
- •Физика фононов
- •Степень ионности х некоторых элементов
- •1.2 Энергия решетки ионных кристаллов
- •Вклад в постоянную маделунга
- •Постоянная маделунга
- •II. Упругие свойства кристаллов
- •2.1 Тензор напряжений и деформаций
- •2.2 Тензорные свойства кристаллов
- •Число ненулевых констант в тензорах II, II и iу ранга
- •2.3 Закон Гука. Модули упругости и упругие константы.
- •В краткой матричной записи
- •Поскольку
- •Разумеется, это уравнение можно получить, используя общее выражение уравнения Кристофеля.
- •3. Колебания кристаллической решетки
- •3.1. Линейная моноатомная цепочка
- •Постановка решения в виде функции Блоха
- •3.3 Фазовая и групповая скорость волн в диспергирующей среде.
- •3.4. Одномерная двухатомная цепочка
- •3. Колебания кристаллической решетки
- •3.4. Колебания трехмерной решетки
- •3.5 Обратная решетка и зона бриллюэна
- •3.6. Ход ветвей колебаний в зоне
- •Как известно, коэффициенты Lkl являются элементами матрицы, для которой выполнено:
- •4. Колебательные состояния кристаллов
- •4.2. Продольные и поперечные акустические колебания
- •Поэтому
- •Отсюда следует, что
- •4.4. Эффект "запаздывания". Поляритон
- •Первые два уравнения, как известно, дают
- •4.5. Нормальные колебания. Фононы.
- •5. Ангармонизм колебаний
- •5.1 Гармонический осциллятор
- •Решение стационарного уравнения Шредингера
- •5.2 Ангармонический осциллятор и кристалл
- •5.3. Фонон-фононные взаимодействия
Вклад в постоянную маделунга
-
n1,n2,n3
Число
ионов
Nn1n2n3
Расстояние
в а0/2
Вклад в постоянную
Маделунга
100
110
111
200
210
211
220
221
222
300
310
311
320
321
322
6
12
8
6
24
24
12
24
8
6
24
24
24
48
24
1
2
3
4
5
6
8
9
12
9
10
11
13
14
17
–6/1 =–6.00000
+12/2=8.48528
–8/3 =–4.6188
+6/4 =+3.00000
–24/5 =–10.733
+24/6 = +9.798
+4.24
–8.0000
+2.309
–2.0000
+7.5894
–7.2363
–6.6564
+12.8285
–5.8208
= –1.747558
–2.81216
Улучшить сходимость ряда можно, перегруппировав члены ряда следующим образом (метод Эвьена). Необходимо выделить группы ионов так, чтобы сумма зарядов, входящих в выделенный объем, была бы равна нулю. Для иона, попадающего внутрь объема, надо учитывать весь заряд, для иона, находящегося на грани – 1/2, для иона, расположенного на ребре –1/4, для иона в вершине –1/8.
Для объема, показанного на рис.10, необходимо учесть 6 ионов на гранях, 12 – на ребрах и 8 – в вершинах показанного куба. Сумма этих членов ряда равна:
.
Учет следующего объема с длиной ребра 2a’ даст значение постоянной Маделунга –1.75, значение, которое близко к точному значению –1.747558. Значение постоянной Маделунга для некоторых структур приведены в табл.10.
Таблица 10.
Постоянная маделунга
-
Решетка
Ro
ao
v
NaCl
CsCl
Сфалерит
Вюрцит
1.747558
1.762670
1.63810
1.6410
3.495129
2.0354
3.7828
–
2.2018
2.0354
2.3831
2.3861
R – расстояние анион-катион; а – постоянная решетки; V– объем элементарной ячейки.
Знание постоянной Маделунга позволяет определить полный кулоновский вклад в энергию связи e2N/R. Истинная энергия связи меньше кулоновской на величину порядка 1/n от кулоновской, где n – показатель в выражении для энергии отталкивания
Отличие теоретической кулоновской энергии от реальной составляет около 10%, так что показатель n близок к 10. Точное значение коэффициента n в потенциале отталкивания можно получить из экспериментальных значений коэффициента объемной сжимаемости
= –1/V(dV/dp),
который можно выразить через энергию связи кристалла U. Действительно,
Для структуры типа NaCl с полным числом ионов 2N (N ионов каждого типа) и расстоянием анион-катион Ro полный объем кристалла равен V=2NRо3, а вторая производная полной энергии U по объему V равна:
Важно, что при равновесии R = Ro и (dU/dR)R=Ro=0. Поэтому сжимаемость при R=Ro равна:
и выражена через постоянную Mаделунга и равновесные постоянные кристалла.
Таким образом, показатель степени короткодействующих сил отталкивания равен:
.
Здесь e – заряд электрона, – сжимаемость при T0K (310–12см2/дн), – постоянная Маделунга.
Значения n для некоторых кристаллов, а также величины кулоновской энергии связи (энергия Маделунга), вклада отталкивания, энергии Bан-дер-Ваальсовых сил (дипольных и квадрупольных), а также вклада в энергию связи тепловых колебаний решетки (нулевых колебаний) приведены в табл.11.
Таблица 11.
ВКЛАДЫ В ЭНЕРГИЮ СВЯЗИ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ (в ккал/моль)
Вещество |
n |
Энергия Маделунга |
Отталк-ивание |
Силы Ван-дер-Ваальса |
Нулевые колебания решетки |
Полная энергия |
Опыт | |
Дип-дип. |
Квадр. квадр. | |||||||
NaF
NaCl
NaBr
NaI
|
7.0
9.1
8.5
9.5 |
248.1
204.3
192.9
178.0 |
–35.3
–23.5
–20.6
–17.1 |
4.5
5.2
5.5
6.3 |
0.1
0.1
0.1
0.1 |
–2.9
–1.7
–1.4
–1.2 |
214.5
184.4
176.5
166.1 |
–
182.8
173.3
166.4 |
Следует сказать, что вклад в энергию связи в ионном кристалле Ван-дер-Ваальсовых сил определяются также как и для молекулярных кристаллов и равен приблизительно C/R6m[12/(1+2]12, где 1 и 2 – предельные частоты дискретных колебательных спектров, а 1 и 2 – поляризуемости ионов. Энергия нулевых колебаний уменьшает энергию связи на величину приблизительно 2Nh/2, где – частота нулевых колебаний. Наибольшая поправка к энергии связи поэтому будет в случае наиболее легкого иона.