倒易点阵

✍ dations ◷ 2025-06-28 19:39:26 #晶体学,几何学,傅里叶分析,晶格点,衍射

倒易点阵(英语:reciprocal lattice),又称倒(易)晶格、倒(易)格子,是物理学中描述空间波函数的傅立叶变换后的周期性的一种方法。相对于正晶格所描述的实空间周期性,倒晶格描述的是动量空间,亦可认为是k空间的周期性。根据位置和动量所满足的庞特里亚金对偶性,布拉菲晶格的倒晶格仍然是一种布拉菲晶格,而倒晶格的倒晶格就会变回原始晶格(正晶格)。

对于以 a {\displaystyle {\boldsymbol {a}}} 为基矢的一维晶格,其倒格子的基矢为

对于以 ( a 1 , a 2 ) {\displaystyle ({\boldsymbol {a_{1}}},{\boldsymbol {a_{2}}})} 为基矢的二维晶格,定义其二维平面法线向量为 n {\displaystyle {\boldsymbol {n}}} ,其倒格子的基矢为

对三维晶格而言,我们定义素晶胞的基矢 ( a 1 , a 2 , a 3 ) {\displaystyle ({\boldsymbol {a_{1}}},{\boldsymbol {a_{2}}},{\boldsymbol {a_{3}}})} ,可以用下列公式决定倒晶格的晶胞基矢 ( b 1 , b 2 , b 3 ) {\displaystyle ({\boldsymbol {b_{1}}},{\boldsymbol {b_{2}}},{\boldsymbol {b_{3}}})}

倒晶格与正晶格的基矢满足以下关系

定义三维中的倒晶格向量G

其中hkl为密勒指数,向量G的模长与正晶格的晶面间距有以下关系

向量G和正晶格向量R有以下关系

三维倒晶格中的晶胞体积ΩG和正晶格的晶胞体积Ω有以下关系

在此以一维晶格为例。在一个以 a {\displaystyle {\boldsymbol {a}}} 为基矢的一维晶格中,其波函数应该为布洛赫波

定义其倒晶格向量

以及一个函数

由于 u k ( x ) {\displaystyle u_{\boldsymbol {k}}({\boldsymbol {x}})} 是一个布洛赫波包,满足

所以

也是一个布洛赫波包。则波函数有以下性质

可见,倒晶格向量G描述了波函数在以k为基矢的动量空间(k空间)内的周期性。其向量单位,即倒晶格的基矢 b i {\displaystyle {\boldsymbol {b_{i}}}} 是描述k空间中平移对称性的基矢。其最小可重复单位,即倒晶格的晶胞,称为第一布里渊区。由于波矢k和动量与波函数对应的能量密切相关,在能带理论中也用来解释能带的周期性。

晶体衍射满足布拉格定律

定义入射波波矢为 k {\displaystyle {\boldsymbol {k}}} ,则上述公式可变换为

因此满足布拉格定律的晶体衍射反映的不是正晶格,而是倒晶格。

进一步将以上公式转化为向量形式,定义入射波波矢为 k i {\displaystyle {\boldsymbol {k_{i}}}} ,反射波波矢为 k o {\displaystyle {\boldsymbol {k_{o}}}} ,可以得到

这个形式也和劳厄方程式相符。

简单立方晶体的素格子基矢可以写成

体积为

可推得倒晶格的素格子基矢

所以简单立方晶体的倒晶格同样为简单立方晶体,但是晶格常数为 2 π a {\displaystyle 2\pi \over a}

面心立方晶体的素格子基矢可以写成下列三项

体积为

可推得倒晶格之素格子基矢

面心立方晶体的倒晶格为体心立方晶体。

体心立方晶体的素格子基矢可以写成下列三项

体积为

可推得倒晶格之素格子基矢

可得知体心立方晶体之倒晶格为面心立方晶体。

在布拉菲晶格中,三轴互为九十度的 ( a 1 , a 2 , a 3 ) {\displaystyle ({\boldsymbol {a_{1}}},{\boldsymbol {a_{2}}},{\boldsymbol {a_{3}}})} (立方, 正方, 斜方)的晶体结构,是很容易被证明其倒晶格空间之三轴 ( b 1 , b 2 , b 3 ) {\displaystyle ({\boldsymbol {b_{1}}},{\boldsymbol {b_{2}}},{\boldsymbol {b_{3}}})} 与其真实晶格之三轴有垂直的关系.


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