固体物理004-1.pptVIP

本章要求 （1）熟练掌握自由电子模型和紧束缚近似的方法； （2）基本掌握布洛赫定理，周期性边界条件，布洛赫定理的含义及应用； （3）基本掌握一、二、三维的态密度、能态密度，费米面的计算； （4）了解一维周期场中电子运动的近自由电子近似方法、能隙的计算； （5）了解束缚近似——原子轨道线性组合法的近似方法、能带的计算。 04_01_布洛赫定理 —— 能带理论 第四章 能带理论 能带理论 —— 研究固体中电子运动的主要理论基础 能带理论 —— 定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点 —— 晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子的间距 —— 能带论提供了分析半导体理论问题的基础，推动了半导体技术的发展 —— 随着计算机技术的发展，能带理论的研究从定性的普遍性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算 —— 说明了导体、非导体的区别 能带理论是单电子近似的理论 —— 把每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动 单电子近似 —— 最早用于研究多电子原子__ 哈特里－福克 自洽场方法 能带理论的出发点 —— 固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动 ___ 共有化电子 共有化电子的运动状态 —— 假定原子实处在其平衡位置，把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰 理想晶体 —— 晶格具有周期性，等效势场V(r)具有周期性 基本近似 ： 1．绝热近似：由于原子实的质量是电子质量的103～105倍，所以原子实的运动要比价电子的运动缓慢得多，于是可以忽略原子实的运动，把问题简化为n个价电子在N个固定不动的周期排列的原子实的势场中运动，即把多体问题简化为多电子问题。 2．单电子近似：原子实势场中的n个电子之间存在相互作用，晶体中的任一电子都可视为是处在原子实周期势场和其它（n－1）个电子所产生的平均势场中的电子。即把多电子问题简化为单电子问题。 由于晶体结构的周期性，使我们有理由认为：晶体中的每个价电子都处于一个完全相同的严格周期性势场之内。于是求解晶体中电子的能量状态的问题——能带论就归结为求解这样一个周期性势场内的单电子薛定谔方程的问题。 即需求解单电子定态薛定谔方程： ?2?＋[E－V(r)]?＝0 （4－1） 其中V(r) 是势函数，V(r)=V(r+Rn), Rn为正格矢，所以能带论即是周期场中的单电子理论。 问题的关键：V(r)＝？ 只要给定 势能，剩下只是数学问题，但 是怎样选取有效的势能是深入的能带理论 要解决的关键问题，我们暂时将不考虑势能的具体形式，只强调其共性，即周期性。 §4－1 固体电子的共有化和能带 原子的能级： 原子中的电子在原子核的势场和其它 电子的作用下，分列在不同的能级上，形 成所谓电子壳层，不同支壳层的电子分别 用1s; 2s, 2p; 3s, 3p, 3d; 4s……等符号表示， 每一支壳层对应于确定的能量。 当原子相互接近形成晶体时，不同原 子的内外各电子壳层之间就有了一定程度 的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内 壳层交叠较少，组成晶体后，由于电子壳 层的交叠，电子不再完全局限在某一个原 子上，可以由一个原子转移到相邻的原子 上去，因而电子可以在整个晶体中运动。 这种运动成为电子的共有化运动。 注意：因各原子相似壳层上的电子 才有相同的能级，电子只能在相似壳层间 转移。因此，共有化运动的产生是由于不 同原子的相似壳层间的交叠。例：2p支壳 层的交叠，3s支壳层的交叠。也可以说， 结合成晶体后，每一个原子能引起“与之相 应”的共有化运动。例：3s能级引起“3s”的 共有化，2p能级引起“2p”的共有化运动， 等等。由于内外壳层交叠程度很不相同， 所以只有最外层电子的共有化运动才显著。 以Na晶体为例： 设想N个Na原子按Na晶体的体心立方晶格在空间排列，但近邻原子间的距离R比实际Na晶体的晶格常数a大得多，原子间的相互作用可以忽略。两个原子的所有电子都被厚为R ? a的势垒隔开，电子几乎不可能从一个原子跑到另一个原子去。例如当R?30A时，严格计算表明，大约要等1020年，电子才能从一个原子转移到另一个原子一次。 R?a的情况：系统的势能曲线和电子云 当R→a时： 各个原子的电子势垒发生了两个明显的变化： 一是势垒宽度大为减小； 二是势垒高度明显下降。 对于Na的价电子（3s），已不存在势垒。它可以自由地在整个晶体中运动，即它为整个固体所共有，不再属于个别原子。这种共有化现象不仅表现在能级在势垒以上的价电子，对于2p，2s电子由于势垒变薄变低，通过隧道效应，也在一定程度上共有化