固态电子2010-第四章

第四章晶格振动,晶体中各原子在一定温度T下，都在各自的平衡位置附近作振动我们称为晶格振动，它同样会影响晶体的性质如比热、热导等，也与晶体对光的散射有很大关联。本章的中心内容是采用最近邻原子简谐近似的方法来研究晶格振动的问题，用格波来描述这种晶体原子的集体运动，并由一维振动得出的结论推广到三维振动，最后从量子理论的角度用声子这个概念来表述格波对应能量。,4.1一维单原子链的振动,一、晶格振动格波模型建立：一维单原子链含N个原子，每个原子都具有相同的质量m，平衡时原子间距晶格常数a。研究思路：把原子的振动看作是简协振动，先计算原子之间的相互作用力，再根据牛顿第二定律列出原子的微分运动方程，最后求解方程。步骤：求出原子间的作用力；列出原子振动的微分方程；求出方程的解。,图4.1一维单原子链模型,二、格波的意义晶体中的格波与连续介质波具有完全相同的形式。一个格波表示的是所有原子同时做频率为的振动，在简谐近似下，格波是简谐平面波。,图中的向上的箭头代表原子沿X轴向右振动，向下的箭头代表原子沿X轴向左振动。箭头的长度代表原子离开平衡位置位移的大小。,图4.2格波的意义,三、格波波矢的取值和布里渊区当相邻原子的位相差时，所有原子的振动没有任何改变。因此只要研究清楚波矢在第一布里渊区的晶格振动问题就可以，其它区域不能提供新的物理信息。,图4.3原子振动相同的两种格波,四、玻恩卡门（Born-Karman）周期性边界条件以上的讨论是将一维单原子晶格看作无限长来处理的，这样所有原子的位置是等价的，每个原子的振动形式都一样。实际的晶体都为有限的，形成的链不是无穷长，这样链两头的原子就不能用中间原子的运动方程来描述。玻恩卡门（Born-Karman）提出采用周期性条件可解决上述困难。如图4.4所示。,图4.4一维无限长链,由N个原子头尾相接形成一个环链，它保持了所有原子等价的特点，而且N很大，其中的原子运动近似为直线运动。第n个原子和第N+n个原子应该为同一原子，他们的位移也应该相同。波矢q应该满足的条件为：在第一BZ中，h只能取N个整数值,波矢q也只能取N个不同的分立值,所以在第一布里渊区包含N个状态。,图4.5一维无限长原子链,五、色散关系频率的范围频率是波数的偶函数，如图4.6。色散关系曲线是周期性的在q空间的周期为：2/a频率的极小值为：min=0;频率的极大值为：,图4.6一维单原子链的色散关系,长波近似和短波近似长波近似：当q0，即波长a时，色散关系如图4.7中蓝线所示。在长波极限下一维单原子晶格格波的色散关系和连续介质中弹性波的色散关系一致，因此在长波极限下，对于一维单原子晶格格波可以看作是弹性波，晶格可以看成是连续介质。,图4.7一维单原子链长波近似下的色散关系,返回,长波极限下，相邻两个原子之间振动的位相差qa0，此时，一个波长内包含所有原子，晶格可以看作是连续介质，如图4.8(a)所示。短波近似：当q/a时，取极大值。格波的波长=2a，相邻原子的振动位相相反，如图4.8(b)所示。,(b)图4.8长波极限和短波极限下的格波示意图,色散关系的倒格子平移对称性和反演对称性格波频率是波矢q的周期函数，周期为（2/a），正好为一维原子链的最短倒格矢，即(q)=(q+Kh)，称为倒格子平移对称性，其中Kh为倒格矢。(q)=（q）倒格子反演对称性。关于色散关系的倒格子平移对称性和反演对称性的这两个结论对三维晶格也是适用的。,结论：对含N个原子的一维单原子晶体（即一维简单晶格）可用格波来描述晶格的振动；格波的波矢q在第一布里渊区内取N个不同的分立值，每个q值对应一个,一组（，q）对应一个格波，则晶格的振动可用N个独立的格波（即N个独立的简正模式）来描述；这N个格波的频率与波矢q的关系由同一条色散曲线所概括，即这N个格波属于同一种格波；晶格中每一个原子都参与了这N个独立的简谐振动，任何一个原子的实际振动是这N个格波所描述的简谐振动的线性叠加。,4.2一维双原子链的振动,一、一维双原子链的振动一维无限长复式格子的振动选取这样的模型：原胞含两种原子m、M（Mm），相邻同种原子间的距离为2a（即为晶格常数）。如图4.9所示，质量为M的原子位于2n-1，2n+1质量为m的原子位于2n，2n+2,图4.9一维双原子链模型,牛顿运动方程：方程解的形式：因为Mm，复式格子中不同原子振动的振幅一般来说是不同的，即A和B一般不同。,整理后得到与q的关系：由关系式可以看出，与q之间存在着两种不同的色散关系，我们称一维双原子晶体中可以存在两种独立的格波。,返回,二、波矢的取值相邻原胞之间的位相差为2aq=2aq+2时，所有原子的振动不变。为了保证波函数的单值性，一维复式格子q的值限制在：-2aq，则对含N个原胞的有限晶体,三、色散关系声学波与光学波一维复式格子中存在两种不同的格波的色散关系：也就是说，对一个q会有两个与之对应，形成两种不同的格波形式。链接对-一支：当q0时，(-min)0；当q/2a时，称该支格波为声学支格波，简称声学波。,对+一支：当q0时，当时，我们称该支格波为光学支格波，简称光学波。,四、长波极限下格波的意义考虑q0长波极限情况：声学波,比较,这与一维单原子链（一维简单格子）的情形形式上是相同的，可以说由完全相同的原子组成的布拉伐格子只有声学波。,结论:在长声学波中，相邻原子的振动方向相同，并且振幅相同，所以长声学波代表的是原胞质心(即原胞整体)的振动，如图所示。,图4.11一维复式晶格的长声学波,光学波将代入到中得到：,将和代入得：结论:长光学波中同种原子振动位相一致，相邻原子振动方向相反，因此，长光学波是原胞质心不变的振动，它实际上表示原胞内原子之间的相对运动，如图4.12所示。,图4.12一维复式晶格的长光学波,结论：对含N个原胞的一维双原子晶体：格波波矢q在第一布里渊区有N个分立的值，即有N种独立的简正模式，晶格振动的波矢数目=晶体中的原胞数；每个q对应有两个，即一个q对应有两支格波，其中一支描述原胞质心的运动，称为声学波；另外一支描述原胞内原子的相对运动，称为光学波；描述晶格振动的总的格波数目=晶体总的原子数2N。,4.3三维晶格的振动,一、三维晶格的格波形式晶体模型：我们考虑这样的三维晶体：晶体原胞基矢分别为，在三个基矢方向上的原胞个数分别为N1、N2、N3，则晶体总的原胞数N=N1N2N3。每个原胞中含n个原子，质量分别为：,现在我们来求第L个原胞中第k个原子的运动：其中的=1，2，3，代表k原子在三个基矢方向运动的位移分量，一个k原子有三个方程，则对一个原胞来说共有3n个类似的方程。将解代回到3n个方程中，得到关于A11、A12、A13、A21、A22、A23、An1、An2、An3的3n个线性齐次方程。根据系数行列式为零的条件，可得到3n个与波矢对应的，即一个波矢与3n个对应。,二、格波的意义与一个波矢对应的有3n个，即存在3n种格波形式。与一维复式晶格类似，在这3n个格波中，也分为声学波和光学波两种。在长波极限下，其中有3个频率对应的格波描述的是不同原胞之间的相对运动（即原胞质心的运动）称为声学波；另外3n-3支长波极限的格波描述的是一个原胞中各原子间的相对运动称为3n-3支光学波。可以得到这样的结论：若三维晶体的一个原胞由n个原子组成，则每个波矢对应的格波中有3支声学波和3n-3支光学波。,三、波矢的取值在原子的振动函数中，波矢的作用体现在不同原胞之间的位相联系：当波矢改变一个倒格矢时，这说明和所代表的格波产生的振动一样，为了保持格波的单值性，我们将波矢取值限定在一个倒格子原胞中，通常选取晶格第一布里渊区。,三维晶格振动的波矢是一个矢量，它在波矢空间（即晶格的倒空间）中可以表示为：其中的代表倒格子的基矢量，为系数。根据玻恩-卡门边界条件：,满足方程要求的为：其中的h1、h2、h3为3个整数，这时的表示为：在倒空间中，一个波矢所占据的体积为：,V为原胞体积，从上述推倒中可以看出，满足边界条件的波矢在倒空间中应取分立的值，当h1、h2、h3取不同的整数时，可以得到不同的波矢量。,对应一个有3支声学波和3n-3支光学波，含N个原胞的三维晶体不同的格波总数为：3nN个，也等于晶体总的自由度。,结论：对含有N个原胞的L维晶格，若每个原胞中含n个原子，则：晶格振动的简正模式数（即波矢数目）=晶格的原胞数N。对应每个波矢的频率的数目=维数Ln，其中代表原胞整体运动的声学波有L支，代表原胞内原子之间的相对运动的光学波有Ln-L支。晶格振动的总的格波数目=LnN，即为晶体中所有原子的自由度之和。晶格的振动可以用LnN个独立的格波来描述，每个原子的实际运动，都是它们在这LnN个格波描述的简谐振动中运动的迭加。,返回,4.4晶格振动的量子化和声子,在简谐近似下，含有m个原子的三维晶体的晶格振动，我们可用3m个独立的简谐格波来描述，晶体中每个原子的实际振动状态由这3m个格波共同决定。而晶格振动的能量可以表示成这3m个独立的格波所对应的谐振子的能量之和的形式。在量子力学中，频率为的简谐振动能量可以表示为：（其中n=0，1，2）当n0时，它处于基态，E0,称为零点能，能量之间是不连续的，相邻状态的能量差为。,概念：晶格振动的一个频率为的格波等价于一个简谐振子的振动，其能量也可以表示为如下形式：n=0，1，2能量的单元是，它是格波的能量量子，称之为声子，即“晶格振动的简正模能量量子。”。频率为i(q)的格波所具有的能量（即被激发的程度），用该格波所含有的能量为的声子数目n的多少来表征，不同的格波可以有不同的声子数。格波从En状态跃迁到En+1态时，能量增加一个量子，这是产生一个声子的过程；反之，从En+1状态跃迁到En-1态时要减少一个量子，这是湮灭一个声子的过程。,注意：声子的性质声子是玻色子一个模式可以被多个相同的声子占据，这些声子的和q相同，自旋为零，满足玻色统计。声子是一种准粒子声子不是真实的粒子，只是一种准粒子，所以它不具有通常意义下的动量，常把称为声子的准动量。声子的粒子数目不守恒，可增加也可以减少，例如温度升高后声子数增加。电子、中子、光子等与晶格振动的相互作用都可用这些粒子与晶体中声子的相互作用来描写，他们通过吸收或产生声子来改变粒子本声的能量和动量。声子与声子，声子与其它粒子、准粒子互作用时，满足能量守恒。,平均声子数各个格波可能具有不同的声子数，而格波能量的大小又由它对应的声子的数目决定。那么在一定温度的热平衡态，一个格波的平均声子数有多少呢？研究发现，在温度T时处于热平衡的晶格中，声子的平均数目为：,本章主要内容总结：,熟悉采用最近邻原子简谐近似的方法来研究晶格振动的方法和步骤；掌握如何用格波的方式描述晶格振动（4条结论）；掌握声子的概念及性质。,图4.10一维双原子晶体的色散关系,返回1,返回2,粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米，另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动量（粗略地讲，就是半径与转动速度的乘积）相联系