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固体物理学第五章能带理论平面波法
第三节 平面波方法 本节主要内容: 5.3.1 微扰计算 5.3.2 三维能带与一维能带的区别 §5.3 平面波方法 模型:平面波方法就是三维周期场中电子运动的近自由电子近似。 势能 是具有周期性的函数,可以作傅氏展开。 由势场的周期性 因为 是实数,所以 因为 为正格矢,所以 必为倒格矢,即 5.3.1 微扰计算 哈密顿量可写为 为方便计算,我们取势能平均值V0=0,这样 考虑到 后解薛定谔方程,由布洛赫定理可知波函数应为: 其中周期性因子 展成傅里叶级数, 将 代入薛定谔方程 上式点乘 并对整个晶体积分得: 在上式求解过程中,利用了关系式: 因为 有无数多个取值,所以上式是一个无限多项的方程式。在计算精度范围内,可取有限项平面波来作 的近似。在此情况下,上式就变为一个有限项的方程。这样的方程构成了一个齐次方程组。 有解的条件是,它的系数行列式为零。若以 为 行的指标, 为列的指标,行列式的元素为如下形式: 由此行列式可求出电子的能量 。 如果电子的行为接近于自由电子时,其波函数与平面波相近: 其他系数 是小量;电子能量也与自由电子能量近似 在 中 电子的近自由电子行为是由势场决定的,此种情况的势场起伏不大,中心方程中的系数 是小量。若忽略掉二级小量,中心方程简化为: 即 当 远离 时,由于 是小量,所以 也是小量,但当 时, 变得很大,此时中心方程中除 和 不能忽略外其它项仍是二级小量,可以忽略。中心方程化为: 利用: 就可得到: 由此可知,当 时,波矢k将对应两个能级, 这两能极之间的能量区间称为禁带,禁带宽度为相应傅里叶分量绝对值的二倍。 发生能量不连续的波矢 满足的条件可改写为: 在禁带中不存在布洛赫波描述的电子态。 禁带宽度 0 ? 上式的几何意义是:在 空间中从原点所作的倒格矢 的垂直平分面的方程。
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