• ベストアンサー

フォノンの発生について

初めまして! 私は化学を専攻しており、カーボンナノチューブ についての研究をしています。その中で格子振動を量子化したフォノンというものが出てきたのですが、それに対する理解ができずに困っています。具体的に言うと、カーボンナノチューブには0.2eVぐらいの振動モード (フォノン) があるのですが、室温(0.026eV)に比べると遥かにエネルギーが大きいように感じます。フォノンの駆動力は熱であるため、室温だとフォノンは発生していないのでしょうか? フォノンが発生するメカニズムが全く分からずので、どなたか教えていただけないでしょうか?よろしくお願いいたします。

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • nagata2017
  • ベストアンサー率33% (6245/18617)
回答No.1

フォノンが発生するメカニズム 物質は絶対零度では静止状態。 温度が上がると振動し始める。 その振動でフォノンが発生する。

keita1127
質問者

補足

回答ありがとうございます。 よろしければ、振動とフォノンの違いを教えていただけないでしょうか?

関連するQ&A

  • フォノン吸収・放出

    今半導体物理の直接遷移・間接遷移について勉強しているのですが、間接遷移では電子が励起されるときにフォノン吸収・放出が介在するとありました。ここで質問なのですがフォノン吸収・放出とはどのような現象でしょうか?フォノンが格子振動ということのようなので、フォノン吸収は格子振動のエネルギーを電子などに与えることで、フォノン放出は逆に電子などからエネルギーをもらって格子振動をするというイメージでよろしいでしょうか?よろしくお願いします。

  • フォノンにおける2つのモードについて

    固体物理学のフォノンの内容がちっとも理解出来ません。単位格子が異種原子からなる結晶では音響フォノンと光学フォノンの2種類が存在するという点で既に行き詰まっています。 運動方程式を解いて導出した角振動数ω^2にはω+^2とω-^2の2つが得られますが、角振動数ω+とω-の波がそれぞれ同時に固体中で存在しているという事でしょうか。例えば、物体を鉛直投げ上げするときに、物体が投げる位置y=0に再び戻って来る時間を求めるという際には0=v0t-1/2(gt^2)を解くとt=0,(2v0)/gの2解が得られます。でもこれは物体がy=0にある時刻は2つあるだけであって同時に存在している訳ではなく、それぞれ別の場合ですよね。 一方で今回のω+^2とω-^2はこの2種類の角振動数の波が同時刻に固体中を伝播していて、固体中でうなりのような事が起きているという意味なんですか?それだと隣り合う原子が纏まって振動する音響フォノンと逆位相で振動する光学フォノンが同時に結晶中に存在出来ないと思います。ω+^2とω-^2の2つの解が現れる理由もよく分からないし、添付図の見方もよく分かりません。ある波数kで2種類の角振動数の波が別個で伝わっているという事なんでしょうか。エネルギーバンド図と添付図の形が酷似しているのはE=h~ωなので縦軸と横軸が同じになるからだとは思うのですが、考えてみるとバンド構造もある同一の波数kに対してそれに対応するエネルギーEが複数あるのも奇妙に感じてきました。それはともかくとして、ω-kグラフの2つの周期関数もあるkに対して2つのωを持つのではなく、バンド幅と同様に各曲線の振幅の範囲内に無数の角振動数ωの波が同時に混在しているという意味なんでしょうか。難しくてどうしても要領が得られなくて困っています。 また光学フォノンとは正電荷のイオン核が隣り合うイオン核同士で反発し合ってお隣さんとは逆向きに振動しているから起こるのですか?それでは何故、音響フォノンだと隣接原子同士でも反発せずに同位相で振動出来るのでしょうか。 最後に同種原子の結晶中の振動と異種原子の結晶中の振動では、どちらも同じ「原子の振動」ではありますが、どういった違いがあるのか。また異種原子では光学フォノン・音響フォノンそれぞれで固体中を振動が伝播していくとき、結果としてどんな違いがあるのか具体的な現象の例や仮のお話もできればお願いします。

  • 絶縁体の熱伝導速度は音速よりなぜ遅い

    絶縁体の熱伝導速度は音速よりなぜ遅い 個体の場合熱の正体は格子振動だと思っています。熱平衡状態ではいろんなモードの格子振動のエネルギーが最大のエントロピーを持つように分配されるのだと思っています。温度が高いのは格子振動のモードにより多くのエネルギーが入っているのだと考えています。量子力学的にいえばフォノンはボソンなので同じモードにいくらでも入ることができ、温度を上げることができると理解しています。 絶縁体の左端に熱源を接触させたとき、まず個体の左端の温度があがると思います。この状態は多くの格子振動のエネルギーの線形結合として表現できるのではないかと思います。 しからば時間がたってそれぞれのモードの固有振動数は異なるため、ただちに位相がばらばらになり少なくても音速で右方向へ熱が伝わるかあるいは拡散すると思うのですが実際は毎秒数cmぐらいで熱くなっていくようにかんじます。 そこで質問ですが、なぜ熱は超音波のように速く伝わらないのでしょうか。 どこで勘違いしているのでしょうか。 よろしくお願いします。

  • 振動運動

    ある分子のC-H結合の振動バンドが(2900cm^-1)だった時、これに相当する光量子エネルギーを求める問題です。 このとき、 hc/λ の公式を使って光量子エネルギーを出したんですが、値が5.76×10^-28 になりました。 (6.626×10^-34)×(2.998×10^8)×(2900) = 5.76×10^-28 ここで聞きたいんですが、この値の単位は何になるんですか? 答えをeVで出したいんですが、この値の単位はeVですか? eVの値にしてはかなり小さすぎますよね? 誰か分かる方教えてください。

  • 氷やポリマーの熱を運ぶキャリヤについて

    氷やポリマーの熱を運ぶキャリヤについて質問があります。 固体の場合は電子や格子振動(フォノン)がありますが、氷やポリマーでは何が熱を運ぶのですか? もしフォノンの場合、分子と分子の間が途切れている(共有結合ではなく、水素結合や分子間力になっている)のにフォノンとして伝わるのですか?

  • 質量保存の法則と反応熱の関係について

    化学を専攻する者です。熱はe=mc^2で質量が減少したときに熱エネルギーが発生すると思っています。でも質量保存の法則が厳密に正しいとすると熱エネルギーは発生しないのではないかと思い始めました。 核反応で質量増減によってエネルギーが発生するように普通の化学反応でも数値的に非常に小さな質量変化が起こっていて反応熱が発生しているのではないでしょうか。また、それが限りなく0に近いので質量保存の法則が成り立つのではと思っています。この考えについて矛盾点や役立つ情報がありましたらご指摘お願いします。

  • 放射の振動数

    化学物理のエネルギーのところが良く分かりません・・・ どのようにとけばいいのでしょうか? 黒鉛から電子を放出するのに必要なエネルギーは4.39eVでこのエネルギーに等しい放射の振動数はいくらか? という問題なのですがどのようになるのでしょうか? 基本的なところですいませんが、よろしくお願いします。

  • 分子が結合すると、何故、熱が発生するのか?

    初歩的な化学の質問です。炭素と酸素が結合すると、二酸化炭素と394KJの熱が発生しますが、この熱が発生するのは、どのような"カラクリ”によるものなのでしょうか?化学の雑学の本を読んでいて、結合エネルギーを説明するのに、この炭素としては、酸素の例を出していて、サッパリわかりませんでした。よろしくお願い致します。

  • 質量崩壊の逆は?

    最近ふと思ったのですが、質量が崩壊すると崩壊した質量×光速の二乗のエネルギーが発生するらしいですが。原発はこの原理?定理?で熱を発生させているわけですけど、逆はできないのですか? エネルギーがあるとしてそのエネルギーを光速の二乗でわったら質量になる訳ですよね? エネルギーを質量に変換する研究とかはおこなわれてないのでしょうか? ちなみに量子学とかはまったくの素人です。 よろしくお願いします。

  • 波数ベクトルと波動関数

    質問が続けざまですみません。 バンド理論でよく波数ベクトルkが出てきて、kが大きくなると、エネルギーEも大きくなるような図をよく見かけます。何故、波数ベクトルkが大きいとエネルギーEも大きくなるのですか?振動数ν=c/λ、λ=2π/kをE=hνに代入して、E=hck/(2π)となります。波数kが大きいと存在する波の数(エネルギー量子の数)が多くなるので、エネルギーEも大きくなるという考えで合っていますか? また自由電子などを扱っていますが、そもそも電子の何が波なんでしょうか。格子振動の章ではフォノンの振幅など振動子として扱うので波というのは分かりますが、電子の波動関数において波数ベクトルkが何を指しているかが分かりません。電子の波動関数とは電子の存在確率の大小が波のように広がっている事を表していて、その波の波数という事ですか?波動関数Ψ=exp(i k・r)が一体何を表してるのか、もしkが大きくなると電子はどうなるのか、イマイチ理解できません。 どなたかご教授してもらえないでしょうか。お願いします。