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布里渊区的几何定义和性质:固体物理学习指导及习题集

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:并且除了简约布里渊区外,其他布里渊区并不是单联通区域,布里渊区的序号越大,分割出的区域越多。现在先理解概念,掌握简约布里渊区的画法即可。

布里渊区的几何定义和性质:固体物理学习指导及习题集

1.布里渊区的几何定义

在倒格子空间中,从原点出发作各倒格点的垂直平分面(线或点),这些面围绕原点构成一层层的多面体(多边形或对称图案),称最内层的多面体(一般是单连通区域)为第一布里渊区(亦称简约布里渊区或中心布里渊区),向外第二层区域(可能不连通)为第二布里渊区,依次类推。

注:1930年,布里渊在研究能带中电子能量的时候,发现当电子几率波的波矢k 越过倒易格矢量的中垂面的时候,电子能量在界面上发生不连续的变化。所以,布里渊提出用倒易格矢的中垂面来划分波矢空间的区域,从而可以更清晰地分析电子的能带。布里渊区在晶格振动和能带理论中是非常重要的物理概念。

2.布里渊区的几何性质

(1)第一布里渊区的体积等于倒格子原胞的体积,即Ω*=

(2)布里渊区的形状与晶体结构有关,如简立方晶格的第一布里渊区是边长为立方体,体心立方的第一布里渊区是一个十二面体。

(3)各个布里渊区的形状都是关于原点对称的。并且除了简约布里渊区外,其他布里渊区并不是单联通区域,布里渊区的序号越大,分割出的区域越多。但各布里渊区的体积(或面积)均与简约布里渊区的体积(或面积)相等。

3.布里渊区的物理性质

(1)任何类型的波通过晶格传播时,其能量或频率在布里渊区内部是连续的,在布里渊区边界上是不连续的,往往造成反射。(www.xing528.com)

(2)在第一布里渊区以外的波矢的能量(或频率),可以由第一布里渊区内的能量(或频率)来确定。

(3)简约布里渊区中的波矢k 数目等于晶体的原胞数,因而简约布里渊区中所能容纳的电子态数为2N。

(4)玻恩-卡门边界条件指出,晶格上的波ψ(r)在晶体边界上具有周期性,这样可以得到关于波矢k 的很漂亮的表达式。这在第四章会详细讲解。

4.布里渊区的几何作图法(布里渊区的边界面是倒格矢的垂直平分面)

根据晶体结构,作出该晶体的倒易空间点阵。任取一个倒格点为原点,由近到远作各倒格矢的垂直平分面,在原点周围围成一个包含原点在内的最小封闭体积,即为简约布里渊区或第一布里渊区。简约布里渊区就是倒易空间中的W-S 原胞。第一布里渊区界面与次远垂直平分面所围成的区域(一般不再是单连通区域)即为第二布里渊区,依次往外还可以得到更多布里渊区。

要画出部分复杂晶格的布里渊区,有时也要用到布里渊区的界面方程。设倒易空间中一矢量为k,因其端点落在布里渊区的界面上,而该界面又垂直平分倒格矢Kh,因此有

注:布里渊区的运用在后续章节会成为重点。现在先理解概念,掌握简约布里渊区的画法即可。三维复杂晶格的布里渊区通过尺规作图难以描绘,常常运用数学软件进行研究。

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