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第五章晶体中电子能带理论1.pptVIP

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* * 第五章 晶体中电子能带理论 是目前研究固体中电子运动的主要理论基础,量子力学建立后逐渐 发展起来。最初的成就在于对晶体中电子运动给出普遍性的结论。 ------说明固体何以有导体、半导体、绝缘体之分 ------晶体中电子的自由程为何远大于原子间距 ------为分析半导体提供了理论基础,推动了半导体技术的发展 计算机的发展使能带理论发展到对具体材料复杂能带结构进行计算。 能带理论是一个近似理论,固体中存在大量电子,对这种 多电子系统严格求解是不可能的。 引言: 晶体最大的特点就是具有周期性结构,满足平移对称性。 在考虑电子和离子实之间的相互作用的前提下,给出周期 性结构中系统的哈密顿量,并考虑对哈密顿的近似处理 -------模型的建立 假定晶体体积 , 含有N个带正电荷Ze的离子实, Z为单原子的价电子数目,晶体中有NZ个价电子。即: N个离子实,每个离子实带正电荷Ze,其位矢用 表示; NZ个价电子,简称为电子,其位矢用 表示。 模型的建立 系统的哈密顿为: NZ个电子的动能和库仑势 N个离子实的动能和库仑势 电子和离子实之间的库仑势 式中 表示求和时 i ? j, ? 源于考虑了两次相互作用 描写体系的薛定谔方程为: (其中 代表 , 代表 ) 上述问题是一个NZ+N的多体问题,无法直接求解薛定谔方程, 为此进行如下假设和近似: 1、绝热近似(玻恩—奥本海默近似) 认为离子实固定在其瞬时位置上,只关注电子体系的运动。此时, 离子实的动能项和离子实之间的库仑势可不考虑。 为离子实的瞬时位置,是其中的一个参量。一般情况下,离子实是围绕其平衡位置作小振动(晶格振动)。绝热近似忽略晶格振动的影响,认为 即是平衡位置的 2、单电子近似(平均场近似) 哈密顿中的 项,使电子的运动彼此关联,难于处理。为此,用一个平均场来代替 项。(每个电子处于其他电子的平均场中) 则电子体系的哈密顿进一步简化为: 此式表明,晶体中总的 是NZ个单电子的哈密顿之和,即多体问题 简化为单体问题。 单电子势能 3、周期场近似 单电子势能: 周期场近似的内容是:假定 具有和晶格同样的平移对称性,即: 成立 绝热近似 单电子近似 周期场近似 将复杂的多粒子体系问题简化为周期场中单电子的运动 单电子势能 周期场中单电子薛定谔方程的本征函数(布洛赫波函数)。 从两个极端情况出发(电子受原子核束缚强弱),近自由电子近似和紧束缚近似,了解晶体中电子能带结构的起源。 周期场中电子的动力学行为。 从能带论的角度讲述何以有导体、半导体和绝缘体之分。 本章主要内容: §5.1 布洛赫波函数 一、 布洛赫定理及证明 (有关周期场中单电子薛定谔方程的本征函数) 二、 波矢k的取值与物理意义 本节主要内容: 布洛赫定理(Bloch theorem)及证明 布洛赫定理: 对于周期性势场,即 其中 取布拉维 格子的所有格矢,则单电子薛定谔方程: 的本征函数是按布拉维格子周期性调幅的平面波,即 且 对 取布拉维格子的所有格矢成立。 具有此形式的波函数称为布洛赫波函数。 且 布洛赫定理也可以表述为:对前述定理中薛定谔方程的 每一本征解,存在一波矢 ,使得: 对属于布拉维格子的所有格矢 成立。 布洛赫定理的证明 (1)引入平移对称算符 (2)说明: 布洛赫电子(Bloch electron) 把遵从周期势单电子薛定谔方程的电子,或用布洛赫波 函数描述的电子称为布洛赫电子,相应的描述晶体电子行 为的这种波称为布洛赫波。 对属于布拉维格子的所有格矢 ,只要证得 即可。 (3) 证明思路 (1)引入平移对称算符 定义: 性质: (2)证明: 即平移对称算符与晶体中布洛赫电子的哈密顿算符对易 所以晶体中单电子哈密顿量 具有晶格周期性。 微分算符与坐标原点的平移无关,比如在直角坐标系中: 所以平移对称操作算符与哈密顿算符是对易的。 由于对易的算符有共同的本征函数,所以如果波函数 是 的本征函数,那么 也一定是算符 的本征函数。 根据平移算符的性质: (3) 证明: 其中 可得到: 即 周期

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