qq布里渊区边界.ppt

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一个典型体心立方晶格的声子谱 硅的声子谱 —— 硅(金刚石结构)的原胞有两个原子,6支声子谱(3支声 学谱、3支光学谱),TA和TO是两重简并的。 —— 长声学波的横波TA与纵波LA有不同的波速。 —— 长光学波的横波TO与纵波LO有相同的频率。 GaAs的声子谱 —— GaAs(闪锌矿结构)的原胞有两个原子,6支声子谱(3支声学 谱、3支光学谱),与Si的声子谱相似。 —— 长光学波的横波TO与纵波LO有不同的频率,这是离子性的 反映,离子性越强,频率差越大。 Pb的声子谱 —— 某些q值附近的色散关系曲线出现扭折,这是因为这些 q值对应的格波与金属中电子发生很强的耦合作用,称 为科恩异常(Kohn anomaly)。 —— 晶格振动的能量量子 总结:声子 (phonon)的性质 1. 声子是一种元激发(Elementary excitation) 用声子代表晶格格波,如同用光子代替电磁波一样 光子可以解释光电效应,声子则可以解释固体热容量、导 热等性质 —— 可与电子或光子发生作用 晶体吸收光就可以理解为声子吸收光子的能量而变热 晶体散射光则可以理解为声子与光子的碰撞 电子与晶格的相互作用可以理解为电子与声子的相互作用 2. 声子是一种准粒子 —— 声子的行为类似于电子或光子,具有粒子的性质。但声 子与电子或光子是有本质区别的,声子只是反映晶体原 子集体运动状态的激发单元,它不能脱离固体而单独存 在,它并不是一种真实的粒子。 能量: 准动量: —— 具有能量、准动量 准动量的确定只能准确到以倒格矢Gh为周期的一系列点 —— 声子这种具有粒子性质,但又不是真实物理实体的概念 称为准粒子。 3. 声子的守恒性 —— 粒子数不守恒 —— 能量守恒、准动量守恒 声子与声子,声子与其它粒子、准粒子互作用作用过程 中,满足能量守恒、准动量守恒 : 声子与声子相互作用,或声子与其他粒子(电子或光子) 相互作用的过程中,声子可以产生,也可以湮灭,声子数目不守恒。 温度升高后,声子数增加 4. 声子是玻色子 —— 一个模式可以被多个相同的声子占据,粒子数目不守恒, ?和q相同的声子不可区分, 自旋为零。 —— 平均声子数 —— 声子气体不受Pauli 原理的限制,属于玻色子系统,服从 Bose-Einstein 统计。 —— 晶格振动的总能量为: 牛顿力学运动方程 行波试探解 色散关系 波矢q范围 (格波原子位置的分立性) 周期性边界条件 波矢q取值 上讲回顾 一维双原子链 M m 区分: 声学波、光学波 横波、纵波 声学波 (质心运动) 光学波 (原子的相对运动) 横波 q q 纵波 布里渊区中心 长声学波 (原子以相同振幅,同向振动) 长光学波 (原子相对振动,质心不变) q q 布里渊区边界 LA TA LO TO 短声学波 (大原子做驻波运动) 短光学波 (小原子做驻波运动) q q 晶格振动的波矢数目=晶体的原胞数 格波振动频谱的支数=原胞内原子的自由度数 总的格波数目(振动模式数目)=晶体的自由度数 一维单原子链: 原胞内原子的自由度数=1 1支格波 晶体的自由度数=N 振动模式数为N 一维双原子链: 原胞内原子的自由度数=2 2支格波 晶体的自由度数=2N 振动模式数为2N N个波矢 晶体有N个原胞 N个波矢 晶体有N个原胞 §3.4 三维晶格的振动 三维复式格子 各原子偏离格点的位移 晶体的原胞数目 原子的质量 第l个原胞的位置 原胞中各原子的位置 —— 一个原胞中有n个原子 第l个原胞内第k个原子的运动方程: —— 为原子在三个方向上的位移分量 —— 一个原胞中有3n个类似的方程 方程右边是原子位移的线性齐次函数,其方程的解 —— 一个原胞中有n个原子 将方程解代回3n个运动方程 —— 3n个线性齐次方程 —— 系数行列式为零,得到3n个 与不同原子的相位有关 (3n支格波) 长波极限 3个解: —— 趋于一致 —— 三个频率对应的格波描述整个原胞的一齐运动 —— 另3n-3支长波极限的格波描述一个原胞中各原子 间的相对运动 结论:晶体中一个原胞中有n个原子组成,有3支声学波和3n-3支光

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