复习要点
1. 讨论声子与晶格振动间的关系。声子的性质、倒逆过程、用声子的概念解释材料的热传导,并讨论声子热导率与温度的关系。
答:(1)晶格振动是指晶体中诸原子(离子)集体地在其平衡位置附近作振动,由于原子间的相互作用力,各个原子的振动不是彼此独立的,表现为一系列的格波。晶体中原子离开平衡位置的运动,用一系列格波来等效(在一维单原子情况,格波数等于原子数)。如果原子间的相互作用与位移成正比,即在简谐近似下,格波可以近似地看作简谐波,格波间的相互作用可以忽略。这时的格波是相互独立的,称为独立模式。对于这些独立而又分立的振动模式,可用谐振子来描述,简谐振子的能量是量子化的,格波的能量也是量子化的,将最小单位??称为声子。声子是格波能量变化的最小单位,它并不是那个原子所有,而是某个格波能量的变化单位。 (2)
声子是一种准粒子,具有动量和能量;满足动量守恒与能量守恒定律;声子间互相碰撞改变状态、湮灭、形成新的声子。
声子的倒逆过程:固体热传导的能量载体包括电子,声子和光子;温度高处声子浓度大,声子将以声速往温度低处运动,这就是声子导热过程。由于晶格实际上是作非简諧运动,格波间会相互作用,这样声子间就会发生散射。声子的散射满足能量与准动量守恒,其散射包括两种过程。正常散射是同向的,倒逆过程是指第三个动量方向反过来,是另一种过程,这是产生热阻的主要原因。 材料中声子散射包括:( a ) 声子-声子散射(倒逆过程),(b) 声子与电子、点缺陷、位错、晶界的碰撞,(c) 声子与样品边界的碰撞。晶体的热阻为倒逆过程产生的热阻和电子、缺陷、位错等对声子散射产生的电阻之和。 (3)声子热导率随温度的变化如图所示:
峰值:热阻从来源于U(倒逆)过程到由边界散射主导的过渡
2. 材料的电阻是怎样产生的?杂质、温度对金属和半导体的电阻有何影响?按照单电子理论,温度接近绝对零度时,金属的电阻和温度有怎样的关系?
用电子的波动相干性解释在绝对零度附近,金属的电阻随温度降低而上升的原因。
答:(1)实际晶体总是不完整的,点缺陷、位错、杂质、晶界、表面,声子、畴(电畴与磁畴)和应力,以及晶体中原子的热运动,会使周期性势场产生畸变,畸变的势场对电子散射,形成电阻。
(2) 杂质、温度升高均会使金属的电阻增大。杂质是散射中心,会使金属中电子运动受到散射,电阻增大;温度升高使电子无规则运动加剧,电子的定向运动受到干扰,电阻增大。
掺入杂质使半导体的电阻下降,掺入杂质会在半导体的禁带产生杂质能级,电子可以借助杂质能及跃迁;温度升高,半导体电阻下降,温度升高为电子跃迁提供了能量。
(3) 金属中电子受缺陷和声子的散射而形成电阻,ρ(T)=ρ其中ρ
0
0
ρ(T)
是由于缺陷、杂质等引起的电阻率, ρ(T)是晶格振动(声子)引
起的电阻率。声子数目是随着温度降低而减少的。当温度趋于绝对零度时,电阻率应是常数ρ0。(自己理解)
(4)在绝对零度附近,由于电子的波动相干性,电子更愿意停留在原来的位子上,可动性比高温下要差,即弱局域性。由于电子的量子干涉效应,量子效应修正使电阻增大,随着温度的降低,量子效应对对电阻的修正越来越大,结果是:电阻随温度下降按指数规律增加的。
3. 基本概念: