倒易空间与衍射

布里渊区

/ BREE-loo-an ZOHN /

想象把一块铺了瓷砖的地面划成一块块“势力范围”,每块瓷砖一片,规定该范围内的任何位置离自己这块瓷砖都比离别的瓷砖更近。布里渊区正是这样一片势力范围,只不过它是围着倒易格子的某个点画出来的,而不是围着地砖。它圈出了你描述晶体内部波与电子行为时所需的最小的一块波空间——这块之外的一切都只是重复。

确切地说,第一布里渊区是倒易格子的原胞,用维格纳–赛茨法构造:选定一个倒易格点,向它所有的近邻连线,在每条连线的中点作一个垂直平面把它切断,保留离这个点最近的那块区域。由于晶体在重复,所有可能的电子波都能用这单独一个区内的一个点来标记;落在区外的波标记,与区内的某个标记在物理上完全相同,只是相差一个倒易格矢。

它之所以重要,是因为晶体几乎所有深层的行为——电子沿哪些方向容易行进、能隙在哪里张开、声音与热如何传播——都是从画在整个布里渊区上的各种量里读出来的。它就是绘制能带结构的舞台。一个常见的误解:布里渊区并不是材料内部某块真实空间,而是倒易空间里的一块区域,是一张关于允许的波方向与波长的地图。

对于原子的简单正方形排列,第一布里渊区在波空间里就是一个正方形。物理学家给它的角点和边中点标上字母,沿着这些点之间的路径画出电子能量——那条折线图就是著名的能带结构图。

二维晶体的正方形布里渊区,以及沿之绘制能量的路径。

也存在更高的区(第二、第三……),但仅凭第一区就足以标记每一个不同的波。更高的区主要是为了便于直观呈现,把同样的信息展开来看。

又称
first Brillouin zone