固体物理倒格矢

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固体物理学:倒格子

固体物理学:倒格子

相同。
这种周期函数可以V展(开r)为傅立叶V级 e数iGr G
G
V (r R)
V
eiG(r
R
)
V (r )
G
G
则要求 G R 2m (m为整数)
G R G.(n1a1 n2a2 n3a3) 2m

G a1 h1 2
h1 h2 h3 都是整数
G
a2
h2 2
G 称为倒格子平移矢量,简称倒格矢。
由a1 ,a2 ,a3 形成的格子称正格子。 称R 为正格子平移矢量,简称正格矢。
每个格子有两套格子即,正格子和倒格子。
b1
b2
b3
2
V
2
V
2
V
(a2
(a3 (a1
a3 )
a1 )
a2 )
V a1 (a2 a3 )
是原胞的体积
的法线方向
(4)倒格子矢量与面间距的关系
[1]倒格子基矢与正格子基矢的关系------两个基矢正交

Gh1h2h3
h1b1 h2b2
所以,Gh1h2h3 • Rl1l2l3 (h1b1
h3b3 h2b2
h3b3 )

(n1a1
n2a2
n3a3
)
由此推论:
பைடு நூலகம்i

aj
2m 2 ij
[2]倒格子与正格子的原胞体积的关系
一系列规则排列的点,这些点排列的规律性只决定于函数
F(r)的周期性而与函数的具体形式无关。我们把在傅里叶
空间中规则排列着的点的列阵称为倒格子点阵(或倒易点
阵)。
倒格子点阵是晶体结构周期性在傅里叶空间中的数学

固体物理03-倒格子空间

固体物理03-倒格子空间

4
dr
nj
(r )r 2
sin Gr Gr
实验发现固体中的原子形状因子与自由原子的差别不大
其它实验手段
1. 电子衍射 (动量空间)
与X射线相比,电子波长更短,所以更加精确;更容易被物体吸收适 合于研究微薄膜、小晶体。
2. 中子散射 (动量空间)
可以测量晶体磁结构
3. 扫描隧道显微镜(实空间,表面)
S v1v2v3 f {1 exp i v2 v3 exp i v1 v3 exp i v1 v2 }
S 4 f 所有指数均为奇数,或均为偶数 S 0 其它情况
面心立方 的x-ray 散射图像
原子形状因子 f j dV n j (ρ)eiGρ
对自由原子:
f j 2 dr r 2 d cos n j exp(iGr cos )
j
ρ r rj
定义原子的形状因子 f j dV n j (ρ)eiGρ
结构因子
化简后可以得到晶体的结构因子
SG
f eiGr j j
j
对于第 j 个原子
G rj v1b1 v2b2 v2b2 x ja1 y ja2 z ja3 2 v1x j v2 y j v3z j
散射幅度
SG
dV n(r)eiGr
cell
结构因子
结构因子
假设晶胞中有 s 个原子,可以把原胞中的电荷密度分配到每一 个原子上(分配方法不唯一),即:
s
n(r) n j (r rj )
j 1
SG
cell dV n j (r r j )eiGr
j
eiGrj cell dV n j (ρ)eiGρ
晶体点阵的Fourier变换,晶体点阵则是倒易点阵的Fourier逆 变换。正格子的量纲是长度 L, 称作坐标空间,倒格子的量钢是 长度的倒数 L-1,称作波矢空间(或称动量空间)。

简述倒格子点阵的物理意义

简述倒格子点阵的物理意义

简述倒格子点阵的物理意义
倒格子点阵是固体物理学中的一个重要概念,用于描述晶体中离子、原子或分子的排列方式。

它表示了晶体中离子在晶格中的周期性排列。

倒格子点阵在物理意义上具有以下重要特征:
1.倒格子与晶体结构的相互关系:倒格子是晶体格矢的补格。

晶体格矢是描述晶体结构的向量,而倒格子则是晶格矢的傅里叶变换。

倒格子点阵的形状和大小与晶体结构紧密相关。

2.表征晶体的动量空间:倒格子点阵的形成使得晶体在动量空间中的结构得以描述。

晶体具有动量离散化的性质,电子、声子等载流子在动量空间中的行为可以通过倒格子点阵的形态和性质来理解和
分析。

3.描述布里渊区和能带结构:倒格子点阵的布里渊区(Brillouin Zone)是动量空间中与晶格有关的基本单元。

布里渊区的形状和大小直接决定了电子能带结构、光学性质和输运特性等重要物理现象。

4.反映物质衍射性质:倒格子点阵的概念是描述晶体衍射的基础。

实验中利用晶体的衍射现象可以确定物质的结构和性质,倒格子点阵提供了理论上的基础框架。

倒格子点阵在固体物理学中具有重要的物理意义,它是描述晶体结构和性质的关键概念,并与动量空间、能带结构、衍射性质等密切相关。

通过倒格子点阵的分析,可以深入理解晶体的属性和行为,为研究材料科学和固体物理学提供了有力的工具和理论基础。

固体物理§1.5倒格子

固体物理§1.5倒格子

r r r Kh ⊥ CA Kh ⊥ CB ⇒ Kh ⊥ 晶面 ABC。 ,
9
r 3.倒格矢 Kh和面间距的关系 倒格矢 晶面ABC为晶面族中最靠近原点的晶面。 为晶面族中最靠近原点的晶面。 晶面 为晶面族中最靠近原点的晶面
dh1h2h3 r a1 = ⋅ h1
r r r r r Kh a1 ⋅ h1b1 + h2b2 + h2b3 r = r Kh h1 Kh
( Ω Ω=2π )

3
3 r r r (2π ) (a a ) [(a a ) (a a )] r r r r r r ∗ Ω = b1 ⋅ (b2 × b3 ) = 2× 3 ⋅ 3× 1 × 1× 2 3 Ω r r r r r r r r r 利用: A 利用: × (B × C) = ( A⋅ C)B − ( A⋅ B)C r r r r r r r r r r r r r (a3 × a1 ) × (a1 × a2 ) = [(a3 × a1 ) ⋅ a2 ]a1 − [(a3 × a1 ) ⋅ a1 ]a2 = Ωa1
1
2.倒格子基矢和正格子基矢之间的关系 倒格子基矢和正格子基矢之间的关系
r r r r r r 正格子基矢: a 正格子基矢: 1、a2、a3;倒格子基矢: 1、b2、b3; 倒格子基矢: b
晶面族: a d 晶面族: 1a2、a2a3、a3a1的面间距分别为 3、d1、d2;
r b3
r a3
r b2
3.倒格矢和正格矢的关系 倒格矢和正格矢的关系
r r r r r r r r Kh ⋅ Rl = (l1a1 + l2a2 + l3a3 ) ⋅ (h b1 + h2b2 + h3b3 ) 1 = 2πµ (µ为整数)

固体物理03-倒格子空间

固体物理03-倒格子空间

实空间点阵
简立方
a1 a i, a2 a j, a3 a k
倒空间点阵
简立方
2
2
2
b1 a i, b2 a j, b3 a k
2 a 2
a
2 a
四方晶格
简单点阵的倒易点阵也是简单点阵。 正格子的基矢越长,倒格子的基矢越短,反之亦然。
六角点阵
正格子空间六方结构,在倒格子空间亦为六方结构。 不过其基矢尺寸关系发生变化,基矢方向也转了30度。
k 2 2k G G 2 k 2
2k G G 2 (G 和 –G 都是倒格矢)
G
衍射方程(也是布里渊区的边界方程)
k
k ·(G/2)=(G/2)2
Ewald 图解法
1. 选择原点以入射 k 矢长度 为半径作圆,保证另一端 点在倒格矢上。
2. 连接从原点到与圆相交的 所有倒格矢的波矢k’都能 发生衍射。
4
dr
nj
(r )r 2
sin Gr Gr
实验发现固体中的原子形状因子与自由原子的差别不大
其它实验手段
1. 电子衍射 (动量空间)
与X射线相比,电子波长更短,所以更加精确;更容易被物体吸收适 合于研究微薄膜、小晶体。
2. 中子散射 (动量空间)
可以测量晶体磁结构
3. 扫描隧道显微镜(实空间,表面)
4. 原子力显微镜(实空间,表面)
中国散裂中子源
扫描隧道显微镜(STM)
Si (100) 表面
原子力显微镜(AFM)
Si (111) 表面
作业 2
1. 证明正格子与倒格子互易 2. 证明面心立方格子的倒格子是体心立方,体心立方的倒格子是
面心立方!
3. 证明只有 k G' 时,衍射幅度F才不为0。

固体物理 1 (2)

固体物理 1 (2)

CD+OD, CD = - RlS0 OD=RlS
当光程差是波长的整数时产生衍射极大为 整数。 CD+OD=Rl( S - S0) = 为整数 (11)
这个方程称为劳厄(Laue)方程。
The Nobel Prize in Physics 1914 "for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals"
反射球的作法 设入射线沿CO方向,取线段 C=2/, 是所用单色X射线的 波长。再以C为心,以OC=2/为半径所作的球就是反射球。 若P是球面上的一个倒格点,则CP就是以OP为倒格矢的一族晶 面(h1h2h3)的反射方向,如图所示,图中虚线示晶面族(h1h2h3)之 迹。同样,设想球面上另有一倒格点 Q (图中未曾画出),则CQ 代表以OQ为倒格矢的另一族晶面的反射方向。 作反射球时要注意,晶体 并不在球心C,而是在倒格点 O处,C不一定是倒格点。
原子散射因子的计算方法
设 r 为原子中某一点P 的位矢,So,S分别是入射方向和衍射 方向的单位矢量,则由P点的散射波相由0 r (k k 0 ) r 2
sr

设(r)d是电子在P点附近体积元 d 内的几率,原子散射因子为
这里所考虑的是一级反射,则自O点和球面上一倒格 点间的联线OP间不含倒格点。如果反射是二级的,则当 中还含有一个倒格点。
波长一定时,反射球大小一定。倒易格子参数越小 (晶 胞越大),倒易格子点越密集,所产生衍射的数目也越多。
(4) 实验方法 当晶体相对入射线有一种取向,即倒易格子分布一定 时即有一定数量的倒易格子点落到球面上,产生相应数目 的衍射。 当改变晶体取向,即倒易格子与反射球做相对运动的 过程,将有另一些倒易格子点落到反射球面上。 因此晶体 (倒易格子) 和反射球之间不同形式的相对运 动对应于晶体的X射线衍射的各种实验。

倒格子讲解

倒格子讲解

中文名称:倒格子英文名称:Reciprocal lattice术语来源:固体物理学倒格子,亦称倒易格子(点阵),它在固体物理学中,特别是在晶格动力学理论、晶体电子论以及晶体衍射方面有着较为广泛的应用。

1定义假定晶格点阵基矢a1、a2、a3(1、2、3表示 a 的下标,粗体字表示a1 是矢量,以下类同)定义一个空间点阵,我们称之为正点阵或正格子,若定义b1 = 2 π ( a2× a3) /νb2 = 2 π ( a3× a1) /νb3 = 2 π ( a1× a2) /ν其中 v = a1· ( a2× a3 ) 为正点阵原胞的体积,新的点阵的基矢b1、b2、b3是不共面的,因而由b1、b2、b3也可以构成一个新的点阵,我们称之为倒格子,而b1、b2、b3 称为倒格子基矢。

2性质1. 倒格子的一个矢量是和晶格原胞中一组晶面相对应的,它的方向是该晶面的法线方向,而它的大小则为该晶面族面间距倒数的2π倍。

2. 由倒格子的定义,不难得到下面的关系a i ·b j = 2 πδij3. 设倒格子与正点阵(格子)中的位置矢量分别为G = αb1+ βb2 + γb3R = ηa1 + θa2 + λa3 (α,η,β,θ,γ,λ皆为整数)不难证明G·R = 2π ( αη + βθ +γλ ) = 2π n,其中n为整数。

4. 设倒格子原胞体积为ψ,正格子原胞体积为 v ,根据倒格子基矢的定义,并利用矢量乘法运算知识,则可得到ψ v = ( 2 π )^3.5. 正格子晶面族(αβγ)与倒格子矢量G = αb1+ βb2 + γb3 正交(具体的内容及证明过程,请参考文献[1])3倒格子引入的意义这里简单的说一点,如上面的性质1,倒格子中的一个基矢对应于正格子中的一族晶面,也就是说,晶格中的一族晶面可以转化为倒格子中的一个点,这在处理晶格的问题上有很大的意义。

06 固体物理 1.4.1 倒格子

06 固体物理 1.4.1 倒格子
1 3
CB OB OC



a2
h2

a3
h3
0
a1/h1
B a2 a2/h2 A
a1
a a Gh1h2 h3 CA (h1b1 h2b 2 h3b 3 ) ( 1 3 ) 2 2 0 h1 h3 同理: Gh1h2h3 CB 0,
i j i j
2 c a1 (a 2 a3 )
由此,可以直接定义倒格子基矢为:
相应的倒格子基矢为:
a2 a3 2 (a2 a3 ) b1 2 a1 (a2 a3 )
a3 a1 2 (a3 a1 ) b2 2 a1 (a2 a3 )
所以有
( r ) 在傅氏 F (K h ) 是物理量 Rl 是正格矢, 空间的表示形式 K h应是 Rl 的倒格矢
e
iK h Rl
1
即:物理量在正格子中表示和在倒格子中表示满足傅氏变换关系; 正空间周期性物理量的傅氏空间就是其倒空间; 正格子和倒格子互为傅氏变换。
ai b j 2ij 确定,则以上条件成立。
K h Rl (h1b1 h2b2 h3b3 ) (l1a1 l2a2 l3a3 ) 2 (h1l1 h2l2 h3l3 ) 2
li , hi 都是整数, 也应是整数, eiKh Rl ei 2 1
2可以证明,Fra bibliotek* (2 )3 /, 即,* (2 )3
* (2 )3 /, 即,* (2 )3
2、倒格子的倒格子是原布拉菲格子
c2, c3 ,可以证明 ci ai , i 1,2,3 按倒格子基矢定义构造基矢 c1, 2 (b 2 b3 ) 2 即令:c1 * b 2 b3 b1 b 2 b3 (2 ) 2 b 2 b3 (a3 a1 ) (a1 a 2 ) 利用 A B C B( A C) C( A B) 2 ( A B) C ( B C) A (C A) B (2 ) 2 (2 ) 2 a1 a1 2 Rl,Kh所代表点的集合 2 2 (2 ) 2 (b 2 b3 ) 都是布拉菲格子,且 a1 c1 * b1 b 2 b3 互为正倒格子。事实 上在
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—— 第一布里渊区
原点和12个近邻格点连线的垂直平分面围成的正十二面体
倒格矢 K n n1 b n2 b n3 b 3 1 2 2 [( n2 n3 )i (n1 n3 ) j (n1 n2 )k ] a



体心立方的倒格子是面心立方,离原点最近的有 十二个倒格点,在直角坐标系中它们的坐标为:
二维长方晶格的布里渊区
二维六方晶格的十个布里渊区
(3) 三维晶格
a. 简立方晶格
b1 a1 ai a 2 aj b2 a 3 ak b 3
倒易空间示意图
2 a 2 a 2 a i j 倒易点阵仍为简立方晶 格 k
( Rl和Gh 不一定平行)
可见, Rl和 Gh的量纲是互为倒逆的, Rl是格点P的位 置矢量,称为正矢量, kh称为倒易矢量。 若令Gh= h1b1+h2b2+h3b3, 则称由b1,b2,b3为基矢构成的点阵为倒易点阵. (b1,b2,b3)如何确定?
1.9.2 倒格子空间(倒易点阵)*
(1).倒矢与正格矢的关系:
离原点最近的倒 格点有4个: b1,-b1,b2,-b2.
-b1
b2
b1 -b2
离原点次近的倒 格点有4个: -b1+b2 b1+b2 ,b1-b2 ,b2, -b2.
b1 +b2
-b1-b2
b1-b2
离原点再远的倒格点有4个: 2b1,-2b1,2b2,-2b2.
2b2
-2b1
2b1
-2b2
二维正方晶格的布里渊区
(2) 两个点阵格矢之间的关系: 正点阵: 正格矢 Rl l1a1 l2a2 l3a3 l1、l2、l3 Z 倒易点阵: 倒格矢Gh h1b1 h2b2 h3b3 h1、h2、h3 Z 则有: Rl Gh = 2 Z 结论: 若两矢量点积为2的整数倍, 且其中一个矢量 为正点阵位矢, 则另一个矢量必为倒易点阵的位矢。
a1 ai a 2 aj
a2 a3 b1 2 a1 a 2 a 3 a 3 a1 b2 2 a1 a 2 a 3
2 a 2 a
i j
b1
b3
b2
b1
b. 体心立方晶格 倒易空间示意图
2π a a1 2 ( i j k ) b1 a (j k ) a 2π (i k ) a2 (i j k ) b2 2 a 2π a a (i j k ) b3 (i j ) 3 2 a 4π a
—— 第一布里渊区 —— 八个面是正六边形 —— 六个面是正四边形
布里渊区示意图3-2
2 Γ: 0,0,0 a 2 X: 1,0,0 a 2 3 3 K: , ,0 a 4 4 2 1 1 1 L: , , a 2 2 2
简约布里渊区:十四面 体 2 V 4 V倒易原胞 a
n1 n2 n3 n1 n2 n3
Ce
n
iG n r

n n
C e
n
iG n r
Γ (r ) =
n1 n2 n3 n1 n2 n3
(2). 倒格子点阵与正格子点阵的关系
(1) 两个点阵基矢之间的关系: i j 2, ai b j 2ij 0,i j
a 2 a3 b1 2 V a3 a1 b2 2 V b 2 a1 a 2 3 V
2 相应的倒格矢长度 K ( n1 ,n2 ,n3 ) a 2 这十二个倒格矢的中垂面围成菱形十二面体:
其体积正好等于倒格子原胞的体积大小.
布里渊区示意图2-2
0,0,0 :坐标原点 2 1,0,0 : 100 H: a 2 1 1 : 110 N: , ,0 a 2 2
Ce
n
iG n r

n n
C e
n
iG n r
Gn为倒格矢,Gn n1b1 n2b2 n3b3, n1、n2、n3 Z 1 iG r n Cn Γ (r )e dr (Gn ) (Gn )是Γ (r )的 傅 里 叶 变 换 V n iG r Γ (r ) = (Gn )e n Γ ( r )是 (Gn )的傅里叶逆变换
(4) 倒格矢和正点阵晶面族之间的关系: 正点阵中一族晶面,晶面指数为:(h1h2 h3) 倒易点阵中倒格矢: Gh h1b1 h2 b2 h3b3 Gh // ( h1h2 h3 ) 法线方向 2 则有: 证明如下: Gh = d h1h2h3
1.9 倒格子(倒易点阵reciprocal)*
1.9 1 倒格子(倒易点阵)*的定义:
1 正格矢与倒矢
S S0 P B A O
原子可向空间任何方向散射 X光线,只有一些固定方向 可形成衍射。
点P: Rl=l1a1+l2a2+l3a3,Rl是布喇菲点阵中由原胞基矢 a1,a2,a3构成的矢量, S0和S是入射线和衍射线的单位矢量,经过O点和P点衍 射后光程差为: A0 OB -R S R S R ( S-S )
l 0 l l 0
当X光为单色光,衍射加强的条件为: Rl•(S-S0)=u •λ 令 ,代入上式,
衍射加强条件变为: Rl• (k -k0) = 2π u 根据正点阵与倒易点阵的关系,(k-k0)必是倒易空间 中的位置矢量,令:
Gh k -k 0
有 Rl• Gh = 2π u
2

(S S0 )
点阵:原胞基矢 a1、 a 2、 a3
a 2 a3 b1 2 V a3 a1 , V a1 (a 2 a3 ) 原 胞 体 积 b2 2 V b 2 a1 a 2 3 V
b1、 b2、 b3: 原胞基矢 倒易点阵 a1、 a 2、 a 3: 原胞基矢 正点阵
3
返回
面心立方晶格的第一布里渊区
—— 第一布里渊区为十 四面体
b
体心立方晶格的倒易晶格是面心立方,其晶胞 常数为 4a 。
c. 面心立方晶格
2 a a1 2 ( j k ) b1 a ( i j k ) 4 a 2 (i j k ) b a2 (i k ) b2 2 a a 2 a a3 (i j ) b3 (i j k ) 2 a
倒易空间 傅里叶空间 K空间
1.9.3 常见晶格的布里渊区 (1) 一维晶格
a1 a i 2 b1 i a
(2) 二维晶格
a1、a 2 b1 2 b2 2
构造a 3,令a 3 =k a2 a3 a1 a 2 a 3 a 3 a1 a1 a 2 a 3
a1 d h1h2 h3= h1
Gh a1 (h1b1 h2b2 h3b3 ) 2 Gh h1 Gh Gh
返回
3.倒易点阵与傅里叶变换
Γ (r ) r x1a1 x2 a2 x3 a3 x1、x2、x3 R 若有r =r Rl, Rl l1a1 l2 a2 l3 a3 l1、l2、l3 Z 则有Γ (r ) Γ (r ) (示意图) Γ (r )为周期函数 将Γ (r )作傅里叶级数展开,有: Γ (r ) =
(5)倒易点阵与正点阵互为倒易点阵 (6)倒易点阵与正点阵有相同的宏观对称性
倒格矢和正点阵晶面族示意图
a1 a3 CA =OA OC h1 h3 a 2 a3 CB =OB OC h2 h3 CA Gh 0 Gh CA CB Gh 0 Gh CB
为什么在倒易关系中存在2π 因子,这是因为如此定 义的互为倒易的两个矢量G与T之间满足下面简洁的 恒等式:
e
iGT
1
(3) 两个点阵原胞体积之间的关系: ( 2 ) 3 V* b1 (b2 b3 ) 可见 V* 与V互为倒数 V 上式利用了 A B C ( A C ) B ( A B )C
n
傅 里 叶 变 换 : F ( )


-
f (t )e it dt

1 傅里叶逆变换: f (t ) 2

-
F ( )e
itபைடு நூலகம்
d
2 T
总结:
晶体点阵 实际晶体结构 显微图像 倒易点阵 虚构 衍射图像
微观粒子
线度量纲:L
一族晶面
线度量纲:L-1
位置空间 坐标空间
2 ( n2 n3 , n1 n3 , n1 n2 ) a
2 2 2 2 (1,1,0), (1,1,0), (1,1,0), (1,1,0), a a a a 2 2 2 2 (1,0,1), (1,0,1), (1,0,1), (1,0,1), a a a a 2 2 2 2 (0,1,1), (0,1,1), (0,1,1), (0,1,1). a a a a
a2 a3 b1 2 V a3 a1 b2 2 V b3 2 a1 a 2 V V a1 ( a 2 a3 ) 原胞体积
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