固體物理學(xué) 課件 第6章 能帶理論6.1節(jié)

固體物理學(xué)主講教師：胡建民哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院1第六章能帶理論2經(jīng)典的自由電子理論量子的自由電子理論金屬的熱容理論導(dǎo)電和導(dǎo)熱問題熱容問題：失敗索末菲自由電子模型電子熱容晶格熱容能帶理論導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電性差異？第六章能帶理論3周期場中的單電子布洛赫定理緊束縛近似法能帶論的基本模型求解能帶的方法近自由電子近似法布洛赫電子的準(zhǔn)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型4固體中的微觀粒子滿足薛定諤方程體系的哈密頓量電子動(dòng)能電子離子互作用勢(shì)能電子間的相互作用勢(shì)能多種粒子的多體問題離子動(dòng)能第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型5絕熱近似(Born-OppenheimerApproximation)多種粒子的多體問題簡化為離子勢(shì)場中的多電子問題電子運(yùn)動(dòng)方程核運(yùn)動(dòng)方程1927年，由玻恩和他的學(xué)生奧本海默提出第六章能帶理論玻恩-奧本海默近似MaxBornJuliusRobertOppenheimer6第六章能帶理論RobertOppenhaimer7第六章能帶理論奧本海默與曼哈頓計(jì)劃8第六章能帶理論91945年7月15日凌晨5點(diǎn)30分，世界上第一顆原子彈在新墨西哥州阿拉莫戈多沙漠試爆成功；8月6日和9日，美國分別在日本的廣島和長崎投下了原子彈；8月15日，日本天皇于宣布無條件投降，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束；中國戰(zhàn)場為二戰(zhàn)勝利起到巨大作用。第六章能帶理論10第六章能帶理論11第六章能帶理論12和平是人類最大的福祉！第六章能帶理論1927年，玻恩-奧本海默提出：絕熱近似（Periodicptentalapproximation）離子實(shí)和傳導(dǎo)電子模型內(nèi)層電子外層電子距核近/作用強(qiáng)構(gòu)成離子實(shí)距核遠(yuǎn)/受屏蔽/作用弱傳導(dǎo)電子離子實(shí)運(yùn)動(dòng)特別慢，傳導(dǎo)電子運(yùn)動(dòng)特別快！13第六章能帶理論1927年玻恩-奧本海默提出：絕熱近似（Periodicptentalapproximation）離子速度特別低和電子速度特別高研究離子實(shí)研究傳導(dǎo)電子電子高速運(yùn)動(dòng)離子實(shí)近似靜止例如：人從高處跳到地球上快速響應(yīng)離子運(yùn)動(dòng)14第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型15周期場近似簡化為離子周期勢(shì)場中運(yùn)動(dòng)的多電子問題孤立原子中電子的勢(shì)能一維晶格中電子的勢(shì)能第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型16平均場近似(Hatree-FockApproximation)簡化為周期場中運(yùn)動(dòng)的單電子問題體系的薛定諤方程第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型17周期場足夠弱的情況周期場足夠強(qiáng)的情況電子完全被原子束縛，分立的孤立原子能級(jí)電子近似為自由電子，能級(jí)是準(zhǔn)連續(xù)的晶格周期場中的單電子能級(jí)既不同于金屬的準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)，也不同于孤立原子的分立能級(jí)，表現(xiàn)為能帶結(jié)構(gòu)第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型18能帶理論可行性和局限性可行性：在于有效性，理論計(jì)結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)局限性：不是終極理論1計(jì)及電子間的相互作用，體系看作電子液體；考慮電子的集體運(yùn)動(dòng)行為---等離激元2考慮電子與離子間較強(qiáng)的相互作用引起晶格畸變產(chǎn)生晶格極化場，電子攜帶極化場一起運(yùn)動(dòng)---極化子第六章能帶理論第一節(jié)能帶論的基本模型19求解能帶的近似方法只有克龍尼克-潘納周期方勢(shì)阱能夠準(zhǔn)確求解。1928年：瑞士物理學(xué)家布洛赫(Bloch)提出關(guān)于周期場中電子運(yùn)動(dòng)的布洛赫定理。布洛赫定理表明：固體中電子的能量分布呈現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)。第六章能帶理論第一節(jié)能帶