倒易点阵

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)。

一个二维晶体及其倒易点阵

数学描述

一维晶格

对于以 为基矢的一维晶格,其倒格子的基矢为

 

二维晶格

对于以 为基矢的二维晶格,定义其二维平面法线向量为 ,其倒格子的基矢为

 
 

三维晶格

对三维晶格而言,我们定义素晶胞的基矢  ,可以用下列公式决定倒晶格的晶胞基矢 

 
 
 

倒晶格与正晶格的关系

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(h,k,l)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

 

倒晶格的物理意义

在此以一维晶格为例。在一个以 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 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 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。

倒晶格与晶体衍射

晶体衍射满足布拉格定律

 

定义入射波波矢为 ,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 ,反射波波矢为 ,可以得到

 

这个形式也和劳厄方程式相符。

晶体衍射的想法也可以用来解释能带结构中,为什么能量的分布是不连续的。

常见布拉菲晶格的倒晶格

简单立方晶体

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  。

面心立方晶体(FCC)

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(BCC)

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  (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 与其真实晶格之三轴有垂直的关系.

参阅

  • 晶体学
  • 对偶空间
  • 电子衍射
  • 埃瓦尔德球(英语:Ewald's sphere)
  • 密勒指数(英语:Miller index)
  • 布里渊区

外部链接