5) 做界面问题时,衬底材料的能带图显得非常重要,各高对称点之间有可能出现不同的情况。具体地说,在某两点之间,费米能级与能带相交;而在另外的k的区间上,费米能级正好处在导带和价带之间。这样,衬底材料就呈现出各项异性:对于前者,呈现金属性,而对于后者,呈现绝缘性。因此,有的工作是通过某种材料的能带图而选择不同的面作为生长面。具体的分析应该结合试验结果给出。(如果我没记错的话,物理所薛其坤研究员曾经分析过$\\beta$-Fe的(100)和(111)面对应的能带。有兴趣的读者可进一步查阅资料。)
原则上讲,态密度可以作为能带结构的一个可视化结果。很多分析和能带的分析结果可以一一对应,很多术语也和能带分析相通。但是因为它更直观,因此在结果讨论中用得比能带分析更广泛一些。简要总结分析要点如下:
1) 在整个能量区间之内分布较为平均、没有局域尖峰的DOS,对应的是类sp带,表明电子的非局域化性质很强。相反,对于一般的过渡金属而言,d轨道的DOS一般是一个很大的尖峰,说明d电子相对比较局域,相应的能带也比较窄。
2) 从DOS图也可分析能隙特性:若费米能级处于DOS值为零的区间中,说明该体系是半导体或绝缘体;若有分波DOS跨过费米能级,则该体系是金属。此外,可以画出分波(PDOS)和局域(LDOS)两种态密度,更加细致的研究在各点处的分波成键情况。
3) 从DOS图中还可引入“赝能隙”(pseudogap)的概念。也即在费米能级两侧
分别有两个尖峰。而两个尖峰之间的DOS并不为零。赝能隙直接反映了该体系成键的共价性的强弱:越宽,说明共价性越强。如果分析的是局域态密度(LDOS),那么赝能隙反映的则是相邻两个原子成键的强弱:赝能隙越宽,说明两个原子成键越强。上述分析的理论基础可从紧束缚理论出发得到解释:实际上,可以认为赝能隙的宽度直接和Hamiltonian矩阵的非对角元相关,彼此间成单调递增的函数关系。
4) 对于自旋极化的体系,与能带分析类似,也应该将majority spin和minority spin分别画出,若费米能级与majority的DOS相交而处于minority的DOS的能隙之中,可以说明该体系的自旋极化。
5) 考虑LDOS,如果相邻原子的LDOS在同一个能量上同时出现了尖峰,则我们将其称之为杂化峰(hybridized peak),这个概念直观地向我们展示了相邻原子之间的作用强弱。
格林函数(Green Function)理论:
从物理上看,一个数学物理方程是表示一种特定的\场\和产生这种场的\源\之间的关系.例如,热传导方程表示温度场和热源之间的关系,泊松方程表示静电场和电荷分布的关系,等等.这样,当源被分解成很多点源的叠加时,如果能设法知道点源产生的场,利用叠加原理,我们可以求出同样边界条件下任意源的场,这种求解数学物理方程的方法就叫格林函数法.而点源产生的场就叫做格林函数.
声子:
声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon。
在固体物理学的概念中,结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。在晶体中,原子间有相互作用,原子并非是静止的,它们总是围绕着其平衡位置在作不断的振动。另一方面,这些原子又通过其间的相互作用力而连系在一起,即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。形象地讲,若把原子比作小球的话,整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成,而小球之间又彼此由弹簧连接起来一般,从而每个原子的振动都要牵动周围的原子,使振动以弹性波的形式在晶体中传播。这种振动在理论上可以认为是一系列基本的振动(即简正振动)的叠加。当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时(这在一般情况下总是固体中在定量上高度正确的原子运动图象),如果我们在原子振动的势能展开式中只取到平方项的话(这即所谓的简谐近似),那么,这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。换句话说,每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率ν、波长λ和一定传播方向的弹性波,整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中,这些谐振子的能量将是连续的,但按照量子力学,它们的能量则必须是量子化的,只能取hω的整数倍,即En=(n+1/2)hν(其中1/2hν为零点能)。这样,相应的能态En就可以认为是由n个能量为hν的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。声子是一种元激发。
因此,声子用来描述晶格的简谐振动,是固体理论中很重要的一个概念。按照量子力学,物体是由大量的原子构成,每种原子又都含有原子核和电子,因此固体内存在原子核之间的相互作用、电子间的相互作用还有原子核与电子间的相互作用。电子的运动规律可以用密度泛函理论得到,那么原子核的运动规律就用声子来描述。当然这两个理论(密度泛函和声子)都是近似的,因为解析的严格解到目前为止还没有得到。而要严格的按照多体理论来描述这么大量的原子和电子组成的系统,无论解析还是数值模拟都是一个未知数。
声子是简谐近似下的产物,如果振动太剧烈,超过小振动的范围,那么晶格振动就要用非简谐振动理论描述。
声子并不是一个真正的粒子,声子可以产生和消灭,有相互作用的声子数不守恒,声子动量的守恒律也不同于一般的粒子,并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子,在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。
声子的化学势为零,属于玻色子,服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并不具有物理动量,但是携带有准动量,并具有能量。
声子晶体: