Metali - >grdelin.pmf.unizg.hr/~ivo/Nastava/Fizika_Cvrstog_Stanja/predavanja/... · Metali Većinaelemenatasumetali. Postojejednostavnateorija(Drude-Sommerfeldovmodel)koja

  • Upload
    voque

  • View
    237

  • Download
    7

Embed Size (px)

Citation preview

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Metali Fizika vrstog stanja

    Ivo Batisti

    Fiziki odsjek, PMFSveuilite u Zagrebu

    predavanja 2014/2015 (zadnja inaica 28. rujna 2016.)

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Pregled predavanja

    Uvod

    Drude-Sommerfeldov model

    Termodinamika svojstva metala

    Elektron u periodinom potencijalu

    Elektronska struktura materijala

    Elektronski spektar u sinusnom potencijalu

    Sinusni potencijal u viim dimenzijama

    Brillouinove zone

    Neki odgovori

    Foto galerija

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Metali

    Veina elemenata su metali.

    Postoje jednostavna teorija (Drude-Sommerfeldov model) kojaobjanjava nekoliko osnovnih svojstava metala.

    U novije vrijeme za proraunavanje elektronske strukture tvarikoristi se teorija funkcionala gustoe (density functionaltheory), skraeno DFT.

    DFT je u principu egzaktna, ali u praksi se koriste razneaproksimacije koje ne vrijede u nekim materijalima (npr. jakokorelirani sustavi).

    Za sada ne postoji univerzalna (upotrebljiva) metodaproraunavanja elektronske strukture koja pokriva moguematerijale.

    Mnoga svojstva metala mogu se razumjeti i s jednostavnimanalitikim razmatranjima.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodni sustav elemenata

    1 1.0079

    H

    Hydrogen

    3 6.941

    Li

    Lithium

    11 22.990

    Na

    Sodium

    19 39.098

    K

    Potassium

    37 85.468

    Rb

    Rubidium

    55 132.91

    Cs

    Caesium

    87 223

    Fr

    Francium

    4 9.0122

    Be

    Beryllium

    12 24.305

    Mg

    Magnesium

    20 40.078

    Ca

    Calcium

    38 87.62

    Sr

    Strontium

    56 137.33

    Ba

    Barium

    88 226

    Ra

    Radium

    21 44.956

    Sc

    Scandium

    39 88.906

    Y

    Yttrium

    57-71

    La-Lu

    Lanthanide

    89-103

    Ac-Lr

    Actinide

    22 47.867

    Ti

    Titanium

    40 91.224

    Zr

    Zirconium

    72 178.49

    Hf

    Halfnium

    104 261

    Rf

    Rutherfordium

    23 50.942

    V

    Vanadium

    41 92.906

    Nb

    Niobium

    73 180.95

    Ta

    Tantalum

    105 262

    Db

    Dubnium

    24 51.996

    Cr

    Chromium

    42 95.94

    Mo

    Molybdenum

    74 183.84

    W

    Tungsten

    106 266

    Sg

    Seaborgium

    25 54.938

    Mn

    Manganese

    43 96

    Tc

    Technetium

    75 186.21

    Re

    Rhenium

    107 264

    Bh

    Bohrium

    26 55.845

    Fe

    Iron

    44 101.07

    Ru

    Ruthenium

    76 190.23

    Os

    Osmium

    108 277

    Hs

    Hassium

    27 58.933

    Co

    Cobalt

    45 102.91

    Rh

    Rhodium

    77 192.22

    Ir

    Iridium

    109 268

    Mt

    Meitnerium

    28 58.693

    Ni

    Nickel

    46 106.42

    Pd

    Palladium

    78 195.08

    Pt

    Platinum

    110 281

    Ds

    Darmstadtium

    29 63.546

    Cu

    Copper

    47 107.87

    Ag

    Silver

    79 196.97

    Au

    Gold

    111 280

    Rg

    Roentgenium

    30 65.39

    Zn

    Zinc

    48 112.41

    Cd

    Cadmium

    80 200.59

    Hg

    Mercury

    112 285

    Uub

    Ununbium

    31 69.723

    Ga

    Gallium

    13 26.982

    Al

    Aluminium

    5 10.811

    B

    Boron

    49 114.82

    In

    Indium

    81 204.38

    Tl

    Thallium

    113 284

    Uut

    Ununtrium

    6 12.011

    C

    Carbon

    14 28.086

    Si

    Silicon

    32 72.64

    Ge

    Germanium

    50 118.71

    Sn

    Tin

    82 207.2

    Pb

    Lead

    114 289

    Uuq

    Ununquadium

    7 14.007

    N

    Nitrogen

    15 30.974

    P

    Phosphorus

    33 74.922

    As

    Arsenic

    51 121.76

    Sb

    Antimony

    83 208.98

    Bi

    Bismuth

    115 288

    Uup

    Ununpentium

    8 15.999

    O

    Oxygen

    16 32.065

    S

    Sulphur

    34 78.96

    Se

    Selenium

    52 127.6

    Te

    Tellurium

    84 209

    Po

    Polonium

    116 293

    Uuh

    Ununhexium

    9 18.998

    F

    Flourine

    17 35.453

    Cl

    Chlorine

    35 79.904

    Br

    Bromine

    53 126.9

    I

    Iodine

    85 210

    At

    Astatine

    117 292

    Uus

    Ununseptium

    10 20.180

    Ne

    Neon

    2 4.0025

    He

    Helium

    18 39.948

    Ar

    Argon

    36 83.8

    Kr

    Krypton

    54 131.29

    Xe

    Xenon

    86 222

    Rn

    Radon

    118 294

    Uuo

    Ununoctium

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    1 IA

    2 IIA

    3 IIIA 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 VIIIB 9 VIIIB 10 VIIIB 11 IB 12 IIB

    13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA

    18 VIIIA

    57 138.91

    La

    Lanthanum

    58 140.12

    Ce

    Cerium

    59 140.91

    Pr

    Praseodymium

    60 144.24

    Nd

    Neodymium

    61 145

    Pm

    Promethium

    62 150.36

    Sm

    Samarium

    63 151.96

    Eu

    Europium

    64 157.25

    Gd

    Gadolinium

    65 158.93

    Tb

    Terbium

    66 162.50

    Dy

    Dysprosium

    67 164.93

    Ho

    Holmium

    68 167.26

    Er

    Erbium

    69 168.93

    Tm

    Thulium

    70 173.04

    Yb

    Ytterbium

    71 174.97

    Lu

    Lutetium

    89 227

    Ac

    Actinium

    90 232.04

    Th

    Thorium

    91 231.04

    Pa

    Protactinium

    92 238.03

    U

    Uranium

    93 237

    Np

    Neptunium

    94 244

    Pu

    Plutonium

    95 243

    Am

    Americium

    96 247

    Cm

    Curium

    97 247

    Bk

    Berkelium

    98 251

    Cf

    Californium

    99 252

    Es

    Einsteinium

    100 257

    Fm

    Fermium

    101 258

    Md

    Mendelevium

    102 259

    No

    Nobelium

    103 262

    Lr

    Lawrencium

    Alkali Metal

    Alkaline Earth Metal

    Metal

    Metalloid

    Non-metal

    Halogen

    Noble Gas

    Lanthanide/Actinide

    Z mass

    Symbol

    Name

    man-made

    plavkasto i ljubiasto obojene kuice su metalni elementi.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Metali

    Detaljnije emo razmotriti

    Metale s jednim elektronom (jednovalentni) u zadnjoj ljusci:alkalijski metali, plemeniti metali,

    te prijelazne metale u kojima se popunjava unutranja d-ljuska.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Alkalijski i plemeniti metali

    Metal el. konfig. re. a () Ec (eV)Li 2s BCC 3.491 1.63Na 3s BCC 4.225 1.113K 4s BCC 5.225 0.934Rb 5s BCC 5.585 0.852Cs 6s BCC 6.045 0.804

    Metal el. konfig. re. a () Ec (eV)Cu 3d104s FCC 3.61 3.49Ar 4d105s FCC 4.09 2.95Au 5d106s FCC 4.08 3.81

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Prijelazni metali

    Metal el. konfig. re. a, c () Ec (eV)Sc 3d14s2 HCP 3.31,5.27 3.90Ti 3d24s2 HCP 2.95,4.68 4.85V 3d34s2 BCC 3.03 5.31Cr 3d54s BCC 2.88 4.10Mn 3d54s2 BCC 2.92Fe 3d64s2 BCC 2.87 4.28Co 3d74s2 HCP 2.51,4.07 4.39Ni 3d84s2 FCC 3.52 4.14Cu 3d104s FCC 3.61 3.49

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Metali

    Ono to se zna: Bitna svojstva metala dolaze od elektronskih pobuenja.

    Elektronska pobuenja mogu se smatrati kao posebne esticefermionskog tipa.

    Kulonsko meudjelovanje utjee na svojstva elektrona ali netoliko da bi im promijenilo fermionski karakter.

    Za potpuno razumijevanje metala, ali i svih ostalim materijala,potrebno je uzeti u obzir meudjelovanje elektrona s pravilnomkristalnom reetkom.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Drude-Sommerfeldov model

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Drude-Sommerfeldov model (1900/1933)

    Elektron-elektron meudjelovanje je zanemareno. Periodini potencijal reetke je zanemaren. Elektroni se gibaju u metalu kao u beskonano dubokojpotencijalnoj jami (ravnog dna).

    Metal je posuda u kojoj se nalaze nabijene fermionske esticekoje ne meudjeluju.

    Kvantizacija valnih brojeva:

    Rubni uvjeti na valnu funkciju:

    (x) = 0 i (L) = 0

    LRubni uvjeti na valnu funkciju:

    (x+ L) = (x)

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Kvantizacija valnih brojeva

    Za makroskopski velike sustave obje vrste kvantizacija vode na isterezultate!

    Radi jednostavnosti sluimo se periodikim rubnim uvjetima. Kaorjeenja Schdingerove DJ dobivaju se ravni valovi:

    k(r) =1Vekr

    a pripadne energije:

    Ek =2k2

    2me=

    p2

    2me

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodiki rubni uvjeti u 3D

    Koriste se periodini (Born-von Karman) rubni uvjeti:

    k(r+ Niai) = k(r)

    gdje je:

    ai = jedinini vektorNi = broj jedininih elija uzdu vektora ai

    Rubni uvjeti doputaju samo kvantizirane valne brojeve:

    k = 1b1 + 2b2 + 3b3

    gdje sui =

    niNi

    (ni = 0,1,2, . . . )

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Drude-Sommerfeldov model

    Kvantna stanja odreena su s valnim brojem k i spinskimstanjem.

    Svako kvantno stanje moe biti popunjeno samo s jednimelektronom. Orbitalno kvantno stanje zadano s valnim brojemmoe biti popunjeno s dva elektrona razliita spina (Paulijevprincip).

    U osnovnom stanju elektroni popunjavaju kvantna stanja ije suenergije manje ili jednake Fermijevoj energiji (EF).

    Napomena: Broj valnih brojeva unutar prve Brillouinove zone (1. BZ) jednakje broju jedininih elija u kristalu! Isto vrijedi i za obinu jedininu eliju urecipronom prostoru.

    Napomena: Za prikazivanje poloaja u kristalu koristimo se primitivnimtranslacijskim vektorima reetke, a za prikazivanje valnih brojeva (vektora)sluimo se translacijskim vektorima reciprone reetke.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Zbrajanje/integracija po kvantnim stanjima

    Proraun fizikalnih veliina trai zbrajanje po kvantnim stanjima:

    Etot =

    Ek

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Gustoa stanja

    Veliina g(E) je gustoa kvantnih stanja:

    g(E) =V

    (2)3

    dk (E Ek)

    Ako veliine koje se izraunavaju ne ovise o spinu, u gustou stanjase moe ukljuiti i broj spinskih stanja.

    U Sommerfeldovom je modelu gustoa stanja:

    g(E) = 2V

    (2)3

    dk (E

    2k2

    2me) =

    V2

    0

    dk k2(E 2k2

    2me)

    = Vme23

    2meE

    E

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Gustoa/broj estica i Fermijeva energija

    Broj elektrona:

    N =

    E

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Fermijeva povrina

    Fermijevom valnom broju se moe pridruiti impuls:

    pF = kF

    i Fermijeva brzina:

    vF =kFme

    U osnovnom su stanju sva kvantna stanja valnog broja k kojima jeenergija:

    2k2

    2me=

    2

    2me(k2x + k2y + k2z

    ) EF

    popunjena.

    Gornja (ne)jednadba predstavlja sferu u recipronom prostoru kojaobuhvaa samo popunjena kvantna stanja. Navedena sfera nazivase Fermijeva povrina a njen radijus je Fermijev valni broj.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sommerfeldov model primijenjen na jednovalentnemetale

    Metal n (1028 m3) kF (1010 m1) vF (106 m s1) EF (eV)Li 4.82 1.13 1.30 4.82Na 2.60 0.92 1.06 3.20K 1.39 0.74 0.86 2.11Rb 1.16 0.70 0.81 1.87Cs 0.93 0.65 0.75 1.61Cu 8.50 1.36 1.57 7.05Ag 5.76 1.19 1.38 5.44Au 5.90 1.20 1.39 5.52

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sommerfeldov model

    Prosjena energija

    E =

    EF0

    dEg(E)E

    EF0

    dEg(E)

    =3

    5EF

    Energija kohezije;

    Ec = |(Eion Edno) E|

    gdje je;

    Edno = dubina potencijalne jameEion = energija ionizacije atoma

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Prosjena energija

    1

    n=

    VN

    =4

    3R3s prosjeni volumen oko elektrona

    1Rs

    =

    (32n

    4

    9

    )1/3= kF

    (4

    9

    )1/3Prosjena energija:

    E =3

    5

    2k2F2me

    =3

    5

    (4

    9

    )2/3 22meR2s

    = 2.212

    2meR2s

    Prikae li se radijus Rs u jedinicama Bohrovog radijusa:

    Rs = aB rs (rs je bezdimenzionalno)

    tada je:

    E =2.21

    r2s2

    2mea2B=

    2.21

    r2sRy

    rsLi 3.25Na 3.93K 4.86Rb 5.20Cs 5.62Cu 2.67Ag 3.02Au 3.01

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Nedostatci Sommerfeldovog modela

    Ima li razlike izmeu bakra i dijamanta? Zato se elektroni udijamantu ne gibaju slobodno i zato dijamant ne vodi struju?

    Ono to je zanemareno u Sommerfeldovom modelu: Nema potencijala kristalne reetke. Nema meudjelovanja izmeu elektrona.

    Neto poboljani model - model elea (jellium model): Naboj vorita reetke nije tokast nego jednoliko razmazan. Meudjelovanje elektrona se uzima u obzir kroz raun smetnje. Jednoliko razmazani pozitivni naboj se krati s q=0 komponentomelektronske gustoe naboja (neutralnost sustava!). U raunu se uzimaju u obzir samo q = 0 komponenteelektronske gustoe naboja.

    Jo bolji modeli uzimaju u obzir i periodinost potencijala reetke!

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Termodinamika svojstva metala

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sommerfeldov razvoj

    0

    dE f(E)e(E)/kBT + 1

    0

    dE f(E) + 2

    6(kBT)2 f() +

    74

    360(kBT)4 f() + . . .

    Temperaturna ovisnost kemijskog potencijala:

    N

    0

    dE g(E) +2

    6(kBT)2 g()

    EF0

    dE g(E)

    =N

    +( EF)g(EF) +2

    6(kBT)2 g(EF) + . . .

    =0

    Slijedi:

    (T) EF 2

    6(kBT)2

    g(EF)g(EF)

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektronski doprinos toplinskom kapacitetu

    Eel(T) =0

    dE g(E) Ee(E)/kBT + 1

    0

    dE g(E)E+ 2

    6(kBT)2

    ddE

    (g(E)E

    )E=

    EF0

    dE g(E)E+ ( EF) g(EF)EF +2

    6(kBT)2

    ddE

    (g(E)E

    )EF

    =

    EF0

    dE g(E)E+ 2

    6(kBT)2 g(EF)

    Energija slobodnog elektronskog plina na konanoj temperaturi:

    Eel(T) Eel(0) +2

    6(kBT)2 g(EF)

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Toplinski kapacitet metala

    Toplinski kapacitet:

    C(el)V =(EelT

    )V

    2

    3g(EF) k2B T

    = T

    Metali imaju linearno ponaanje toplinskog kapaciteta na niskim tem-peraturama koje dolazi od elektronskih pobuenja!

    Metal Li Na K Rb Cs Cu Ag Auexp/ 2.23 1.25 1.24 1.27 1.46 1.38 0.99 1.14

    Razlika izmeu izmjerene vrijednosti koeficijenta exp i one kojuSommerfeldov model predvia, , objanjava se izmijenjenom(renormaliziranom) masom elektrona u metalu!

    =2

    3g(EF) k2B =

    2

    2

    Nk2BEF

    =k2B32

    kFme

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektron u periodinom potencijalu

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektron u periodinom potencijalu

    Schrdingerova jednadba za esticu u periodinom potencijalu.[

    2

    2me2 + V(r)

    ](r) = E (r)

    Periodinost potencijala:

    TRnV(r) = V(r+ Rn) = V(r)

    Primijenili se operacija translacije na Schrdingerovu jednadbu:[

    2

    2me2 + V(r + Rn)

    ](r + Rn) =

    [

    2

    2me2 + V(r)

    ](r + Rn) = E (r + Rn)

    slijedi da:(r) i (r+ Rn)

    zadovoljavaju istu diferencijalnu jednadbu.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektron u periodinom potencijalu

    Budui da operator translacije komutira s hamiltonijanom, kao rjee-nja Schrdingerove jednadbe moemo izabrati ona koja su ujedno ivlastita stanja operatora translacije.

    TRn(r) = (r+ Rn) = e(Rn) (r)

    Grupno svojstvo operacije translacije trai:

    (Rn + Rm) = (Rn) + (Rm)

    To svojstvo zadovoljava samo funkcija koja je linearna u vektorutranslacije:

    (Rn) = k Rm

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Blochov teorem (1928)

    Treba uoiti da je:u(r) = ekr (r)

    periodina funkcija:

    TRnu(r) = u(r+ Rn) = ek(r+Rn) (r+ Rn)

    = ekRnekr e+kRn (r)

    = ekr (r) = u(r)

    Rjeenje Schrdingerove jednadbe u periodinom potencijalu moese zapisati kao:

    (r) = ekr u(r) (Felix Bloch, 1928)

    gdje je u(r) periodina funkcija.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Blochova stanja

    Periodika funkcija u(r) zadovoljava jednadbu:[1

    2me

    (+ k

    )2+ V(r)

    ]

    Hk

    u(r) = E u(r)

    Funkcija u(r) ovisi o vektoru k:

    u(r) uk(r)

    Energija E ne moe biti bilo kakvi broj: Rjeenja, kada uk(r) zadovoljava uvjet periodinosti, postojesamo za tono odreene vrijednosti energije: E = En.

    n je diskretni indeks, odnosno kvantni broj kojim se oznaavarjeenje.

    Skup vrijednosti, {En,n = 1, 2, . . . }, je beskonano velik. Skup vrijednosti,

    {En(k),n = 1, 2, . . .

    }, ovisi o vektoru k.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Blochova stanjaOpenito PDJ za periodini dio valne funkcije treba pisati:[

    1

    2me

    (+ k

    )2+ V(r)

    ]un,k(r) = En(k) un,k(r)

    Nekoliko napomena: Ako nema periodikog potencijala, valna funkcije estice je:

    (r) ekr 1 (ravni val)

    Ako postoji periodini potencijal, valna funkcije estice je:

    (r) ekrravni val

    un,k(r) periodinost

    (Blochova funkcija)

    Valni vektor k koji se pojavljuje u vlastitoj vrijednosti operatora trans-lacije ima slinu ulogu koju ima valni broj kod ravnih valova u Som-merfeldovom modelu.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodinost u recipronom prostoru

    Vrijedi:

    [eqr f(r)

    ]= eqr

    (+ q

    ) [f(r)

    ]Diferencijalna jednadba za stanje valnog broja k+ G:

    En(k+ G) un,k+G(r) =[

    1

    2me

    (+ (k+ G)

    )2+ V(r)

    ]un,k+G(r)

    =

    [1

    2me

    (+ (k+ G)

    )2+ V(r)

    ] (eGre+Grun,k+G(r)

    )= eGr

    [1

    2me

    (+ k

    )2+ V(r)

    ] (e+Grun,k+G(r)

    )[

    1

    2me

    (+ k

    )2+ V(r)

    ] (e+Grun,k+G(r)

    )= En(k+G)

    (e+Grun,k+G(r)

    )un,k(r) i

    (e+Grun,k+G(r)

    )zadovoljavaju istu Schrdingerovujednadbu!

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodinost u recipronom prostoru

    e+Grun,k+G(r) mora biti jedno od ve postojeih rjeenja SchDJ, npr.rjeenje kvantnog broja n.

    Dakle vrijedi:

    En,k+G = En ,kun,k+G(r) = e

    Grun ,k(r)

    Uvrtavanjem k = 12 G u izraz za energiju:

    En,k+Gk=G/2

    = En,G/2 = En ,kk=G/2

    = En,G/2 n = n

    nalazimo da je to rjeenje istog kvantnog broja, n=n, ako vrijedi:

    En,k = En,k

    Dakle, En,k i un,k su periodine funkcije vektora k.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodinost u recipronom prostoru

    Nema smisla rjeavati SchDJ za un,k za velike valne brojeve.

    Dovoljno je pronai rjeenja za vektore u podruju |k| |G/2| tj.unutar 1. Brillouinove zone (1BZ).

    Energije En,k istog n-a, a razliitog vektora k unutar 1BZ inekontinuirane energijske vrpce ili zone.

    Vrpce energija razliitog indeksa n mogu se preklapati ili bitirazdvojene za energijski procijep.

    Uveanjem vektora k za vektor reciprone reetke: k k+ G,ne dobivaju se fizikalno nova rjeenje kao to je to u sluajuravnih valova i konstantnog potencijala.

    Fizikalno nova rjeenje dobivaju se poveanjem kvantnogbroja/indeksa n.

    Konstantni potencijal:Valni brojevi mogu biti proizvoljnoveliki.

    Periodini potencijal:Vektori k su ogranieni unutar1BZ, a indeksi n mogu biti pro-izvoljno veliki.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektronska struktura

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektronska struktura materijala

    Prorauni elektronske strukture materijala (energijski spektar) supotrebni radi:

    Proraun energije kohezije Izrauna optikih, transportnih, magnetskih, termodinamikihsvojstva metala.

    Realni prorauni bazirani su na DFT (teoriji funkcionala gustoe).

    Kvalitativan svojstva elektronskog spektra u periodikom potencijalumogu se saznati

    Priblinim analitikim metodama: raun smetnje aproksimacija vrste veze.

    Rjeavanjem igraka modela: Kronig-Penneyev model sinusni potencijal periodini niz -funkcija

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Igrake modeli (toy models)

    Kronig-Penneyev model

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5x

    0.6

    0.5

    0.4

    0.3

    0.2

    0.1

    0.0

    0.1

    Pote

    ncija

    l

    Periodini niz -funkcija

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5x

    4

    3

    2

    1

    0

    Pote

    ncija

    lPeriodini potencijal

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0x

    0.6

    0.5

    0.4

    0.3

    0.2

    0.1

    0.0

    0.1

    Pote

    ncija

    l

    Model sferine krave

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Elektronski spektar u sinusnompotencijalu

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal

    Promatra se 1d sustav.

    Pretpostavlja se da je potencijal:

    V(x) = V0 + 2V1 cos(2

    ax)

    DJ za periodini dio Blochove valne funkcije:[2

    2me

    (k d

    dx

    )2+ V0 + 2V1 cos

    (2

    ax)]

    uk = Euk

    Budui da je uk(x) periodina funkcija moe se prikazati prikazatiFourijerovog reda:

    uk(x) =

    n=0,1,...un(k) e2nx/a

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijalPrimjena Fourijerove analize na DJ dobiva se skup vezanihjednadbi:[

    2

    2me

    (k+

    2na

    )2+ V0

    ]un(k)+V1 un1(k)+V1 un+1(k) = E un(k)

    koji se moe prikazati kao problem vlastitih vrijednosti i vektora:

    . . . . . .

    . . . E(0)k,n1 V1 0 . . .

    . . . V1 E(0)k,n V1 . . .

    . . . 0 V1 E(0)k,n+1 . . .

    . . .. . .

    matrica M(k)

    ...un1(k)un(k)un+1(k)

    ...

    = E

    ...un1(k)un(k)un+1(k)

    ...

    gdje je:

    E(0)k,n =2

    2me

    (k+

    2na

    )2+ V0

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal

    Na dijagonali matrice M(k) se nalaze energije E(0)k,n Svi elementi su matrice jednaki nuli osim dijagonale i susjednihpoddijagonala. Na poddijagonalama su svi elementi jednaki V1.

    Vlastite vrijednosti se trae posebno za svaki valni broj k unutar1. Brillouinove zone.

    Matrica M(k) je beskonano velika. Budui da je matrica beskonano velika, matrica je invarijantnana zamjenu n n+ 1, odnosno:

    k k+ 2a

    Aproksimativno se rjeenje moe dobiti rezanjem matrice irezanjem Fourijerovog razvoja funkcije uk(x) na konani brojFourijerovih komponenti.

    Kako rezati?Ovisno o valnom broju k izabrati one retke/stupce koji nadijagonali imaju najmanje vrijednosti!

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Primjer: kako odrezati matricuAko se uzima u obzir samo jedan redak/stupac:

    . . . . . .

    . . . E(0)k,1 V1 0 . . .

    . . . V1 E(0)k,0 V1 . . .

    . . . 0 V1 E(0)k,+1 . . .

    . . .. . .

    a k 3a

    a k

    a

    3a k

    a

    Ako se uzimaju u obzir samo dva redka/stupca:

    . . . . . .

    . . . E(0)k,2 V1 . . .

    . . . V1 E(0)k,1 V1 0 . . .

    . . . 0 V1 E(0)k,0 V1 . . .

    . . . 0 0 V1 E(0)k,+1 . . .

    . . . 0 0 0 V1 . . .

    . . .. . .

    2a k 4a

    0 k 2a2a k 0

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Primjer: kako odrezati matricu - rezultati

    0

    2

    4

    6

    8

    Energije

    Rezultat koji se dobiva kada se ma-trica aproksimira samo jednim red-kom/stupcem koji ima najmanjuvrijednost (na dijagonali).

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    Energ

    ije

    Rezultat koji se dobiva kada sematrica aproksimira dva susjednaredka/stupca koji imaju najmanjevrijednosti na dijagonali.

    -3 -2 - 0 2 3k

    0

    20

    40

    60

    80

    Ene

    rgije

    Rezultat koji se dobiva kada se ma-

    trica aproksimira sa tri susjednaredka/stupca koji imaju najmanjevrijednosti na dijagonali.

    S obzirom na periodinostuzimaju se u obzir rijeenjasamo za valne brojeve unu-tar prve Brillouinove zone(BZ1).

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Energijski spektar estica koja se giba u sinusnom potencijalu

    -3 -2 - 0 2 3k

    Ener

    gije

    Rezultati numerikog izrauna vlastitih stanja matrice M(k). Sivom parabolom je naznaenaenergija kada nema periodikog potencijala. Crvenom, plavom i zelenom linijom su oznaene vrpceenergija indeksa n = 1, 2 i 3. Periodinost dobivenih energija naznaena je crtkanim linijama.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Raun smatnje za sinusni potencijalOpenito raun smetnje za proizvoljni potencijal:

    n (0)n k =n

    (0)k |V|(0)n

    E(0)k E(0)n

    (0)k + . . .

    En E(0)n + (0)n |V|

    (0)n

    k =n

    |(0)k |V|(0)n |2

    E(0)k E(0)n

    + . . .

    U sluaju sinusnog potencijala:

    k(x) ekx

    [1 V1

    E(0)k+G E(0)k

    e+Gx V1E(0)kG E

    (0)k

    eGx]+ . . .

    Ek E(0)k |V1|2

    E(0)k+G E(0)k

    |V1|2

    E(0)kG E(0)k

    + . . .

    gdje je

    G =2

    auoiti da je: E(0)k,n =

    2

    2me

    (k+

    2

    an)2

    = E(0)k+nG

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Pristup preko rauna smatnje Raun smetnje divergira za valne brojeve na rubu Brillouinovezone:

    E(0)k E(0)kG

    Za valne brojeve oko ruba Brillouinove zone treba koristiti raunsmetnje za energijski degenerirana stanja:

    det

    E(0)k E V1V1 E(0)kG E

    To su mjesta u kojima energija ima diskontinuitet.

    -3 -2 - 0 2 3k

    0

    10

    20

    30

    40

    Ener

    gije Energija dobivena ra-

    unom smetnje.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Energija kao funkcija valnog broja dobivena raunom smetnje

    -3 -2 - 0 2 3

    Ener

    gije

    1. BZ

    2. BZ2. BZ

    3. BZ3. BZ

    Energija kao funkcija valnog broja u shemi proirenih zona.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Veza izmeu metode matrice i rauna smetnje

    -3 -2 - 0 2 3k

    Ener

    gije

    Energija prikazana u proirenoj zoni valnih brojeva.Rezultat dobiven iz vlastitih vrijednosti beskonane matrice, za valne brojeve unutar 1BZ, moe sepovezati s rjeenjem dobivenim pomou rauna smetnji ako se dijelovi vrpci translatiraju za vektorereciprone reetke (G = 2na , n = 0, 1, 2, ).

    Energija estice koja se giba u periodinom potencijalu moe se promatrati kao jednadiskontinuirana funkcija u shemi proirenih zona (k moe biti beskonaan) ili kao viestruka funkcijaunutar prve BZ.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Saetak rezultata

    Energijski spektar periodina je funkcija valnog broja. Period jevektor reciprone reetke.

    Vrpasta struktura spektra moe se prikazati: s valnim vektorima iz podruja 1. Brillouinove zone kao viestrukafunkcija

    ili s valnim vektorima iz proirene zone kao jedinstvena isprekidanafunkcija.

    Za valne brojeve blizu ruba Brillouinove zone dolazi do cijepanjaenergije i otvaraju se podruja (ili zona) zabranjenih energija.

    Ne postoji periodiko stacionarno Blochovo stanje za energije izzabranjene zone.Valne funkcije tih energija imaju valne brojeve s imaginarnimdijelom.

    Podruja zabranjenih energija sve su ua kako broj zone raste.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Doputene i zabranjene vrijednosti energija

    - 0

    Ener

    gije

    dopustene i zabranjene energije

    Energija kao vieznana funkcija valnog broja u shemi reducirane zone (1. BZ).

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodiki dio Blochove funkcije

    10 5 0 5 100.0

    0.5

    1.0

    1.5

    2.0

    10 5 0 5 102.01.51.00.50.00.51.01.52.0

    10 5 0 5 101.00.50.00.51.01.5

    Periodiki dio Blochove funkcije (realni dio) za tri stanja najnie energije valnog broja k = 0.0.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Periodiki dio Blochove funkcije

    10 5 0 5 101.00.50.00.51.01.52.0

    10 5 0 5 102.01.51.00.50.00.51.01.52.0

    10 5 0 5 101.0

    0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    Blochove funkcije (realni dio) za tri stanja najnie energije valnog broja k = 0.2/a.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    irina doputenih energijskih zona

    0 20 40 60 80 100

    V1

    150

    100

    50

    0

    50

    100

    sirin

    a vr

    pci

    Zabranjene i doputene zone za 1d sustav kao funkcije jaine sinusnog potencijala (V1). ZaV1 h2/(mea2) doputene energije postaju uske vrpce.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal u viim dimenzijama

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal u viim dimenzijama

    Budui da je potencijal periodika funkcija, moe se razviti uFourijerov red:

    V(r) =Gm

    VGm erGm (m je trojka cijelih brojeva)

    Periodiki dio Blochove valne funkcije je takoer periodika funkcija,pa:

    uk(r) =Gm

    uk,Gm erGm

    i pri tome Fourijerove komponente zadovoljavaju skup matrinihjednadbi

    2

    2me

    (k+ Gm

    )2uk,Gm +

    n

    VGn uk,GmGn = Euk,Gm

    Radi se o problemu nalaenja vlastitih vrijednosti i vlastitih vektorabeskonane matrice!

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal u viim dimenzijamaAko su Fourijerove komponente sinusnog potencijala male, priblinarjeenja se mogu dobiti raunom smetnje. To je ekvivalentno rezanjumatrice na manji broj Fourijerovih komponenti.

    Raun smetnje divergira ako su energije vala i rasprenog valapriblino iste - degenerirane. To se dogaa za valne brojeve:

    2

    2me

    (k Gm

    )2

    2

    2mek2 odnosno 2 k Gm = G2m

    Jednadba je zadovoljena ako je k = 0.5 Gm. To odgovaravalnom broju koji se nalazi na polovici spojnice izmeu voritareciprone reetke, tj. na povrini koja omeuje Brillouinovuzonu.

    Jednadba je zadovoljena i za valne vektore koji imaju ikomponentu koja je okomita na spojnicu:

    k = 0.5Gm + k gdje je k Gm = 0

    To su valni brojevi na rubu Brillouinove zone!

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Sinusni potencijal u viim dimenzijama

    I u sluaju viih dimenzija energijski spektar formira vrpce.

    Izmeu vrpci postoji procijep, podruje zabranjenih energija, kojije rezultat viestrukog rasprenja estica na periodikompotencijalu.

    Ako u potencijal uleti estica energije iz zabranjenog podrujaenergija, njena valna funkcija trne od povrine premaunutranjosti. Takva estica se odbije/reflektira od povrinepotencijala (tijela).

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Primjer energijskih vrpci za 2d kvadratnu reetku

    Energijske vrpce za 2d kvadratnu reetku. Potencijal:

    V(r) = 2V1[cos

    (2xa

    )+ cos

    (2ya

    )]

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    1. i 2. Brillouinova zona

    3 2 1 0 1 2 33

    2

    1

    0

    1

    2

    3

    -4.50

    0

    -3.0

    00

    -1.500 -1.50

    0

    -1.50

    0 -1.500

    0.000 0.000

    0.000 0.000

    1. Brillouinova zona

    3 2 1 0 1 2 33

    2

    1

    0

    1

    2

    3

    14.500

    14.500 14.5

    00

    14.500

    15.500

    15.500 15.5

    00

    15.500

    18.000

    18.0

    00

    18.000

    18.00021.000

    24.0

    00

    27.000

    30.000

    2. Brillouinova zona

    Plohe konstantne energije u 1. i 2. Brillouinovoj zoni.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Proirena Brillouinova zona

    6 4 2 0 2 4 66

    4

    2

    0

    2

    4

    6Prosirena Brillouinova zona

    Plohe konstantne ener-gije u proirenoj Bril-louinovoj zoni priblinoslijede oblik kugle kojapredstavlja Fermi povr-inu u sluaju konstant-nog potencijala.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Brillouinove zone

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Brillouinove zone

    1d sustav:1. Brillouinova zona: valni brojevi u [a ,+

    a ]

    2. Brillouinova zona: valni brojevi u [ 2a ,a ] i [+

    a ,+

    2a ]

    3. Brillouinova zona: valni brojevi u [ 3a ,2a ] i [+

    2a ,+

    3a ]

    itd.Sve zone imaju istu veliinu (u 1d istu duinu)!

    2d sustav:kvadratna reetka heksagonska reetka

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Proirena Brillouinova zona za 2d

    Zone se dobivaju tako da polovimo prav-cima (povrinama u 3d) spojnice nekogvorita s prvim susjednim voritima, po-tom s drugim najbliim susjednim vori-tima, zatim s treim najbliim susjednimvoritima itd.

    Na slici je prikazana shema proirenihBrillouinovih zona za 2d kvadratnu re-etku. Pojedine zone obojene su razli-itim bojama. Svaka zona dodiruje pret-hodnu zonu duinom pravca. Ukupna po-vrina svake od zona jednaka je povrini1 BZ.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    1. Brillouinova zona za 3d

    Volumno centrirana kubna reetka Plono centrirana kubna reetka

    Vie zone su izuzetno kompleksni poliedri.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Neki odgovori

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Izolatori i metali

    Tvari u kojima je postoji procijep u energiji izmeu popunjenih i praz-nih kvantnih stanja su izolatori.

    Sustav u kojem tee struja nalazi se u stanju neravnotee:broj estica koje se gibaju u jednom smjeru i u suprotnom smjerunije isti.

    Takvo se stanje moe postojati samo u sustavima koji imajudjelomino popunjenu vrpcu (na T = 0).

    Metali imaju djelomino popunjenu vrpcu, a izolatori imajuprocijep izmeu popunjenih i praznih kvantnih stanja.

    Koji to elementi/tvari imaju djelomino popunjenu vrpcu i zato?

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Izolatori i metali

    Broj kvantnih stanja u 1BZ jednak je broju jedininih elija ilibroju atoma u monoatomnim tvarima:

    k

    =V

    (2)3

    1BZ

    dk =V

    (2)3 (2)

    3

    Vc= N

    U jednovalentnim elementima (Na, K, Cu, ) broj elektrona jejednak broju atoma. Pola elektrona ima spin prema gore, a polaspin prema dolje pa je vrpca polapopunjena!

    Za jednovalentne elemente i tvari u kojima je broj elektronajednak broju jedininih elija oekujemo da su uvijek metali.Meutim postoje iznimke!

    Dvovalentni elementi (Mg, Ca, ) kompletno popunjavaju vrpcu.Dvovalentni elementi (2. skupina) su ipak metali jer dolazi doprekrivanja popunjene i prazne vrpce. Ne postoji procijep uenergijskom spektru.

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Foto galerija

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Foto galerija

    Lon Brillouin (18891969)Francuski fiziar

    Paul Karl Ludwig Drude(1863-1906)

    Njemaki fiziar

    Arnold Johannes WilhelmSommerfeld (18681951)

    Njemaki fiziar

  • .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    Foto galerija

    Enrico Fermi (19011954)Talijansko-ameriki fiziar

    NN 1938za stvaranje novih elemenata neutronskim

    zraenjem

    Felix Bloch (1905-1983)vicarski fiziar

    NN 1952za razvoj NMR mjerenja

    UvodDrude-Sommerfeldov modelTermodinamika svojstva metalaElektron u periodinom potencijaluElektronska struktura materijalaElektronski spektar u sinusnom potencijaluSinusni potencijal u viim dimenzijamaBrillouinove zoneNeki odgovoriFoto galerija