فلزات، عایقها و شکافهای نواری
اینکه یک جامد رسانا باشد یا خیر، به نحوه پر شدن نوارهای الکترونی آن بستگی دارد: یک نوار نیمهپر، فلز ایجاد میکند، در حالی که یک نوار کاملاً پر در زیر یک نوار خالی که با یک شکاف از هم جدا شدهاند، یک عایق یا نیمهرسانا میسازد.
Definition
طبقهبندی فلز-عایق از پر شدن نوار پیروی میکند: یک جامد با نوار نیمهپر یک فلز است، و یک جامد با نوارهای کاملاً پر که توسط یک شکاف از نوارهای خالی جدا شدهاند، یک عایق یا، برای شکاف کوچک، یک نیمهرسانا است؛ همبستگیهای فراتر از نظریه نوار میتوانند یک سیستم اسماً فلزی را به یک عایق مات تبدیل کنند.
Scope
این موضوع طبقهبندی جامدات به فلزات، نیمهرساناها و عایقها را بر اساس نظریه نوار، پر شدن نوار و اندازه شکاف نواری، نقش تعداد الکترونهای ظرفیت و همپوشانی نوار، تمایز بین شکافهای مستقیم و غیرمستقیم، و محدودیتهای تصویر الکترون مستقل که توسط عایقهای مات (Mott) نشان داده شده است، پوشش میدهد؛ جایی که همبستگی الکترونی، نه پر شدن نوار، رفتار عایقی را هدایت میکند. این موضوع ساختار نواری را به ویژگی الکتریکی اساسی مواد مرتبط میسازد.
Core questions
- چگونه پر شدن نوار، فلزات را از عایقها و نیمهرساناها متمایز میکند؟
- چرا تعداد زوج الکترونهای ظرفیت در هر سلول، عایق بودن را تضمین نمیکند؟
- تفاوت بین شکاف نواری مستقیم و غیرمستقیم چیست؟
- چگونه مادهای که نظریه نوار پیشبینی میکند فلزی باشد، در واقع میتواند یک عایق باشد؟
Key concepts
- پر شدن نوار و اشغال جزئی
- شکاف نواری و همپوشانی نوار
- شکافهای مستقیم در مقابل غیرمستقیم
- نیمهفلزات و نقش تعداد الکترونهای ظرفیت
- عایقهای مات (Mott) و عایقسازی مبتنی بر همبستگی
Key theories
- طبقهبندی جامدات بر اساس پر شدن نوار
- در نظریه نواری الکترون مستقل، ویژگی الکتریکی یک بلور با این تعیین میشود که آیا بالاترین نوار اشغال شده به صورت جزئی پر شده است (فلز) یا کاملاً پر است و یک شکاف بالای آن وجود دارد (عایق یا نیمهرسانا)، با همپوشانی نوار که نیمهفلزات را تولید میکند.
- گذار فلز-عایق مات (Mott)
- هنگامی که دافعه الکترون-الکترون در مقایسه با پهنای نوار قوی باشد، یک نوار نیمهپر که نظریه نوار پیشبینی میکند فلزی باشد، به جای آن الکترونها را موضعی میکند و یک عایق مات (Mott) خارج از دسترس تصویر الکترون مستقل تولید میکند.
Clinical relevance
تمایز فلز-عایق اساسیترین ویژگی یک ماده الکترونیکی است و مبنای انتخاب رساناها، عایقها و نیمهرساناها در هر دستگاهی است؛ فیزیک مات (Mott) مبتنی بر همبستگی، در ابررساناهای دمای بالا و سایر مواد کوانتومی محوری است.
History
نظریه نواری فلزات و عایقها توسط ویلسون در سال ۱۹۳۱، رسانایی را با پر شدن نوار توضیح داد، اما وجود اکسیدهای فلزات واسطه عایق که نظریه نوار پیشبینی میکرد فلز باشند، مات (Mott) و پیرلز (Peierls) را از دهه ۱۹۳۰ به بعد به شناخت نقش تعیینکننده همبستگی الکترونی سوق داد.
Debates
- محدودیتهای نظریه نواری الکترون مستقل
- طبقهبندی صرفاً تکذرهای نظریه نوار برای مواد با همبستگی قوی مانند اکسیدهای فلزات واسطه شکست میخورد؛ اینکه تصویر نوار تا کجا میتواند گسترش یابد و از کجا یک رویکرد واقعاً چندجسمی مورد نیاز است، یک موضوع محوری در فیزیک ماده چگال باقی میماند.
Key figures
- Alan Herries Wilson
- Nevill Mott
- Rudolf Peierls
Related topics
Seminal works
- ashcroft1976
- mott1968
Frequently asked questions
- چرا یک ماده با نوار پر یک عایق است؟
- یک نوار کاملاً پر، جریان خالص را حمل نمیکند زیرا برای هر الکترونی که در یک جهت حرکت میکند، الکترونی در جهت مخالف حرکت میکند؛ تنها یک نوار نیمهپر، که در آن الکترونها حالتهای خالی نزدیک برای شتاب گرفتن دارند، میتواند رسانا باشد.
- چه چیزی یک عایق مات (Mott) را از یک عایق نواری معمولی متمایز میکند؟
- یک عایق نواری به دلیل پر بودن نوارهایش عایق است؛ یک عایق مات (Mott) یک نوار نیمهپر دارد و طبق نظریه نوار باید رسانا باشد، اما دافعه قوی کولنی الکترونها را موضعی میکند، بنابراین عایقسازی از برهمکنشها ناشی میشود نه از پر شدن نوار.