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文檔簡介
晶格的熱傳導1、晶格的熱傳導1.
晶格熱傳導考慮一各向同性、
均勻的絕緣棒,沿x方向放置。熱傳導規(guī)律:
jq
K
(K為熱導率)用聲子的輸運過程半定量地說明晶格的熱傳導。在一定溫度下,頻率為wj
的聲子的平均聲子數(shù)為1n
hwj
exp
kB
T
1jj對于大多數(shù)固體,
溫度變化時,其體積變化不大,因此可將
在靜止晶格的平衡體積V0展開
V
只保留DV的一次項,有:
V
g
V
g
E
g
E
V0
V0
V
K0
V
V0
V0V0
V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0
非簡諧應K0
V0
為靜止晶格的壓縮模量當溫度變化時,上式右邊主要是振動能發(fā)生變化,對溫度求微商可得體積膨脹系數(shù):0對許多固體材料的測量結果證實了Grüneisen定律,
g的值一般在1~2之間。0VV0a
g
CV
——
Grüneisen定律
K
V由于g與晶格振動的非簡諧性有關,若晶格振動是嚴格的簡諧振動,就不會有熱膨脹。以雙原子分子為例來定性討論熱膨脹問題。受力:
f
向左運動:
較大r向右運動:
較小dudrdudr(r)0ur0
S2
S
S
T2
(設T1
>
T2
)T1由wi聲子所貢獻的熱流為
v0
n1i
n2i
hwi總熱流密度:jq
v0
n1i
n2i
hwi
v0
2l
hwiii11dT3
0
V
dx3
V
0影響聲子平均自由程的主要因素有:v聲子與聲子間的相互散射;v固體中的缺陷對聲子的散射;v聲子與固體外部邊界的碰撞等。jq
v0l
ni
hwi
dx
1
v
C
l
dTi比較得K
1
C
v
l2.
聲子間相互作用對聲子平均自由程的影響由于晶格振動非簡諧性,
不同格波間可以交換能量,才能達到統(tǒng)計平衡的。用“聲子”語言表述,不同格波間的相互作用,表示為聲子間的
“碰撞”
。在熱傳導問題中,聲子的碰撞起著限制聲子平均自由程的作用。聲子間的相互碰撞必須滿足能量守恒和準動量守恒。以兩個聲子碰撞產(chǎn)生另一個聲子的三聲子過程為例。a.
聲子間的相互作用
hq1
hq2
hq3
hGnlGn=0
,
hq1
hq2
hq3——
正規(guī)過程,或N過程(Normal
Processes)N過程只改變動量的分布,而不改變熱流的方向,不影響聲子的平均自由程,
這種過程不產(chǎn)生熱阻。hw
q1
hw
q2
hw
q3
lGn10
,
hq1
hq2
hq3
hGn——
翻轉(zhuǎn)過程或U過程(Umklapp
Processes)。在U過程中,聲子的準動量發(fā)生了很大變化,從而破壞了熱流的方向,
限制了聲子的平均自由程,
所以U
過程會產(chǎn)生熱阻。q1Gq1+q20q2q3nb.
溫度對聲子平均自由程的影響v高溫下,即T>>
QD
時,對于所有晶格振動模式,有
1
kB
T
exp
1
hwj這時,平均自由程與T成反比。而高溫下,晶格熱容為常數(shù),
與T無關。所以,熱導率K與溫度T成反比。
jnnj
當溫度下降時,聲子的平均自由程迅速增大。對l起限制作用的是聲子碰撞的U過程,
而U過程必須有?q
?可以與倒格子原胞的尺度相比擬的短波聲子的參與才可能發(fā)生。低溫下聲子平均自由程的增大是由于U過程中必須參與的短波聲子數(shù)隨溫度的下降而急劇減少的結果。v低溫下,即T<<
QD
時,聲子間相互作用所限制的平均自由程與溫度的關系為
l
exp
a
TDa介于2~3之間。形成一個Frenkel缺陷要比形成一個空位所需的能量多些,因而也更難些??瘴缓虵renkel缺陷的成因都是由于晶格原子的熱振動,因此這兩種點缺陷也稱為熱缺陷。Frenkel缺陷:
空位——間隙原子對2.
Frenkel缺陷3.
雜質(zhì)原子當晶體中的雜質(zhì)以原子狀態(tài)在晶體中形成點缺陷時,稱為雜質(zhì)原子。?替位式雜質(zhì)(代位式雜質(zhì))K+Cl-
K+
Cl-
K+
Cl-K+Cl-
K+
Cl-
K+
Cl-Cl-K+
Cl-
K+
Cl-
K+?
填隙式雜質(zhì)?
缺位式雜質(zhì)Cl-K+
Cl-Cl-K+
Cl-K+K+Cl-Cl-K+K+Ca2+4.
色心色心的產(chǎn)生
如將NaCl晶體放在Na金屬蒸氣中加熱,然后再驟冷至室溫,就可在NaCl晶體中產(chǎn)生色心。Na+
Cl-
Na+
Cl-
Na+
Cl-Cl-
Na+
Cl-
Na+
Cl-
Na+Na+
Cl-
Na+
-e
Na+
Cl-Cl-
Na+
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