§3-6晶格振动的模式密度
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§3-6 晶格振动的模式密度
3. 6. 1 晶格模式密度定义
为了准确求出晶格热容以及它与温度的变化关系,必须用较精确的办法计算出晶格振动的模式密度(也叫频率分布函数)。原则上讲,只要知道了晶格振动谱ωj (q ),也就知道了各个振动模的频率,模式密度函数g (ω)也就确定了。但是,一般来说,ω与q 之间的关系是复杂的,除非在一些特殊的情况下,得不到g (ω)的解析表达式,因而往往要用数值计算。图3-6-1给出了一个实际的晶体(钾)的模式密度,同时给出了德拜近似下的模式密度进行比较,可以看出除在低频极限以外,两个模式密度之间存在有一定的差别。这可以说明为什么德拜热容理论只是在极低温下才是严格正确的。因为在极低温下,只有那些低频振动模才对热容有贡献。
了解晶格振动模密度的意义不仅局限于晶格热容的量子理论。实际上,计算所有热力学函数时都要涉及到对各个晶格振动模的求和,这就需要知道模式密度函数。以后还会看到,在讨论晶体的某些电学性质、光学性质时,也要用到晶格振动模式密度函数。根据式(3-5-12),我们可以定义:
()0lim
n
g ωωω
∆→∆=∆…………………………………………………………(3-6-1)
Δn 表示在ω—ω+Δω间隔内晶格振动模式的数目,如果在q 空间中,根据ω (q )=常数作出等频面,那么在等频面ω和ω+Δω之间的振动模式的数目就是Δn 。由于晶格振动模(格波)在q 空间分布是均匀的,密度为V/3
(2)π(V 为晶体体积),因此有:
3
((2)
V
n ωωωπ∆=
⨯∆频率为和+的等频率面间的体积)…………(3-6-2) 图3-6-1 钾的模式密度与德拜近似模式密度的比较
如图3-6-2所示,等频面间的体积可表示成对体积元dsdq 在面上的积分:
3(2)
V
n dsdq π∆=
⎰…………………………………………………(3-6-3) 其中dq 表示两等频率面间的垂直距离,ds 为面积元,显然
()q dq q ωω∇=∆
因为()q q ω∇表示沿法线方向频率的改变
率。因此
3(2)q V
dS
n ωπω
⎡⎤
∆=∆⎢
⎥∇⎢⎥⎣⎦⎰
………(3-6-4) 从而得到模式密度的一般表达式
()()
()3
2q
V
dS
g q ωωπ=
∇⎰………(3-6-5)
3. 6. 2 一维单原子链的模式密度
对于一维情况,q 空间的密度约化为L /2π,L =Na 为单原子链的长度,其中a 为原子间距,N 为原子数目。则在q 空间内振动模式数目为2L
dq π
。d ω频率间隔内的振动模式数目为:
22L dq n d d ωπω
∆=⨯
⋅…………………………………………………………(3-6-6) 等式右边的因子2来源于ω(q )具有中心反演对称,q>0和q<0区间的完全等价的。从而有
()1
L g d dq
ωωπ=
…………………………………………………………(3-6-7) 这是公式(3-6-7)在一维情况时的简化形式。对于一维单原子链,只计入最近邻原子之间的相互作用时,有
(
)11
sin 22
m q aq aq ωω=
= 其中m ω为最大频率。代入(3-6-7)式可以得到:
图3-6-2 等频面示意图
()122
2
2()m
N
g ωωωπ
-
=
-…………………………………………(3-6-8)
3. 6. 3 分析ω=c 2
q 的模式密度
首先回顾一下德拜近似的模式密度,德拜近似的核心是假定频率正比于q 。即 c ω=q
代入(3-6-5)式,容易得到:
()()
23
231422V
V
g c c c
ωωπωππ⎛⎫=
= ⎪⎝⎭…………………………………(3-6-9) 下面,我们以色散关系为ω=c 2
q 为例,分析其三维、二维及一维情况下的模式密度。 (1) 三维情况模式密度 对于三维情况,
ω=c 2
q ……………………………………………(3-6-10) 在q 空间等频率面为球面,半径为:
q =
在球面上,
()22q d q Cq dq ωω∇=
==是一个常数,且球面积分为:24ds q π=⎰
,因此:
()()()()()2
12333232111422222q q V
ds V V V g ds q cq c
ωπωωωππππ=
===∇∇⎰
⎰ ……………………………………………(3-6-11)
(2)二维情况模式密度
对于二维情况,q 空间也约化为二维空间,其等频面实际为一个圆,圆半径为:
q =
二维情况下的q 空间中的密度为:A/(2π)2,(这里A 为二维晶格的面积),而且有:
()222q d q Cq C dq C dL q
ωω
ωπ∇=
===⎰
所以对于ω=c 2
q ,二维情况的模式密度为:
2
2
2()(2)(2)24()q dn A dL A q A
g d Cq C
q πωωπππω=
=
==∇⎰
…………………(3-6-12) (3)一维情况
同理,在一维情况下,q 空间有两个等频点+q 和-q 。仿上面的方法可以得到:
1()2(2)(2)2()2q dn L dq L g d Cq q C ωωππωπω
=
==⨯=
∇⎰……………(3-6-13) 总之,色散关系为ω=c 2
q 的形式时,在三维、二维和一维情况下,模式密度分别与频率ω的½,0,-½次方成比例。
3. 6. 4 模式密度的范霍夫奇点
从(3-6-5)式可以看出,在()q ω对q 的梯度为零的地方,g (ω)应显示出某种奇异性,我们称()0q q ω∇=的点为范霍夫奇点,也称为临界点。
例:一维单原子链的范霍夫奇点
对于一维单子链,模式密度为
2
2
()m g ωπωω
=
⋅-,显然:当ω→m
ω(或q=±π/a 时,g(ω)→∞,即m ω为一维单原子情况的范霍夫奇点,如图3-6-3所示。,