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电子工程物理基础(3)
第3章 晶体中的电子状态3.1 金属中的电子3.2 晶体中的电子-普遍解3.3 晶体中的电子-具体解3.4 外界作用下的电子
基本思想:假设金属中的电子是不受任何外力、彼此之间也无相互作用的自由电子。于是,可用三维无限深势阱模型来描述。一. 金属电子气3.1 金属中的电子
采用周期性边界条件:
K的分量具有如下形式:
考虑了边界条件的限制,波矢k是由一组量子数(nx,ny,nz)给定的. 在k-空间,每个许可的k可由一个点代表.这些点是均匀分布的.
单位能量间隔中的状态数:二. 电子的统计分布1. 能态密度
2. 费米能T=0K时:T≠0K时:
三.电子的热容量若电子气有N个自由电子,每个电子的平均能量金属的热容量=电子热容+晶格热容电子热容:
其中:于是电子热容量为
N个电子构成的系统,电子热容量(低温下)N个原子构成的系统,晶格热容量
第3章 晶体中的电子状态3.1 金属中的电子3.2 晶体中的电子-普遍解3.3 晶体中的电子-具体解3.4 外界作用下的电子
一. 全模型3.2 晶体中的电子-普遍解-----多粒子薛定谔方程考虑了实际晶体中电子与电子、电子与原子核、原子核与原子核之间的相互作用后,晶体电子的运动可用多粒子薛定谔方程描述,在此称为全模型。包括所有电子的动能项和势能项包括所有原子的动能项和势能项电子和原子核之间的的互作用项求解困难!!!简化
周期性排列的离子产生的势场其它所有电子产生的势场离子、电子之间存在相互作用---多体问题单电子问题简化实际晶体中的电子势场3.2 晶体中的电子-普遍解二. 近似和简化
结论:晶体中每个电子都在与晶格相同的周期势场中运动。假设晶体中的离子实是固定不动的—绝热近似每个电子之间的相互作用可用某种平均作用来替代所有离子势场+其它电子的平均场=周期性势场孤立原子大量原子形成晶体
三. 布洛赫函数若 晶体中的电子满足薛定谔方程:
那么,其中称为布洛赫函数。晶体中每个电子都在与晶格相同的周期势场中运动。这样的电子称布洛赫电子。
描述了晶体电子的共有化运动描述了晶体电子围绕原子核的运动特点:(1)(2)
第3章 晶体中的电子状态3.1 金属中的电子3.2 晶体中的电子-普遍解3.3 晶体中的电子-具体解3.4 外界作用下的电子
1. 薛定谔方程的建立 基本思想:晶体中的电子在很弱的周期势场中运动,电子的运动情况很象自由电子,很弱的周期势场对电子状态的影响可以用微扰理论处理.一维情况:一. 准自由电子模型
适当选择零点,使V0=0,则
考虑周期性边界条件,得
2. 非简并微扰
讨论:(1)波函数符合布洛赫定理
(3)考虑了微扰作用后,得到的结果是在原来零级波函数 中将掺入与它有微扰矩阵元 的其它零级波函数 .而且,它们的能量差 越小,掺入的成分就越大。(2)波函数由两部分叠加而成,第一部分是波矢为k的前进平面波;第二部分是该平面波受到周期场作用而产生的散射波….
(4)非简并微扰适用条件
3. 简并微扰.
对于状态只需考虑状态的影响
代入薛定谔方程,并经过一定的数学运算后,得到如下两个线性代数方程式:设满足薛定谔方程的零级波函数:
简并情况下,有
E+~△2: 开口向上 的抛物线E-~△2: 开口向下 的抛物线
能带形成
对称性E(k)=E(-k)一维能带结构的三种不同表示 周期性
1. 薛定谔方程的建立基本思想:电子在一个原子附近时,将主要受到该原子场的作用,把其它原子场的作用看成是微扰作用。第m个原子的势函数晶体的势函数二.紧束缚近似模型
晶体中位于r处电子满足的薛定谔方程:第m个孤立原子满足的薛定谔方程:
将方程(2)看作0级近似,环绕不同的格点,将有N个类似的波函数,它们具有相同的能量Ei,也就是说是N重简并.这实际上是把原子间相互影响看做微扰的简并微扰方法. 代入方程(2),有
最后写成:其中:
原子中电子能级晶体中电子能带EiEn2.结果分析
只考虑最近邻格点的互作用,
例,用紧束缚模型求正方格子晶格s态电子的能带表示式ajai正格子空间ABC倒格子空间kxky0
三.能带的其他近似算法1. 正交平面波(OPW)方法近自由电子模型和禁束缚模型的结合:价电子出现在离子实区域时,受到很强的局域势的作用,波函数与原子波函数类似,会急剧振荡,但是当在离子实区域之外时,离子实的作用逐渐减弱,波函数较平滑价电子的波函数再由正交化平面波来构造由正交条件决定
2. 赝势法赝势法是基于OPW方法发展起来的,在相互作用的粒子系统中引入赝势的办法可使问题简化。把离
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