- •Введение
- •Часть I
- •Глава 1. Квантовые ямы
- •1.1. Одномерные изолированные квантовые ямы
- •Прямоугольная потенциальная яма
- •Треугольная потенциальная яма
- •Параболическая потенциальная яма
- •Плотность состояний в одномерных квантовых ямах
- •1.2.1. Потенциальный ящик с бесконечными стенками
- •1.2.2. Потенциальный цилиндр
- •1.2.3. Потенциальный параллелепипед
- •1.2.4. Потенциальная сфера
- •1.2. Двумерные и трехмерные изолированные квантовые ямы
- •Кулоновская яма
- •Сдвоенные квантовые ямы
- •Дираковская потенциальная гребенка
- •Вакансия в дираковской потенциальной гребенке
- •Полубесконечная дираковская потенциальная гребенка
- •Задачи к гл. 1
- •Глава 2. Решеточные модели низкоразмерных систем
- •2.1. Метод функций Грина
- •2.2. Однозонная модель линейной цепочки
- •2.3. Двухзонная модель линейной цепочки
- •2.4. Одноатомная плоская решетка
- •2.5. Трехмерные системы с пространственным квантованием
- •2.6. О плотностях состояний бесструктурных систем пониженной размерности
- •Задачи к гл. 2
- •Глава 3. Особенности фононного спектра наносистем
- •3.1. Простейшие модели колебаний атомов в твердых телах
- •3.2. Колебания одно- и двухатомных цепочек
- •3.2.1. Одноатомная цепочка
- •3.2.2. Двухатомная цепочка
- •3.3. Изотопический дефект в одноатомной линейной цепочке
- •3.4. Вакансия в одноатомной линейной цепочке
- •3.5. Интерфейсные фононы в полярных кристаллах
- •Задачи к гл. 3
- •Глава 4. Туннелирование через квантово-размерные структуры
- •4.1. Коэффициент прохождения
- •4.2. Двухбарьерные структуры
- •4.3. Кулоновская блокада туннелирования
- •4.3.1. Общие соотношения
- •4.3.2. Потенциальная энергия гранулы
- •4.3.3. Вольт-амперная характеристика
- •Задачи к гл. 4
3.2. Колебания одно- и двухатомных цепочек
3.2.1. Одноатомная цепочка
Это пример одномерной решетки, в которой на каждую элементарную ячейку приходится один атом массы М, взаимодействующий лишь с ближайшими соседями с силовой константой . С учетом того, что потенциальную энергию колебаний V можно представить как
, (3.5)
где
а
− постоянная решетки,
− смещениеl-го
атома. Уравнение движения
имеет вид
. (3.6)
Подстановкой
уравнение преобразуется к виду
. (3.7)
Полагая
,
получим
, (3.8)
где
.
Закон дисперсии колебаний представлен
на рис. 3.1.
Исходя из классической
механики, можно рассматривать найденную
частоту просто как одну из собственных
частот механической системы, обладающей
дисперсией. С другой стороны, с точки
зрения квантовой механики, мы можем
ввести в рассмотрение квазичастицу –
фонон, – обладающую энергией
.
Поэтому выражение (3.8)
для
называется законом дисперсии фононов.
|
0 q
-/a /a |
|
Рис. 3.1. Закон дисперсии фононов в одноатомной цепочке |
.
Этот интервал определяет зону Бриллюэна
одномерной решетки. Все
значения q,
лежащие вне указанного интервала,
приводят просто к повторению уже
известных движений. Как правило,
изображают только правую половину
рисунка, т. е. приведенную (или первую)
зону Бриллюэна, и считают q
положительным.Всего имеется N различных решений, соответствующих N разрешенным значениям числа q в зоне Бриллюэна. Это согласуется с числом степеней свободы исходной решетки, равным N. Поясним сказанное.
Предположение о
трансляционной симметрии решетки
предполагает ее безграничность (но
конечность!). Существует математический
прием, состоящий в применении так
называемых циклических граничных
условий, или условий Борна-Кармана. В
одномерном случае предполагают, что из
цепочки, состоящей из N
ячеек, можно образовать замкнутый круг.
Тогда ячейки l
и Nl
совпадают, откуда следует, что
,
гдеm –
целое число. Отсюда
,
и полное число состояний равноN.
Именно здесь проявляет себя конечность
решетки.
Для малых значений q (т. е. при qа << 1)
.
(3.10)
Отсюда
следует вывод, что если длина волны
возмущения
гораздо больше постоянной решеткиа,
то цепочка атомов ведет себя подобно
упругому стержню в классической механике
(возмущение “не видит” мелкой атомной
структуры цепочки). Групповая скорость
распространения волны
при
этом совпадает со скоростью звукаs
в непрерывной
среде. При больших q,
однако, скорость волны не остается
постоянной. При
,
когда длина волны равнаа,
функция
имеет горизонтальную касательную и
групповая скорость обращается в нуль.
В этом отклонении от линейности
проявляется дисперсия колебаний решетки.
Найдем плотность
состояний для колебаний одноатомной
линейной цепочки
.
Число колебательных состояний в интервале
энергий от
до
по определению равно
.
С другой стороны, плотность состояний
в
-пространстве
есть
,
так что число состояний в интервале от
до
,
который соответствует энергетическому
интервалу (
,
),
есть
.
Приравнивая полученные для числа
состояний выражения, найдем
. (3.11)
Отметим,
что эйнштейновская частота
в цепочке определяется формулой
, (3.12)
которую
легко понять, представив себе частицу
массы
,
прикрепленную к неподвижным стенкам
двумя пружинками с константой жесткости
каждая, и
сообразив, что при смещении частицы из
положения равновесия деформации обеих
«пружинок» (правой и левой) вызывают
одинаковые силы, направленные к положению
равновесия, что можно учесть, удвоив
константу жесткости
.
Таким образом,
.
