1）连续介质中x表示空间任意一点，而格波中空间位置只能取
将包含N个原胞的有限原子链首位相连， 呈封闭环，使链上所有原（胞）子等价。
第n个原（胞）子与第n+N个原子情况完 全相同。B-K边界条件也
称周期性边界条件。nq Aei(tnaq)
边界条件要求：eiNaq 1 即：Nqa=2 π h， q 2 h (h为 整 数)
Na
q
a
a
N h N , h取N个整数值 2 / a N
(Qi
)
i (Qi
)
解出：
i
(ni
1 2
)hi
ni
i
h
exp(
22)Hni来自()其中
i
h
Qi
系统的本征能量：
，Hni(ξ)是厄米尔多项式。
E
3N i 1
(ni
1 2
)hi
3N
系统的本征函数：
(Q1 ,Q2 ...Q3N )
ni (Q1 )
i 1
只要找出系统的简正坐标，或说是振动模, 晶格振动问题就解决
4. 简正坐标代表所有原子的一种集体运动(而不是哪个原子的位移) 因为原子位移和简正坐标之间存在正交变换关系：
mi i
aij Q j
假设只存在某一个Qi，j 其它的都为0 (即只考察一个Qj振动)，那么，
晶格振动对晶体热学性质的影响分析
晶格振动对晶体热学性质的影响分析晶格振动是指晶体中原子或离子围绕其平衡位置进行的微小振动。
这种振动对晶体的热学性质有着重要的影响。
本文将对晶格振动对晶体热学性质的具体影响进行分析，探讨其在热导率、热膨胀系数以及热容等方面的作用。
1. 晶格振动与热导率晶格振动与热导率之间存在密切的关系。
晶体的热导率主要由晶格振动引起的热传导贡献，以及电子的热传导贡献两部分组成。
晶格振动通过传递能量来引发热传导。
在晶体中，晶格振动以声子的形式传递热能。
声子的传播与晶格结构以及晶体的弹性性质密切相关。
因此，晶体的结构、晶格常数以及键的强度等都会对晶格振动与热导率产生影响。
2. 晶格振动与热膨胀系数晶格振动也会对晶体的热膨胀系数产生影响。
热膨胀系数是指物体由于温度变化而引起的长度、体积等物理量的变化比例。
晶体在受热后，晶格振动会引起原子或离子间距的变化，使晶体的体积发生变化。
晶体中原子或离子的质量、键的强度以及振动模式等因素都会影响晶格振动与热膨胀系数之间的关系。
3. 晶格振动与热容晶格振动还会对晶体的热容产生影响。
热容是指物体在吸热或放热过程中温度变化单位下的热量变化。
晶格振动会影响晶体中原子或离子的平均动能，从而影响晶格的热容。
晶格振动的能量传递会改变晶体原子或离子的能级分布，进而导致晶体的热容发生变化。
4. 晶格振动对热学性质的调控晶格振动对晶体的热学性质有着重要的调控作用。
通过调控晶格振动，可以有效地改变晶体的热导率、热膨胀系数以及热容等性质。
研究表明，通过控制晶体的晶格结构、晶格缺陷以及晶格畸变等方式，可以调控晶格振动的传播行为，从而实现对晶体热学性质的调控。
这对于材料的设计与应用具有重要的意义。
结论综上所述，晶格振动对晶体热学性质的影响是不可忽视的。
晶格振动通过影响热导率、热膨胀系数以及热容等参数，调控晶体的热学性能。
深入理解晶格振动对晶体热学性质的影响，有助于材料科学领域的研究与应用。
晶格振动对晶体热学性质的影响
晶格振动对晶体热学性质的影响晶体是由大量晶格点排列而成的凝聚态物质。
在晶体中，晶格振动（也称为晶体振动）是指晶格点相对于它们的平衡位置进行的小振动。
这种振动不仅导致晶体的机械性质，还对晶体的热学性质产生了重要影响。
本文将探讨晶格振动对晶体热学性质的具体影响。
1. 热容量的影响晶格振动是晶体中原子的振动，这种振动将导致整个晶体具有能量。
晶格振动的能量会以热量的形式储存，因此晶格振动对晶体的热容量有直接影响。
晶体的热容量与振动能量的大小成正比。
晶格振动引起的热容量的增加，将导致晶体对热量的吸收能力增强。
2. 热导率的影响晶格振动也对晶体的热导率产生影响。
热导率是指热量在物质中传播的能力，它与热传导速率成正比。
晶格振动会导致晶体中原子之间的相互作用增强，从而提高晶体的热导率。
振动较大的晶格点之间的相互作用将更加紧密，使热量更容易从一个晶格点传导到另一个晶格点上。
3. 热膨胀系数的影响晶格振动还会影响晶体的热膨胀系数。
热膨胀系数是指物质在温度变化时的膨胀程度。
晶格振动会使晶体中原子的平均距离发生变化，从而导致晶体的体积发生变化。
因此，晶格振动越剧烈，晶体的热膨胀系数就越大。
4. 热导电性的影响晶格振动对晶体的热导电性能也有重要影响。
热导电性是指物质对热量和电流传导的能力。
晶格振动将改变晶体中的电子态密度分布，从而影响电子的运动性质。
这些影响将影响晶体的电导率和热导率。
例如，在某些材料中，振动较弱的晶格点可以提高电子的传导能力，从而提高热导电性。
综上所述，晶格振动对晶体的热学性质产生了重要影响。
它对晶体的热容量、热导率、热膨胀系数和热导电性能都具有显著影响。
通过深入研究晶体中晶格振动的性质和行为，我们可以更好地理解晶体的热学特性，并为材料科学的发展提供基础。
注：以上文章属于晶格振动对晶体热学性质的影响的讨论性文章，可能不符合合同或作文格式的要求。
请根据具体需求进行适当调整。
第三章 晶格振动与晶体的热学性质
1 cos qa 2 M12 q
长 振波 动极方限向下相，同， B代A 表 了1 原表胞明质原心胞的中振两动个原子
长声学波代表了原胞质心的运动
当波长比晶格常数大很多时，qa = 1
2
q
a2q2
2M1 M2
色散关系与连续介质中的弹性波类似， 这也是声学波的名称来由
前面讨论晶体结构时，假设了晶体中各原 子固定在格点上不动。其实，不管是气体、 液体或是固体，在一定温度下，原子（或 分子）都在做不停的热运动。 静止晶格的模型在解释金属主要由导电 电子决定的平衡态性质和输运性质方面相 当成功，但是对金属进一步的了解以及对 绝缘体哪怕是最基本的了解都需要对离子 实的运动加以考虑。
讨论: q 2 l
Na
(1)为了保持位移和频率的单值性，波矢仍
然被限制在 p q ；利用波恩-卡
门边界条件，可a 以得到a晶格振动的波矢数
目等于晶体的原胞数 (2)在复式格子中，一个波矢对应两个频率，
所以其格波模式是2N，2N也是原子的自由 度数。因此晶格振动的模式数目等于原子 的自由度数之和。
上式说明，晶格的振动谱是分离谱，晶格
振动的波矢数目等于晶体的原胞数N
格波1（红色标示）的波矢：q1
2a
相邻原子位相差：
aq1
5
格波2（绿色标示）的波矢：q2 2a
相邻原子的位相差： aq2
2
2
2
-----两种波矢下 ，格波描述的原子振动完全相同
（4）在连续介质中传播的平面波方程为
(8)短波极限，q 波长 2 2a
a
q
说明相邻两原子的位相相反
第三章 晶格振动和晶体的热学性质
第三章晶格振动和晶体的热学性质[引言]晶体中原子、离子实际上不是静止在晶格平衡位置上，而是围绕平衡位置作微振动，称为晶体振动。
对晶体振动的研究是从解释固体的热学性质开始的，最初把晶体中的原子看作是一组相互独立的振子，应用能量均分定理可以说明固体比热容服从杜隆-珀替定律，但与T=0K时的0C=的规律不符。
1906年爱因斯坦提出固体比热容的量子理论，V认为独立谐振子的能量是量子化的，可以得到T=0K时0C=的规律的结论，但与低温V下3C T的实验结果不符。
1912年德拜提出固体的比热容理论，把固体当成连续介质，~V晶格振动的格波看连续介质中的弹性波，得到低温下3~C T的结果。
随后，玻恩及玻V恩学派逐步建立和发展了比较系统的晶格振动理论成为最早发展的固体理论之一。
晶格振动理论不仅可以用来解释固体的热学性质、结构相变等许多物理性质都是极为重要的，是研究固体物理性质的基础。
因为固体是由大量原子组成的，原子又由价电子和离子组成，所以固体实际上是由大量电子和离子组成的多粒子体系。
由于电子之间、电子与离子以及离子之间的相互作用，要严格求解这种复杂的多体问题是不可能的，但注意到电子与离子的质量相差很大，离子的运动速度比电子慢得多，可以近似地把电子的运动与离子运动分开考虑，变成一个在晶格周期场中运动的多电子问题；在考虑离子的运动时，则认为电子能够即时跟上离子位置的变化，变成离子或原子如何围绕平衡位置运动的问题。
这种近似称为绝热近似。
晶格振动理论就是在这个近似的基础上建立的。
本章首先从最简单的一维晶格出发，说明晶格振动的基本性质，然后推广到三维情况，最后讨论晶体的热学性质。
[本章重点]一维单原子链晶格振动，一维双原子链晶格振动，声子，晶格比热的德拜模型，晶格振动的模式密度，N 过程与U 过程§3-1一维单原子链考虑由N 个相同的原子组成的一维晶格，如图3-1-1所示，相邻原子间的平衡距离为a ，第j 原子的平衡位置用x 0j 来表示，它偏离平衡位置的位移用u j 来表示，第j 原子的瞬时位置就可以表示为：j j j u x x +=0………………………………………………(3-1-1) 原子间的相互作用势能设为)(ij x ϕ，如果只考虑晶体中原子间的二体相互作用，则晶体总的相互作用能可表示为：()∑≠=Nji ij x U ϕ21……………………………………………(3-1-2)式中ij ij i j ij u x x x x +=-=0是i 、j 原子的相对距离，i j ij u u u -=是i 、j 两原子的相对位移，在温度不太高时，原子在平衡位置附近作微振动，相邻原子的相对位移要比其平衡距离小得多，可将ϕ展开为：………………(3-1-3)于是有：()∑∑∑≠≠≠+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+=j i ij ij j i ij ijj i ij u x u x x U 202200412121ϕϕϕ……………(3-1-4) 图3-1-1 一维单原子晶格()()()+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=+=2220021ij ij ij ijijij ijij u x u x xu x x ϕϕϕϕϕ式中第一项是所有原子处于平衡位置上时的总相互作用能，用U 0来表示，是U 的极小值，()∑≠=ji ij x U 0021ϕ…………………………………………………………………… (3-1-5) 第二项是i j u 的线性项，它的系数为：()∑≠⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂i j ij x 0ϕ，是所有其它原子作用在i 原子的合力的负值，当所有原子处在平衡位置上时，晶体中任一原子所受到的净作用力应为零，所以在式（3-1-4）中不存在位移的线性项。
晶格振动与晶体的热学性质
m 2 A (eiaq eiaq ) B 2 A 2 iaq iaq M B (e e ) A 2 B
(2 m 2 ) A (2 cos aq) B 0 2 (2 cos aq) A (2 M ) B 0
在长波极限下： q 0
2 mM mM
在长波极限下，光学波的振幅关系：
2 m 2 B 2 cos aq A
m B M A
说明在长光学波时，光学波在长波极限下描述原胞质心不动、 不同原子相对于质心的振动，原胞中的两种原子的运动相位 相反。
q 0, 0
色散关系称为 声学支。
a
m
|q|
cq
ca
m
类似于连续介 质的波速形式
在长波极限下，相邻两个原子的相位差趋向于“零”， 而且在一个波长内可以包含许多个原子，因此晶格可以 看作是连续介质。
一维单原子链色散关系: 短波极限
短波极限相当于： q
aq aq 则： sin m 2 m sin m a 2 m 2 2
l l mk ...... k k
其中
m 2 A 0
，＝1，2，3
＝ C
k'
l l iq R R k k' k k ' e
5.思考题长声学支格波能否将晶体宏观极化？
不能。长声学支格波的特征是原胞内不同原子没有 相对位移，原胞作整体运动（质心运动）。长光学支 格波可以使晶体宏观极化。长光学支格波的特征是每 个原胞中的不同原子做相对振动，使正负离子产生相 对位移。
晶体的热学性质与晶格振动的相干性分析
晶体的热学性质与晶格振动的相干性分析晶体是由周期性排列的原子或分子构成的固体物质，其热学性质与晶格振动之间存在着相互的联系和相干性。
本文将对晶体的热学性质和晶格振动的相干性进行分析和探讨。
一、晶体的热学性质晶体的热学性质是指晶体在温度变化下所表现出的性质和特点。
其中，热容、导热性、热膨胀等是最常见的晶体热学性质。
下面将对这些性质进行详细介绍。
1. 热容热容是指单位质量的晶体在温度变化下吸收或释放的热量。
晶体的热容受到晶格振动和晶格缺陷的影响。
晶格振动包括晶格的弹性振动、声子振动等，它们会影响晶体内部的能量传递和分布。
晶格缺陷包括点缺陷、面缺陷等，它们会散射热子和声子，影响晶格的热传导性能。
2. 导热性导热性是指晶体在温度梯度下传导热量的能力。
晶体的导热性与晶格振动的相干性密切相关。
晶格振动的相干性越高，晶体的热导率就越高。
晶体的导热性还受到晶体的宏观结构和缺陷等因素影响。
3. 热膨胀热膨胀是指晶体在温度变化下的尺寸变化。
晶体的热膨胀与晶体中原子的振动有关。
当温度升高时，晶体内原子的振动增强，原子之间的相互作用减弱，晶体的体积就会扩大。
晶体的热膨胀系数与晶格振动的相干性强弱密切相关。
二、晶格振动的相干性晶格振动是晶体中原子或分子围绕平衡位置做小幅振动而引起的能量传递和分布现象。
这些振动以声子的形式进行传递，其相干性对晶体的物理性质有重要影响。
晶格振动的相干性决定了晶格对热量和声波的传递情况。
当声子的相干性较高时，晶体的热导率会增加。
而当声子的相干性较低时，晶体中的散射会增加，导致热传导能力变弱。
因此，晶格振动的相干性是晶体热学性质的重要影响因素。
晶体中振动的相干性主要受到以下因素的影响：1. 晶格结构：不同晶体的晶格结构会影响振动的传播和相干性。
晶格结构越有序，振动的相干性越高。
2. 晶体缺陷：晶体中的缺陷会散射声子，降低振动的相干性。
例如点缺陷、面缺陷等都会对声子的传播和相互作用产生影响。
3. 温度：温度的变化会影响晶格振动的相干性。
晶格振动与晶体的热学性质关系研究现状
晶格振动与晶体的热学性质关系研究现状晶体是由周期性排列的原子，离子或分子构成的固态物质。
晶体的热学性质是指在热平衡状态下，晶体对热量的传导、吸收和释放等热学过程的特性。
晶格振动是晶体内原子、离子或分子的周期性振动，与晶体的热学性质密切相关。
1. 晶格振动和晶体的热导率关系晶格振动是晶体的特有性质，与晶体的热导率密切相关。
晶体中的振动模式分为声子振动和光子振动。
声子振动是晶体中原子、离子或分子周期性的弹性振动，光子振动则是晶体中与电磁波相对应的振动。
晶体的热导率是指单位时间内热流通过单位横截面积的热量。
晶体的热导率与晶格振动密切相关。
在晶体中，声子振动是热传导的主要途径。
声子的特点决定了晶体的热导率。
晶体的热导率随着晶格振动的频率、介质中的原子质量和晶体结构的不同而变化。
2. 晶格振动和晶体的热膨胀关系晶体的热膨胀是指物体在升高温度时体积或长度增大的现象。
晶体的热膨胀与晶格振动密切相关。
晶格振动导致了晶体内原子、离子或分子之间的相互作用力的变化，进而引起晶体的体积或长度的变化。
晶体的热膨胀系数描述了单位温度变化时晶体长度或体积的变化率。
晶体的热膨胀系数与晶格振动之间存在着复杂的关系。
晶格振动的性质和强度会决定晶体的热膨胀系数。
晶格振动的频率、振动模式以及晶体中的原子质量和晶体结构等因素都会对晶体的热膨胀产生影响。
3. 晶格振动和晶体的热容关系晶体的热容是指单位质量或单位摩尔物质在温度变化下所吸收或释放的热量。
晶体的热容与晶格振动密切相关。
晶格振动影响了晶体中原子、离子或分子的能级结构，从而影响了晶体的热容。
晶体的热容与晶格振动的性质和强度有关。
晶格振动的频率和振动模式决定了晶体的热容。
不同类型的晶体具有不同的热容曲线。
晶体的热容曲线通常在低温时呈现出震动模的热容峰，并随着温度的升高逐渐趋于平缓。
晶格振动的存在对晶体的热容产生了显著影响。
结论：晶格振动与晶体的热学性质之间存在着密切的关系。
晶格振动影响了晶体的热导率、热膨胀和热容等热学性质。
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格波： 连续介质弹性波：
Ae
i t naq
i t xq
Ae
将 µ nq
Ae i t qna
i t naq
代入运动方程得
m 2 Ae
Ae
m 2 eiaq eiaq 2 2 cos aq 1
解 得
第三章 晶格振动与晶体的热学性质
布拉伐晶格晶体中的格点表示原子的平衡位置，原子在格点附近作热振动，由于晶体内 原子之间存在相互作用力，各个原子的振动不是孤立的，而是相互联系在一起的，因此在晶 体中形成各种模式的波，称为格波。只有当振动非常微弱时，原子间的相互作用可以认为是 简谐的，非简谐的相互作用可以忽略，在简谐近似下，振动模式才是独立的。由于晶体的平 移对称性，振动模式所取的能量值不是连续的，而是分立的。通常用一系列独立的简谐振子 来描述这些独立的振动模，它们的能量量子称为声子。
nj Aje
i jt naqj
频率为 j 的特解：
方程的一般解：
n
线性变换系数正交条件： 系统的总机械能化为：
Ae
j j
i jt naqj
Q q, t einaq Nm
q
1
1 N
＝N＝晶体链的原胞数 晶格振动格波的总数=N· 1 =晶体链的自由度数 三、格波的简谐性、声子概念
1 2 n m 2 n 2 1 U n 晶体链的势能： n 1 2 n
晶体链的动能：T
系 统 的总 机械 能 即 体系的哈密顿量为：
H
：
2 1 1 2 n m n n 1 2 n 2 n
1 d2V dV V a V a 2 2 d x a d x
相互作用力为：
2 1 V a 2 2 a
F
dV d
：力常数
只考虑最近邻原子间的相互作用：
f n n n 1 n n 1 n 1 n 1 2n
件可得：
Ae i qna t Ae i q n N a t ， 也就是波数 q 的取值必须满足：
a ei q N 1
qh
2 2 h Na L
h 为整数
N n n
Ae
i t N n aq
Ae
i t naq
第 n 个原子的运动方程：
n n 1 n 1 2n m
我们寻找具有下列波动形式的解： µ nq Ae
i t qna
其中 A 为振幅， 为简谐振动的角频率， q 2 / 为波数，如果 n 为波的传播方向的单位 矢量，则 q q n 为波矢。格波解与弹性波解有完全类似的形式。
i t naq iaq
Ae
i t naq iaq
2 Ae
i t naq Biblioteka 2m
sin
1 aq 2
——色散关系
为了保证格波波函数的单值性，对于一维布拉伐晶格，波数 q 的取值限制在：
a
q
a
区别于连续介质波中 x 表示空间任意一个质点的位置， 在格波中， 如果将坐标原点取在 某一格点上，则只有在 x = na 的位置才有原子。相邻原子间的位相差为 qa，显然相邻原子 间的位相差为 qa 加上 2 的整数倍描述的是完全相同的格波运动，即对相同的格波 xnq 波 数 q 的取值是多值的， 当然也对应地有多个波长 的取值。 例如波长 = 4a (q = 2a) 和 = 4a/5 (q = 5 2a)的格波描述完全相同的原子振动。
若
q q
2 a
则 q 与 q`描述同一晶格震动状态
二、 周期性边界条件（ Born－ Karman 边界条件） 除了将波数 q 的取值限制在： q a a 波矢 q 的取值还要受样品边界条件的限制。设想在一长 L = Na 的一维有限单原子晶体之外， 仍然有无穷多个相同的晶体， 这些一维晶体内相应的原子运动情况完全一样， 即第 n 个原子 和第 n + tN 个原子的运动情况完全相同，其中 t 为整数。考虑到原子间的相互作用主要是短 程的，因此实际的有限晶体中只有极少数边界上原子的运动才受到相邻的假象晶体的影响。 这样的边界条件称为玻恩－卡曼 (Born－Von Karman) 周期性边界条件。根据周期性边界条
对于确定的 n：第 n 个原子的位移随时间作简谐振动 对于确定时刻 t：不同的原子有不同的振动位相 q 的物理意义：沿波的传播方向（即沿 q 的方向）上，单 位距离两点间的振动位相差。 格波解：晶体中所有原子共同参与的一种频率相同的振 动，不同原子间有振动位相差，这种振动以波 的形式在整个晶体中传播，称为格波。 q 取不同的值，相邻两原子间的振动位相差不同，则 晶格振动状态不同。
eiNaq 1 e
q
在 q 轴上，每一个 q 的取值所占的空间为 q 的分布密度：
i 2 h
1
2 h Na
h =整数
q
Na L 2 2
2 Na
L＝Na ——晶体链的长度 简约区中波数 q 的取值总数
q
2 Na 2 a 2 a
§ 3.1 一维单原子链的振动
一、 运动方程及其解
考虑一维单原子链晶格振动问题时，通常有两点基本假设， 一是原子间的相互作用势能只 考虑到平方项，即简谐近似；另一个是只考虑相邻原子间的相互作用。设每个原子具有相同的质 量 m，平衡时原子间距即晶格常数为 a，用 µ n 代表第 n 个原子离开平衡位置的位移，第 n 个原 子和第 n + 1 个原子间的相对位移为 = µ n +1 µ n ，则两个原子间的相互作用势能为：