能隙如何产生

走近布里渊区边界,看电子波如何分成两种能量。

接近区界,两种电子波开始耦合

运行中
电子波实空间
能量与波矢区界附近
k / (π/a) = 0.70区界能隙 ΔE = 0.28 E_B

周期势把相差一个倒易矢量的电子波连接起来,在区界分出两种能量。

0.70
进阶设置

调整模型

0.14
0.70

当前状态

电子感受到周期势

V(x) = −2|V_G| cos(Gx)
G = 2π / a

a 是晶格周期,|V_G| 是势的傅里叶耦合强度,为余弦振幅的一半。本模型取势阱中心为 x = 0;周期势把波矢相差 G 的两个平面波耦合起来。

区界处形成两种驻波

k = G/2 = π/a

此时 +k 和 −k 的自由电子能量相同,周期势使它们组合为两种驻波。低能态的概率密度集中于势阱,高能态集中于势垒;无周期势时两态简并,可任意选择一组基。

能隙与近似范围

ΔE = 2|V_G|
E_B = ℏ²(π/a)² / (2m)

采用一维近自由电子模型、近区界双平面波近似,|V_G|/E_B ≤ 0.25。这里的能隙指区界两能级之差,不等同于任意当前波矢处的能级距离。Reψ 不是电子位移,概率密度不随整体相位振荡。

参考:Steven H. Simon · 牛津大学固体物理讲义。能量以 E_B 为单位。