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文档简介
1、“材料的结构,材料的物理” 固体物理学 陆栋 蒋平 徐至中 编著 072,7.2 近自由电子近似(微扰法),7.2.1 一维周期势作为微扰,由于V(x)为周期函数,可展开成傅立叶级数,为简单计,令,由于势场为实数,,代入薛定谔方程(7.2.1)式,方程化为,可得势场的傅立叶分量Vn满足,其中 为一维电子的动能算符,于是上式化为,其本征函数就是自由电子的波函数,波矢 k 满足自由电子的色散关系,而周期性边界条件为,限制 k 取值为,式(7.2.8)中的,将其看作微扰,可得一级微扰能量,由于除 n=0 外,因此必须计及二级微扰。二级微扰能量,注意,由(7.2.11)式与 7.2.16)式可知,除非
2、,于是(7.2.18)式中对k的累加可转化成对倒格矢的累加,由此得能量,而波函数为,一级微扰波函数为,将上式与(7.1.34)比较可知,如将上式写成一维布洛赫函数的形式,则函数,明显具有晶格周期性,7.2.2 能隙由来,当,即,时,(7.2.22)与 (7.2.25)发散。因此,时,应以,作为零级波函数,将(7.2.8)式中的波函数近似代入(7.2.32)式中,这样得到关于系数A和B的线性齐次方程组,由波函数不应为零得到如下关于电子能量的久期方程,由此得,将(7.2.31)和(7.2.33)式代入上式,并令,可将电子能量写成,上式中的第二项进行泰勒展开,得,能隙如图7.1所示,7.2图为扩展区
3、表示法,出现能量不连续的kn/a值正是一维布里渊区的边界,对应于禁带的出现,而禁带的宽度为傅立叶分量绝对值的两倍,表明禁带的出现是电子在周期场中运动的必然结果。,7.2.3 三维情况(自学),现在我们可以将结果推广到三维情况。将周期场 V(r) 展开成傅立叶级数,并取平均场 V0=0 可得,类似于(7.2.8)式将(7.1.15)式写成,一级微扰能量为,其中自由电子波函数为,由于除非Kh=0,否则与一维情况一样,必须计及二级微扰,由此得到非简并微扰适用的三维近自由电子近似的电子能量为,波函数,在布里渊区边界处非简并微扰理论失效。,图7.3可以清楚的看到,如 MN为一垂直于纸面的布里渊区边界,则电子在其上的波矢必满足上式。,由图7.3还可以看到,当k满足(7.2.52)式时,对于布拉维格子来说,如图7.4所示,若一晶面与Kh 垂直,则改晶面族的面间距为,对于复式格子,晶体可以看作t个子晶格的组合,晶体势也可以看作各个子晶格晶体势的叠加。第j个子晶格的晶体势可以如下展开成傅立
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