next up previous contents
: 半導体モデル : 電子状態とバンド構造 : 強く束縛された電子の近似   目次

弱い周期場

原子配列と一致した,摂動と見なせるほど弱い周期的ポテンシャル $U(\mbox{\boldmath$r$})$を導入する.逆格子ベクトル $\mbox{\boldmath$K$}_{hkl}$を用いて, $U(\mbox{\boldmath$r$})$をフーリエ級数に展開する.
$\displaystyle U(\mbox{\boldmath$r$}) = \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}U_{\mbox{\boldmath$K$}}{\rm e}^{{\rm i}\mbox{\boldmath$K$}\cdot\mbox{\boldmath$r$}},$     (3.5.48)
$\displaystyle \mbox{\boldmath$K$} = (h\mbox{\boldmath$a$}^{*},\ k\mbox{\boldmath$b$}^{*},\ l\mbox{\boldmath$c$}^{*}),$     (3.5.49)
$\displaystyle U_{\mbox{\boldmath$K$}} = U_{-\mbox{\boldmath$K$}} = U_{\mbox{\boldmath$K$}}^{*}$     (3.5.50)

固有関数 $\psi_{\mbox{\boldmath$k$}}(\mbox{\boldmath$r$})$ $u_{\mbox{\boldmath$k$}}(\mbox{\boldmath$r$})$もフーリエ級数に展開する.
$\displaystyle \psi_{\mbox{\boldmath$k$}}(\mbox{\boldmath$r$}) = u_{\mbox{\boldm...
...e}^{{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})\cdot\mbox{\boldmath$r$}}$     (3.5.51)

上式は,結晶中で電子状態を記述する平面波が周期的ポテンシャル場の中でブラッグ反射を受けることを表す.

(5-1),(5-2)式をシュレーディンガー方程式に代入する.

$\displaystyle \left[- {\hbar^{2} \over{2m}}\Delta + U(\mbox{\boldmath$r$})\righ...
... \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}\psi_{\mbox{\boldmath$k$}}(\mbox{\boldmath$r$}),$     (3.5.52)
$\displaystyle - {\hbar^{2} \over{2m}}\Delta\psi_{\mbox{\boldmath$k$}}(\mbox{\bo...
...e}^{{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})\cdot\mbox{\boldmath$r$}}$     (3.5.53)
$\displaystyle = \sum{\hbar^{2}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})^{2} \...
...e}^{{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})\cdot\mbox{\boldmath$r$}}$     (3.5.54)
$\displaystyle \equiv \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + ...
...}^{{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})\cdot\mbox{\boldmath$r$}},$     (3.5.55)


$\displaystyle \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\...
...e}^{{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$})\cdot\mbox{\boldmath$r$}}$     (3.5.56)
$\displaystyle = \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}\sum_{\mbox{\boldmath$K$}}\alpha_...
...k$} + \mbox{\boldmath$K$} + \mbox{\boldmath$K$}')\cdot\mbox{\boldmath$r$}} = 0,$     (3.5.57)

上式に, ${\rm e}^{-{\rm i}(\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}'')\cdot\mbox{\boldmath$r$}}$を掛けて積分する.
$\displaystyle \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}(\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{...
... \mbox{\boldmath$K$}'')\cdot\mbox{\boldmath$r$}}{\rm d}\mbox{\boldmath$r$} = 0,$     (3.5.58)
$\displaystyle \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}(\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{...
...\delta(\mbox{\boldmath$K$} + \mbox{\boldmath$K$}' - \mbox{\boldmath$K$}'') = 0,$     (3.5.59)
$\displaystyle (\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}''}^{0} - \ep...
...' - \mbox{\boldmath$K$}}\alpha_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}} = 0,$     (3.5.60)
$\displaystyle \mbox{\boldmath$K$}''\ \longrightarrow\ \mbox{\boldmath$K$},\ \ \ \mbox{\boldmath$K$}\ \longrightarrow\ \mbox{\boldmath$K$}'$     (3.5.61)
$\displaystyle (\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}}^{0} - \epsi...
...- \mbox{\boldmath$K$}'}\alpha_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}'} = 0,$     (3.5.62)

上式は,1つの $\mbox{\boldmath$k$}$を指定したときに $\mbox{\boldmath$K$}$の数だけの連立方程式を与える.

第2項の $\mbox{\boldmath$K$}'$の和の中で1つの $U_{\mbox{\boldmath$K$}}$だけが重要である場合を考える.

$\displaystyle (\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}}^{0} - \epsi...
...\mbox{\boldmath$K$}} + U_{\mbox{\boldmath$K$}}\alpha_{\mbox{\boldmath$k$}} = 0,$     (3.5.63)
$\displaystyle (\epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}^{0} - \epsilon_{\mbox{\boldmath$k...
...- \mbox{\boldmath$K$}'}\alpha_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}'} = 0,$     (3.5.64)


\begin{displaymath}
\left(
\begin{array}{cc}
U_{-\mbox{\boldmath$K$}'} & \epsilo...
...h$K$}}\\
\alpha_{\mbox{\boldmath$k$}}
\end{array}\right)
= 0,
\end{displaymath} (3.5.65)


$\displaystyle \vert U_{\mbox{\boldmath$K$}}\vert^{2} - (\epsilon_{\mbox{\boldma...
...\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}}^{0} - \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}) = 0,$     (3.5.66)
$\displaystyle \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}} = {1 \over{2}}\left[\epsilon_{\mbo...
...mbox{\boldmath$K$}}^{0})^{2} + 4\vert U_{\mbox{\boldmath$K$}}\vert^{2}}\right],$     (3.5.67)

$U_{\mbox{\boldmath$K$}}$の影響の大きいのは
$\displaystyle \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}^{0} \simeq \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$} + \mbox{\boldmath$K$}}^{0},$     (3.5.68)
$\displaystyle \mbox{\boldmath$k$} \simeq \pm\frac{\mbox{\boldmath$K$}}{2},$     (3.5.69)

$\mbox{\boldmath$k$} = \frac{\mbox{\boldmath$K$}}{2}$では,
$\displaystyle \epsilon_{\mbox{\boldmath$K$}/2} = \epsilon_{\mbox{\boldmath$K$}/2}^{0} \pm U_{\mbox{\boldmath$K$}},$     (3.5.70)

図 3.7: 古典的磁石と電子スピン磁石
\includegraphics[width=8cm, clip]{ug2-7.eps}
$\mbox{\boldmath$k$} = \pm\frac{\pi}{a}$での様子を調べる.
$\displaystyle \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}^{-} = {1 \over{2}}\left[2\epsilon_...
...t U_{{2\pi}/a}\vert^{2}}\right]
= \epsilon_{\pi/a}^{0} - \vert U_{2\pi/a}\vert,$     (3.5.71)
$\displaystyle {\alpha_{\pi/a} \over{\alpha_{-\pi/a}}} = -{U_{2\pi/a} \over{\vert U_{2\pi/a}\vert}} = 1,\ \ \ (U_{\pm2\pi/a} < 0)$     (3.5.72)
$\displaystyle \psi_{\pi/a}^{-}(x) = \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}\alpha_{\pi/a + \...
...}{\rm e}^{{\rm i}\frac{\pi}{a}x} = 2\vert\alpha_{\pi/a}\vert\cos\frac{\pi}{a}x,$     (3.5.73)
$\displaystyle \epsilon_{\mbox{\boldmath$k$}}^{+} = {1 \over{2}}\left[2\epsilon_...
...ert U_{2\pi/a}\vert^{2}}\right] = \epsilon_{\pi/a}^{0} + \vert U_{2\pi/a}\vert,$     (3.5.74)
$\displaystyle {\alpha_{\pi/a} \over{\alpha_{-\pi/a}}} = {U_{2\pi/a} \over{\vert U_{2\pi/a}\vert}} = -1,$     (3.5.75)
$\displaystyle \psi_{\pi/a}^{+}(x) = \sum_{\mbox{\boldmath$K$}}\alpha_{\pi/a + \...
...a}{\rm e}^{{\rm i}\frac{\pi}{a}x} = 2\vert\alpha_{\pi/a}\vert\sin\frac{\pi}{a}x$     (3.5.76)

図 3.8: 古典的磁石と電子スピン磁石
\includegraphics[width=8cm, clip]{ug2-8.eps}

next up previous contents
: 半導体モデル : 電子状態とバンド構造 : 強く束縛された電子の近似   目次
Masashige Onoda 平成18年4月7日