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量子力学第2节.近自由电子近似简历旅行online
第二节、近自由电子近似;一、定态微扰法
1、根据量子力学的定态微扰理论,薛定谔方程??k(x) =E(k) ?k(x) 的解是
2、零级近似解E(0)(k)和?k(0)(x)就是自由电子的能量和波函数。
3、能量
一级修正项
二级修正项
;含二级修正项的电子能量
4、波函数
一级修正项
其中
由于 因此
含一级修正项的电子波函数
;二、简并微扰
1、当k2与(k-kh)2相近时,上述方法求得的波函数和能量的修正项就很大。而这时自由电子的k态与k’=k-kh态的能量相近,属于简并情况,应当用简并微扰方法处理。
2、简并态
由k2=(k-kh)2得kh(k-kh/2)=0
即:k=kh/2=h?/a k`=k-kh=- h?/a
一维情况下,简并态有两个
简并态的能量;3、简并微扰
简并微扰的零级近似波函数是自由电子简并态波函数的线性组合:
代入薛定谔方程,并积分得到:
A、B不全为零的解的条件是
;解得简并微扰态的能量
若两状态能量严格相等(即E(0)(k)= E(0)(k`)),则得到
波函数
适当选择原点使V(X)= V(-X),从而使Vh为实数,于是A/B=?1。
;三、近自由电子能量和波函数的讨论
1、波矢k远离布里渊区边界
当k值离h?/a较远时,k’也远离边界(因为k- k ’ = h?/a),例如图中A点与A ’点。
由自由电子的E~k关系知,此时E(0)(k)与E(0)(k ’)有显著的差异。在弱周期势的前提下,有|E(0)(k)-E(0)(k ’)||Vh|;能量二级修正项及波函数的一级修正项都很小
在波矢远离布里渊区边界的情况下,近自由电子的能量、波函数与自由电子的能量和波函数极为相近。
2、k值接近布里渊区边界
当波矢k接近布里渊区边界时, k ’ = k- h?/a从反方向接近布里渊区边界。如图中的B与B ’ 、C与C ’ 。图6-7
;设?为一小量, ?1,则
;由简并微扰态的能量表达式有:
上面两式中最后一项分别表示以?为变量的开口向上和开口向下的抛物线。
在布里渊区边界附近,能量E+(K) 和E-(K)分别以抛物线形
式趋向Th+|Vh|和Th-|Vh|
;3、k在布里渊区边界上
当k值等于h?/a时,k态与k’态的零级能量相等
由于弱周期势的作用,自由电子k=h?/a和k’=-h?/a两简并态的能量发生变化,一个升高|Vh|,另一个下降|Vh|(如B和B ’ ,C与C ’ )图6-7
在布里渊区边界处能量发生跳变,形成禁带。禁带宽度
Eg=E+(K)-E-(K)=2|Vh|
禁带的产生
;四、色散关系的三种图式
1、扩展区图式
直接由近自由电子模型得到
各能带分别画在各自的布里
渊区内。
E是k的单值函数
2、简约区图式
由于E是K的周期性函数,各
个能带在扩展区图式的基础
上平移在第一布里渊区表示出来。
E是 k的多值函数
这种图式应用最广
;3、重复区图式
由于各个布里渊区是等价的,把简约区的E~k关系扩展到其它区而得到
;五、近自由电子的状态密度
1、自由电子的状态密度函数
自由电子的状态密度与E1/2成正比,随E增大,Df(E)单调上升。
2、对于近自由电子,由于写不出适用于整个布里渊区的能量表达式,因而不能像自由电子那样给出适用于整个布里渊区的能态密度DN(E)的解析表达式。
;3、二维正方晶格近自由电子的状态密度
色散关系
(1)同一长度的波矢在不同方向上接近布里渊区边界的程度是不同的。
(2)对于一个给定的能量EA,对应的自由电子波矢KF要小于近自由电子的波矢KN。
;等能曲线
(1)近自由电子的等能曲线偏离自由电子的圆形等能线,在[10]方向上等能线向边界凸起。
(2)在临界值EB时,等能曲线在10方向与边界相切。能量再增大,等能线破裂,等能曲线分成四段。
(3)在EC处,等能线变成一点。;态密度
;六、三维情况下的近自由电子近似
把一维情况推广到三维情况
周期势及其傅里叶展开
自由电子能量和波函数
;近自由电子能量与波函数
;1、布拉格反射
设发生简并微扰的两个态是K=Kh/2和K’=K-Kh=-Kh/2,
则满足|K|2=( K-Kh)2,即Kh?( K-?Kh)=0
这是布里渊区界面方程
|Kh|=2KSin?
根据K=2?/?、|Kh|= 2?/dh?n
得到:2dhSin?=n?
;2、布里渊区
第一
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