ساختار الکترونی جامدات معدنی
ساختار الکترونی جامدات معدنی با نوارهایی از اوربیتالها که در سراسر بلور تشکیل میشوند، توصیف میشود که پر شدن و شکافهای آنها، عایقها، نیمهرساناها و فلزات را از هم متمایز میکند.
Definition
ساختار الکترونی جامدات معدنی، توصیفی از انرژیها و اشغال حالتهای الکترونی در یک بلور گسترده به صورت نوارهای پیوسته مشتق شده از اوربیتالهای اتمی است که خواص نوری و الکتریکی را تعیین میکند.
Scope
این موضوع به دیدگاه شیمیایی ساختار الکترونی در جامدات گسترده میپردازد: تشکیل نوارها از اوربیتالهای اتمی همپوشان، پهنای نوار و چگالی حالتها، شکاف نواری و طبقهبندی عایقها، نیمهرساناها و فلزات، نیمهرسانایی ذاتی و ناخالصی (دوپشده)، و محدودیتهای تصویر نواری در اکسیدهای فلزات واسطه همبسته که رفتار عایقمانند مات (Mott) در آنها ظاهر میشود. این مبحث به دیدگاه پیوند شیمیایی میپردازد؛ فیزیک حالت جامد دقیق نظریه نوار در فیزیک ماده چگال پوشش داده شده است.
Core questions
- اوربیتالهای اتمی چگونه در یک جامد به نوارها ترکیب میشوند؟
- چه چیزی تعیین میکند که یک جامد عایق، نیمهرسانا یا فلز باشد؟
- دوپینگ چگونه نیمهرساناهای نوع n و نوع p را ایجاد میکند؟
- چرا برخی از اکسیدهای فلزات واسطه با وجود نوارهای نیمهپر، عایق هستند؟
Key concepts
- نوارهای انرژی و پهنای نوار
- چگالی حالتها
- شکاف نواری
- عایقها، نیمهرساناها و فلزات
- دوپینگ و نوع حامل
- عایقهای مات و همبستگی
Key theories
- تشکیل نوار از همپوشانی اوربیتالی
- همانطور که اوربیتالهای اتمی در یک جامد تناوبی همپوشانی میکنند، سطوح گسسته آنها به نوارها گسترش مییابند؛ پهنای نوار نشاندهنده قدرت همپوشانی است و چگالی حالتها نحوه توزیع سطوح الکترونی در انرژی را توصیف میکند.
- شکافهای نواری و دستههای رسانایی
- یک نوار ظرفیت پر که توسط یک شکاف بزرگ از یک نوار رسانش خالی جدا شده است، یک عایق را ایجاد میکند، یک شکاف کوچک یک نیمهرسانا را ایجاد میکند، و یک نوار نیمهپر یک فلز را ایجاد میکند که جامدات را بر اساس رفتار الکتریکی آنها طبقهبندی میکند.
- همبستگی الکترونی و عایقهای مات
- در برخی از اکسیدهای فلزات واسطه، دافعه قوی الکترون-الکترون، الکترونها را موضعی میکند و حتی در یک نوار اسماً نیمهپر، شکافی ایجاد میکند که عایقهای مات را تولید میکند که مدل ساده نوار نمیتواند آنها را توضیح دهد.
Clinical relevance
درک ساختار الکترونی جامدات معدنی، زیربنای طراحی نیمهرساناها، فتوولتائیکها، رساناهای شفاف، کاتالیزورها و اکسیدهای فلزات واسطه عملکردی است که در الکترونیک و مواد انرژیزا استفاده میشوند.
History
نظریه نوار از بررسی الکترونها در پتانسیلهای تناوبی توسط بلوخ در سال ۱۹۲۸ نشأت گرفت و از طریق پیوند تصاویر اوربیتال مولکولی و حالت جامد، که توسط هافمن برای شیمیدانان توضیح داده شد، در شیمی به کار گرفته شد. کار مات بر روی اکسیدهای همبسته و مطالعات گودیناف بر روی اکسیدهای فلزات واسطه نشان داد که مدل ساده نوار در کجا دچار نقص میشود.
Key figures
- Felix Bloch
- Nevill Mott
- John Goodenough
- Roald Hoffmann
Related topics
Seminal works
- hoffmann1987
- west2014
- cox2010
Frequently asked questions
- یک نوار چگونه شبیه نمودار اوربیتال مولکولی است؟
- یک نوار، حد یک نمودار اوربیتال مولکولی برای تعداد بسیار زیادی از اتمها است: هرچه اتمهای بیشتری اوربیتالها را مشارکت دهند، سطوح پیوندی و ضدپیوندی گسسته به هم نزدیکتر شده و به یک محدوده انرژی تقریباً پیوسته، یعنی نوار، تبدیل میشوند.
- چرا یک شکاف نواری کوچک باعث ایجاد نیمهرسانا میشود؟
- هنگامی که شکاف بین نوار ظرفیت پر و نوار رسانش خالی کوچک باشد، انرژی حرارتی میتواند برخی از الکترونها را از آن عبور دهد و حفرههای متحرک را پشت سر بگذارد؛ هر دو حامل رسانا هستند، بنابراین ماده به طور متوسط و با افزایش دما بیشتر رسانا میشود.