倒易空間與繞射

布里淵區

/ BREE-loo-an ZOHN /

想像把一塊鋪了瓷磚的地面劃成一塊塊「勢力範圍」,每塊瓷磚一片,規定該範圍內的任何位置離自己這塊瓷磚都比離別的瓷磚更近。布里淵區正是這樣一片勢力範圍,只不過它是圍著倒易格子的某個點畫出來的,而不是圍著地磚。它圈出了你描述晶體內部波與電子行為時所需的最小的一塊波空間——這塊之外的一切都只是重複。

確切地說,第一布里淵區是倒易格子的原胞,用維格納–賽茨法構造:選定一個倒易格點,向它所有的近鄰連線,在每條連線的中點作一個垂直平面把它切斷,保留離這個點最近的那塊區域。由於晶體在重複,所有可能的電子波都能用這單獨一個區內的一個點來標記;落在區外的波標記,與區內的某個標記在物理上完全相同,只是相差一個倒易格向量。

它之所以重要,是因為晶體幾乎所有深層的行為——電子沿哪些方向容易行進、能隙在哪裡張開、聲音與熱如何傳播——都是從畫在整個布里淵區上的各種量裡讀出來的。它就是繪製能帶結構的舞台。一個常見的誤解:布里淵區並不是材料內部某塊真實空間,而是倒易空間裡的一塊區域,是一張關於允許的波方向與波長的地圖。

對於原子的簡單正方形排列,第一布里淵區在波空間裡就是一個正方形。物理學家給它的角點和邊中點標上字母,沿著這些點之間的路徑畫出電子能量——那條折線圖就是著名的能帶結構圖。

二維晶體的正方形布里淵區,以及沿之繪製能量的路徑。

也存在更高的區(第二、第三……),但僅憑第一區就足以標記每一個不同的波。更高的區主要是為了便於直觀呈現,把同樣的資訊展開來看。

又稱
first Brillouin zone