黄昆固体物理习题 第四章 能带理论ppt课件.pps
4.1 根据 状态简并微扰结果,求出与 及 相应的波,函数 及 ,并说明它们的特性,说明它们都代表驻波,并比较两个电子云分布 说明能隙的来源(假设 ).,解： 令 ,简并微扰波函数,取,带入上式,其中,第四章 习题参考解答, 从上式得到 ,于是,取,得到,由教材可知, 及 均为驻波。,电子波矢 时,电子波的波长,恰好满足布拉格发射条件，这时电子波发生全反射，并与反射波形成驻波由于两驻波的电子分布不同，所以对应不同能量。,4.1题解答完毕,4.2 写出一维近自由电子近似，第n个能带（n=1,2,3）中 简约波矢 的零级波函数,解： 一维近自由电子近似中，用简约波矢表示的波函数,( 为简约波矢),代入 得到,对于第一个能带,第n个能带零级波函数：,简约波矢：,则有,对于第二个能带：,对于第三个能带,4.2题解答完毕,4.3 电子在周期场中的势能函数,且a=4b，是常数。（1) 画出此势能曲线，并计算势能的平均值；（2) 用近自由电子模型计算晶体的第一个和第二个带隙宽度 。,解：由已知条件画出势能曲线,（1）势能曲线,势能的平均值为：,令,第一个带隙宽度,第二个带隙宽度,（2）带隙宽度,4.3题解答完毕,4.4 用紧束缚近似求出面心立方晶格和体心立方晶格s态原子能级相对应的能带 函数,先求面心立方晶格s态原子能级相对应的能带Es（k）函数，利用公式：,解：,s原子态波函数具有球对称性，则：,取任选取一个格点为原点，最近邻格点有12个,代入能量公式,类似的表示共有12项，归并化简后，得到面心立方s态原子能级相对应的能带为：,对于体心立方格子，任选取一个格点为原点有8个最邻近格点，最近邻格点的位置为：,类似的表示共有8项,归并化简后得到体心立方s态原子能级相对应的能带,代入能量公式,4.4题解答完毕,M点的布洛赫波为:,4.5 题略p582,在只考虑S态电子的情下，由一维简单晶格的布洛赫波为：,解： S态原子对应的能带函数,其中矩阵元:,所以此时久期方程变为:,其中,由于原子波函数 满足薛氏方程：,晶体的哈密顿量写成H，所以矩阵元,即,4.5题解答完毕,(2),解：(1),=,4.6 题略,4.6题解答完毕,解：只计入最近邻格点原子的相互作用时，s态原子能级相对应的能带函数表示为：,4.7 有一一维单原子链，原子间距a，总长度为LNa1) 用紧束缚近似方法求出与原子s态能级相对应的能带函数2) 求出其能带密度函数 的表达式3) 如每个原子s态中只有一个电子，计算T=0K时的费密能级 和 处的能态密度,对于一维情形, 任意选取一个格点为原点，有两个最近邻的格点，坐标为：a和a,能带密度函数的计算,对于一维格子，波矢为 具有相同的能量此外考虑到电子自旋有2种取向，在dk区间的状态数为：,能带密度,T=0K的费密能级计算：,总的电子数,其中,T=0K的费密能级,T=0K费密能级处的能态密度,4.7题解答完毕,4.8 （1）证明一个简单正方晶格在第一布里渊区顶角上的一个自由电子动能比该区一边中点大2倍。（2）对于一个简单立方晶格在第一布里渊区顶角上的一个自由电子动能比该区面心上大多少? （3） 第二问的结果对于二价金属的电导率可能会产生什么影响 。,解(1) 设简单正方晶格的晶格常数为a，倒格子基矢为：,区边中点A的波矢为： ,自由电子能量为：,角顶B点的波矢为：,如图所示，第一布里渊区仍然为一个正方形,A点能量为：,B点能量,(2)简单立方晶格的晶格常数为a，倒格子基矢为,可见， B =2A，即第一布里渊区顶角上的一个自由电子动能比该区一边中点大2倍。,面中心点A的波矢为：,因为自由电子能量为：,角顶B点的波矢为：,如图所示，第一布里渊区仍然为一个立方体，立方体中心为O点。,B,A,A点能量为：,B点能量为：,所以,(3)第二问的结果对于二价金属的电导率可能会产生什么影响？,如果二价金属具有简单立方品格结构，布里渊区如图所示，根据自由电子理论，自由电子的能量为 ，Fermi面应为球面。,由(2)可知，内切于4点的内切球的体积 ，于是在K空间中，内切球内能容纳的电子数为 ： 其中,二价金属每个原子可以提供2个自由电子，内切球内只能装下每原子1.047个电子，余下的0.953个电子可填入其它状态中。如果布里渊区边界上存在大的能量间隙，则余下的电子只能填满第一区内余下的所有状态(包括B点)。这样，晶体将只有绝缘体性质。然而由(2)可知，B点的能量比A点高很多，从能量上看，这种电子排列是不利的。事实上，对于二价金属，布里渊区边界上的能隙很小，对于三维晶体，可出现一区、二区能带重迭这样，处于第一区角顶附近的高能态的电子可以“流向”第二区中的能量较低的状态，并形成横跨一、二区的球形Fermi面。因此，一区中有空态存在，而二区中有电子存在，从而具有导电功能。实际上，多数的二价金属具有六角密堆和面心立方结构，能带出现重达，所以可以导电。,4.8题解答完毕,半金属的能带1和能带2,能带1的能态密度,同理能带2的能态密度,半金属如果不发生能带重合，电子刚好填满一个能带，由于能带交叠，能带 1 中的电子填充到能带 2 中，满足,4.9题解答完毕,4.10 题略,设,则,所以,设铜的晶格常数为a,则对于面心立方晶体中,解：,计算得到,即 时费米球与第一布里渊区边界相切,面心立方结构的倒格基矢构成的体心立方的边长为,当 时即为所求 ：,面心立方的倒格子为体心立方,4.10题解答完毕,4.11 三维简单立方晶格，立方原胞边长为a，试用简约布里渊区表示自由电子的能量，定性画出沿GX轴与六个近邻倒格点相对应的自由电子的E(k)函数。,解：简单立方晶格的6个近邻格点坐标为,因为用简约布里渊区，且沿GX轴轴，则,自由电子能量：,六个近邻倒格点的自由电子的E(k)函数：,六个近邻倒格点为：,4.11题解答完毕,4.12 设有二维正方晶格，晶体势场,用近自由电子近似的微扰论近似求出在布里渊顶角(/a, /a)处的能隙,解：晶体布里渊顶角(/a, /a)处的能隙,近自由电子近似中，势能函数的第n个傅里叶系数,晶体势场：,布里渊顶角,代入,布里渊顶角 处的能隙,4.12题解答完毕,4.13. 证明面心立方晶体的S带紧束缚近似下的E(k)函数，在沿着布里渊区几个主对称轴方向，可以约化成以下形式。沿FX 沿FL 沿FK沿FW,解：面心立方的12 个近邻格点为,所以,将各个方向给定的k值代入即得：,(1) X,(2) L,(3) K,(4) W,本章习题完毕,
