البنية الإلكترونية للمواد الصلبة غير العضوية
تُوصف البنية الإلكترونية للمواد الصلبة غير العضوية بواسطة نطاقات من المدارات تتشكل عبر البلورة، ويُميز ملؤها وفجواتها بين العوازل وأشباه الموصلات والمعادن.
Definition
البنية الإلكترونية للمواد الصلبة غير العضوية هي وصف لطاقات وإشغال الحالات الإلكترونية في بلورة ممتدة كنطاقات مستمرة مشتقة من المدارات الذرية، والتي تحدد الخصائص البصرية والكهربائية.
Scope
يغطي هذا الموضوع المنظور الكيميائي للبنية الإلكترونية في المواد الصلبة الممتدة: تشكيل النطاقات من تداخل المدارات الذرية، وعرض النطاق وكثافة الحالات، وفجوة النطاق وتصنيف العوازل وأشباه الموصلات والمعادن، والتوصيل شبه الموصل الجوهري والخارجي (المشوب)، وحدود صورة النطاق في أكاسيد الفلزات الانتقالية المترابطة حيث يظهر سلوك العزل لموت (Mott insulating behaviour). يتناول هذا الموضوع منظور الترابط الكيميائي؛ أما فيزياء الحالة الصلبة التفصيلية لنظرية النطاقات فتُغطى في فيزياء المادة المكثفة.
Core questions
- كيف تتحد المدارات الذرية لتشكل نطاقات في المادة الصلبة؟
- ما الذي يحدد ما إذا كانت المادة الصلبة عازلًا أم شبه موصل أم معدنًا؟
- كيف يُحدث التشويب أشباه الموصلات من النوع n والنوع p؟
- لماذا تعزل بعض أكاسيد الفلزات الانتقالية على الرغم من وجود نطاقات مملوءة جزئيًا؟
Key concepts
- نطاقات الطاقة وعرض النطاق
- كثافة الحالات
- فجوة النطاق
- العوازل وأشباه الموصلات والمعادن
- التشويب ونوع حامل الشحنة
- عوازل موت والترابط
Key theories
- تكوين النطاقات من تداخل المدارات
- عندما تتداخل المدارات الذرية عبر مادة صلبة دورية، تتسع مستوياتها المنفصلة لتشكل نطاقات؛ يعكس عرض النطاق قوة التداخل، وتصف كثافة الحالات كيفية توزيع المستويات الإلكترونية في الطاقة.
- فجوات النطاق وفئات التوصيل
- يؤدي وجود نطاق تكافؤ مملوء مفصول عن نطاق توصيل فارغ بفجوة كبيرة إلى عازل، وتؤدي فجوة صغيرة إلى شبه موصل، ويؤدي النطاق المملوء جزئيًا إلى معدن، مما يصنف المواد الصلبة حسب سلوكها الكهربائي.
- ترابط الإلكترونات وعوازل موت
- في بعض أكاسيد الفلزات الانتقالية، يؤدي التنافر القوي بين الإلكترونات إلى توطين الإلكترونات وفتح فجوة حتى في نطاق مملوء جزئيًا اسميًا، مما ينتج عوازل موت التي لا يستطيع نموذج النطاق البسيط تفسيرها.
Clinical relevance
يُعد فهم البنية الإلكترونية للمواد الصلبة غير العضوية أساسًا لتصميم أشباه الموصلات، والخلايا الكهروضوئية، والموصلات الشفافة، والمحفزات، وأكاسيد الفلزات الانتقالية الوظيفية المستخدمة في الإلكترونيات ومواد الطاقة.
History
نشأت نظرية النطاقات من معالجة بلوخ (Bloch) عام 1928 للإلكترونات في الجهود الدورية، وطُبقت على الكيمياء من خلال ربط صور المدارات الجزيئية والحالة الصلبة، والتي أوضحها هوفمان (Hoffmann) للكيميائيين. كشفت أعمال موت (Mott) حول الأكاسيد المترابطة ودراسات جودينو (Goodenough) لأكاسيد الفلزات الانتقالية عن مواضع انهيار نموذج النطاق البسيط.
Key figures
- Felix Bloch
- Nevill Mott
- John Goodenough
- Roald Hoffmann
Related topics
Seminal works
- hoffmann1987
- west2014
- cox2010
Frequently asked questions
- كيف يشبه النطاق مخطط المدار الجزيئي؟
- النطاق هو حد مخطط المدار الجزيئي لعدد هائل من الذرات: فمع مساهمة المزيد من الذرات بالمدارات، تتجمع المستويات المنفصلة للترابط ومضاد الترابط معًا في نطاق شبه مستمر من الطاقات، وهو النطاق.
- لماذا تؤدي فجوة النطاق الصغيرة إلى شبه موصل؟
- عندما تكون الفجوة بين نطاق التكافؤ المملوء ونطاق التوصيل الفارغ صغيرة، يمكن للطاقة الحرارية أن تدفع بعض الإلكترونات عبرها، تاركة وراءها فجوات متحركة؛ كلا حاملي الشحنة يوصلان، لذا فإن المادة توصل بشكل متواضع وتزداد موصليتها مع ارتفاع درجة الحرارة.