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1、晶格振动对晶体的许多性质有影响，例如，固体的比热、热膨胀、热导等直接与晶格的振动有关。 设：原胞中只含有一个原子， 整个原子平面作同位相运动。 可以有三种振动波，一个纵向振动波，两个横向振动波.,1.3 晶格振动,1.3.1 一维原子链的的振动 1.3.2 晶体振动的量子化 1.3.3 确定晶格振动谱的实验,K或q,一、一维单原子晶格的线性振动,1.3.1 一维原子链的振动,条件： 每个原子都具有相同的质量m； 晶格常数（平衡时原子间距）为a； 热运动使原子离开平衡位置x。,设：原子间的作用力是和位移成正比，但方向相反的弹性力； 两个最近邻原子间才有作用力-短程弹性力。,xn表示第n个原子离开
2、平衡位置的位移，第n个原子相对第n+1个原子间的位移是： a+ xn xn+1- a= xn xn+1 同理：第n个原子相对第n-1个原子间的位移是： xn xn-1,第n个原子受第n+1个原子的作用力 ： Fn，n+1= -ks(xn- xn+1) 第n个原子受第n-1个原子的作用力： Fn，,n-1= -ks(xn- xn-1) 则第n个原子所受原子的总力为： F= Fn，n+1 +Fn，,n-1 得：F=ks(xn+1+xn-1-2xn),1. 原子间的作用力服从虎克定律,第n个原子运动方程： md2xn/dt2=ks(xn+1+xn-1-2xn),2. 原子间的作用力服从牛顿定律,晶格
3、中所有原子作简谐振动（或具有前进波的形式）： xn=Aexpi(t-naq)、xn=Ae i(t-naq) 、xn=Acos(t-naq) A：振幅； ：角频率； n：1，2，3，4N； aq：相邻原子的位相差； naq：第n个原子振动的位相差。 此式说明所有原子以相同的频率和相同的振幅振动。,0 1 2 3 4,3. 原子振动方程,如果第n个和n第个原子的位相之差： (qna-qna)=2s(s整数)， 即 qn-qn=2s/a时， 原子因振动而产生的位移相等，因此晶格中各个原子间的振动相互间存在着固定的位相关系 。 结果：在晶格中存在着角频率为的平面波-格波。,格波,格波：晶格中的所有原子
4、以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波。 格波的特点： 晶格中原子的振动； 相邻原子间存在固定的位相。,n,2/q=,4. 色散关系（晶格的振动谱）,色散关系：频率和波矢的关系。,（1）色散关系的数学表达式,将间谐振动方程：xn=Ae i(t-naq)代入 牛顿方程： md2xn/dt2=ks(xn+1+xn-1-2xn) 得 ： 2=1-cos(qa)2ks/m 或 =2(ks/m)1/2|sin(qa/2)| 上式为一维简单晶格中格波的色散关系（ -q的关系)，也为频谱关系。 -q的关系为周期函数。,根据函数的周期性，|qa/2|/2 即
5、 |q| /a 在此范围以外的一切q值，只是重复此范围的q值所得频率。该范围的长度正好是倒格矢的长度(|-/a |+|/a|= 2/a) 。 q的正负号说明： 正的q对应在某方向前进的波，负的q对应于相反方向进行的波。,色散关系为周期函数； 当q=0时，=0 当sin(qa/2)=1时，有最大值， 且max=2(ks/m)1/2,-2/a -/a 0 /a 2/a,max max,一维不喇菲格子振动的频谱,（2）频谱图,有： (q)= (q+2 /a) 说明波矢空间具有平移对称性,其周期为第一布里渊区边长. 由布里渊区边界 q= /a=2 / 得： / 2 = a 满足形成驻波的条件 q= /
6、a正好是布里渊区边界，满足布拉格反射条件，反射波与入射波叠加形成驻波。,入射波,反射波,一维单原子简谐振动的波函数：xn=Aeit-qna 将波矢 ： q=2s/a+q（为任意整数）代入 得 xn=Aeit- (2s/a+q )na = Aei 2sn ei(t- q na) ei 2sn=1 xn=Aeit-qna= xn,(3) 分析讨论,结论 如果q -q =2s/a （为任意整数）这两种波矢对同一种原子所引起的振动完全相同。 对应某一确定振动状态，可以有无限多个波矢q，它们之间都相差2/a的整数倍。 为了保证xn的单值性，把q值限制在(-/a, /a), 其中a是该格子的晶胞常数，该范
7、围正好在第一布里渊区。,例如：波矢q =/2a原子的振动同样可以当作波矢q =5/2a的原子的振动（ q -q =2/a）。,红线： q =5/2a, =4a/5 两相邻原子振动的位相差是2+ /2。,绿线： q =/2a，=4a 两相邻原子振动的位相差是/2。,格波与一般连续介质波的比较 相同： 振动方程形式类似 区别： 1 连续介质波中x表示空间任意一点，而格波只取呈周期性排列的格点的位置； 2 一个格波解表示所有原子同时做频率为的振动，不同原子间有位相差，相邻原子间位相差为aq. 3 二者的重要区别在于波矢的涵义（ 原子以q 与q振动一样 ，同一振动状态对应多个波矢，或多个波矢为同一振动
8、状态） 。,a,2a,2n-2 2n-1 2n 2n+1 2n+2,m,M,运动方程： md2x2n+1/dt2=ks(x2n+2-2x2n+1+x2n) Md2x2n+2/dt2=ks(x2n+3+x2n+1-2x2n+2),1. 色散关系（晶格振动谱）,双原子（ Mm）一维晶格,、一维双原子晶格的线性振动,方程的解是以角频率为的简谐振动： x2n+1=Aeit-q(2n+1)a x2n=Beit-q2na x2n+2=Beit-q(2n+2)a x2n+3=Aeit-q(2n+2)a 由牛顿方程与简谐振动方程得： -m2A=ks(e iqa+e -iqa)B-2ksA -M2B=ks(e
9、iqa+e -iqa)A-2ksA 上式可改写为：(2ks-m2)A-(2kscosqa)B=0 -(2kscosqa)A+(2ks-M2)B=0,若A、B有异于零的解，则其行列式必须等于零，,2ks-m2 -2kscosqa -2kscosqa 2ks-M2,即,得： 2=(m+M)m2+M2+2mMcos(2qa)1/2ks/mM 说明：频率与波矢之间存在着两种不同的色散关系，即对一维复式格子，可以存在两种独立的格波（对于一维简单晶格，只能存在一种 格波）。两种不同的格波各有自己的色散关系： 12=(m+M)-m2+M2+2mMcos(2qa)1/2ks/mM 22=(m+M)+m2+M2
10、+2mMcos(2qa)1/2ks/mM,由于q值限制在(-/2a, /2a) ，2qa介于 (-, ) 当 2qa= (或-)时 由 12=(m+M)-m2+M2+2mMcos(2qa)1/2ks/mM 得 (1 )最大 =(2ks/M)1/2 由 22=(m+M)+m2+M2+2mMcos(2qa)1/2ks/mM 得 (2)最小 =(2ks/m)1/2 因为 Mm， 有 (2)最小 (1 )最大 。,（2）频率的取值,当2qa=0时 由 12=(m+M)-m2+M2+2mMcos(2qa)1/2ks/mM 得 (1 )最小 =0 由 22=(m+M)+m2+M2+2mMcos(2qa)1
11、/2ks/mM 得 (2)最大= 2ks(m+m)/mM 1/2 设 =mM/(m+M) （两种原子的折合质量） 则 (2)最大=(2ks/ )1/2,(2ks/M)1/2,(2ks/m)1/2,(2ks/ )1/2,光频支2,声频支1,一维双原子复式格子的振动频谱, 复式格子两种格波的振动频率， 1支格波的频率总比2支的低。 2支格波：光学支格波（光学波）可以用红外光光来激发； 1支格波：声频支格波（声学波），可以用超声波来激发。,结 论,由 (2ks-m2)A-(2kscosqa)B=0 得 ( A/B)1=(2kscosqa)/ (2ks-m12) 因为 12 2ks/ M, cos(q
12、a)0 得 ( A/B)1 0,三、 声学波和光学波,1. 声学波,说明： 相邻两种不同原子的振幅都有相同的正号或负号，即对于声学波，相邻原子都是沿着同一方向振动，当波长很长时，声学波实际上代表原胞质心的振动。,声学波示意图,由 -(2kscosqa)A+(2ks-M2)B=0 得 ( A/B)2= (2ks-M2)/ 2kscos(qa) 因 22 2ks/ m, cos(qa)0 得 ( A/B)2 0,2. 光学波,说明：对于光学波，相邻两种不同原子的振动方向是相反的。,当q很小时，即波长很长的光学波（长光学波）， cos(qa)1， 又 22=2ks/ ， 由 -(2kscosqa)A
13、+(2ks-M2)B=0 得 ( A/B)2 =-M/m mA+MB=0,说明：原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，光学波代表原胞中两个原子的相对振动。,声学波与光学波的比较,说明：带异性电荷的离子间的相对振动产生一定的电偶极矩，可以和电磁波相互作用。且只和波矢相同的格波相互作用，如果有与格波相同频率的电磁波作用，发生共振。,-/2a 0 /2a q,光波=coq,共振点,四、 周期性边界条件（波恩卡门边界条件）,由振动 波函数单值的要求，对波矢的取值范围进行了限定:一维不喇菲格子，q介于(-/a, /a)之间;一维双原子的复式格子，q介于(-/2a, /2a)之间.,波恩和卡门把边界对
14、内部原子的振动状态的影响考虑成如下面所述的周期性边界条件模型（包含N个原胞的环状链作为有限链的模型）： 包含有限数目的原子，保持所有原胞完全等价。 如果原胞数N很大使环半径很大，沿环的运动仍可以看作是直线的运动。 和以前的区别：需考虑链的循环性。即原胞的标数增加N，振动情况必须复原。,一维链的波恩卡曼边界条件,xn=Aeit-qna xn+N= Aeit-q(n+N)a= Aeit-qna ei-qNa 由于 xn= xn+N 有 ei-qNa=1 即 Nqa=2h, （h为整数），或q= 2h/Na q介于(-/a, /a)之间，或 -/a q /a 得 - N/2 h N/2,说明: h只能取由-N/2到N/2，一共有N个不同的数值。 -N/2 h N/2 ,q是均匀取值。,由N个原胞组成的链，q可以取N个不同的值，每个q对应着一个格波，共有N个不同的格波，N是一维单原子链的自由度数，即得到链的全部振动模（或振动状态数）。 同理：可得两种复式格子的q取值个数为N.,结论,晶格振动是晶体中诸原子（离
