ساختار الکترونی جامدات
ساختار الکترونی جامدات چگونگی ترکیب اوربیتالهای اتمی در یک شبکه تناوبی را به باندهای انرژی پیوسته توصیف میکند و اینکه چگونه پر شدن و فاصله این باندها تعیین میکند که یک جامد فلز، نیمهرسانا یا عایق است.
Definition
ساختار الکترونی یک جامد، مجموعهای از سطوح انرژی الکترونی مجاز است — که در باندهایی که توسط شکافها از هم جدا شدهاند، سازماندهی شدهاند — که از پتانسیل تناوبی کریستال ناشی میشود و رفتار الکتریکی، نوری و مغناطیسی جامد را کنترل میکند.
Scope
این موضوع به ساختار الکترونی جامدات گسترده از دیدگاه شیمیایی میپردازد: گسترش سطوح اتمی گسسته به باندها با همپوشانی اوربیتالها، چگالی حالتها و سطح فرمی، منشأ شکاف باند، و تصویر پیوند شیمیایی که ساختار باند را به ساخت کریستالها از اتمها مرتبط میکند. این ایدهها را به خواص الکتریکی و نوری و طراحی مواد الکترونیکی کاربردی پیوند میدهد.
Core questions
- چگونه اوربیتالهای اتمی همپوشان، باندهای انرژی را در یک جامد تشکیل میدهند؟
- چه چیزی اندازه شکاف باند را تعیین میکند؟
- چرا برخی جامدات فلز، برخی دیگر نیمهرسانا یا عایق هستند؟
- چگونه ساختار الکترونی به پیوند شیمیایی در جامدات گسترده متصل میشود؟
Key concepts
- باندهای انرژی و پهنای باند
- چگالی حالتها
- سطح فرمی
- شکاف باند
- باندهای ظرفیت و هدایت
- فلزات، نیمهرساناها و عایقها
Key theories
- تشکیل باند از همپوشانی اوربیتالی
- هنگامی که N اتم در یک کریستال جمع میشوند، هر اوربیتال اتمی به N سطح نزدیک به هم تقسیم میشود که یک باند شبهپیوسته را تشکیل میدهند؛ پهنای یک باند نشاندهنده قدرت همپوشانی اوربیتالی است و پر شدن باند نسبت به سطح فرمی، هدایت را کنترل میکند.
- شکاف باند و تمایز فلز/عایق
- اینکه یک ماده رسانا باشد یا خیر، بستگی به این دارد که آیا بالاترین باند اشغالشده تا حدی پر است (فلز) یا پر است و توسط یک شکاف از باند خالی بعدی جدا شده است (نیمهرسانا اگر کوچک باشد، عایق اگر بزرگ باشد)؛ اندازه شکاف، جذب نوری و فعالسازی حامل را تعیین میکند.
Mechanisms
الکترونها در یک باند نیمهپر تحت یک میدان اعمالشده حرکت میکنند تا جریان را حمل کنند؛ در مادهای با باند ظرفیت پر، هدایت نیازمند تحریک حرارتی یا نوری حاملها در سراسر شکاف است، بنابراین رسانایی به صورت نمایی به شکاف و دما بستگی دارد.
Clinical relevance
درک ساختار الکترونی جامدات اساس طراحی مواد الکترونیکی و نوری است: اندازه و ماهیت شکاف باند تعیین میکند که آیا یک ترکیب به عنوان یک رسانای شفاف، یک نیمهرسانا برای دستگاهها، یک جاذب نور برای سلولهای خورشیدی، یا یک دیالکتریک عایق مفید است یا خیر.
History
قضیه بلوخ در سال ۱۹۲۸ نشان داد که الکترونها در یک پتانسیل تناوبی، حالتهای گستردهای را اشغال میکنند که در باندها سازماندهی شدهاند، و ویلسون در سال ۱۹۳۱ از پر شدن باند برای توضیح تفاوت بین فلزات و عایقها استفاده کرد. توسعه بعدی نظریه تابعی چگالی توسط کوهن و همکارانش، محاسبه اصول اولیه ساختار الکترونی جامدات واقعی را به یک کار معمول تبدیل کرد.
Key figures
- Felix Bloch
- Alan Herries Wilson
- Walter Kohn
Related topics
Seminal works
- cox1987
- kittel2005
Frequently asked questions
- چرا یک جامد به جای سطوح گسسته، باندهای انرژی دارد؟
- هنگامی که اتمهای زیادی کنار هم قرار میگیرند، اصل طرد پائولی حالتهای یکسان را ممنوع میکند، بنابراین هر اوربیتال اتمی به تعداد اتمها به سطوح کمی متفاوت تقسیم میشود. با تعداد نجومی اتمها، این سطوح آنقدر ظریف فاصله دارند که یک باند پیوسته از انرژیهای مجاز را تشکیل میدهند.
- چه چیزی یک ماده را به جای عایق، نیمهرسانا میکند؟
- هر دو دارای یک باند ظرفیت پر هستند که توسط یک شکاف از یک باند هدایت خالی جدا شده است، اما در یک نیمهرسانا شکاف به اندازه کافی کوچک است (تقریباً چند الکترونولت یا کمتر) که انرژی حرارتی یا نور میتواند تعداد مفیدی از حاملها را از آن عبور دهد، در حالی که در یک عایق شکاف برای هدایت قابل توجه بسیار بزرگ است.