Structure électronique des solides inorganiques
La structure électronique des solides inorganiques est décrite par des bandes d'orbitales formées à travers le cristal, dont le remplissage et les lacunes distinguent les isolants, les semi-conducteurs et les métaux.
Definition
La structure électronique des solides inorganiques est la description des énergies et de l'occupation des états électroniques dans un cristal étendu sous forme de bandes continues dérivées d'orbitales atomiques, qui déterminent les propriétés optiques et électriques.
Scope
Ce sujet aborde la perspective chimique de la structure électronique dans les solides étendus : la formation de bandes à partir d'orbitales atomiques qui se chevauchent, la largeur de bande et la densité d'états, la bande interdite (band gap) et la classification des isolants, des semi-conducteurs et des métaux, la semi-conduction intrinsèque et extrinsèque (dopée), ainsi que les limites du modèle de bande dans les oxydes de métaux de transition corrélés où apparaît le comportement isolant de Mott. Il traite de la vision de la liaison chimique ; la physique détaillée de l'état solide de la théorie des bandes est couverte en physique de la matière condensée.
Core questions
- Comment les orbitales atomiques se combinent-elles en bandes dans un solide ?
- Qu'est-ce qui détermine si un solide est un isolant, un semi-conducteur ou un métal ?
- Comment le dopage crée-t-il des semi-conducteurs de type n et de type p ?
- Pourquoi certains oxydes de métaux de transition sont-ils isolants malgré des bandes partiellement remplies ?
Key concepts
- Bandes d'énergie et largeur de bande
- Densité d'états
- Bande interdite
- Isolants, semi-conducteurs et métaux
- Dopage et type de porteur
- Isolants de Mott et corrélation
Key theories
- Formation de bandes par chevauchement d'orbitales
- Lorsque les orbitales atomiques se chevauchent à travers un solide périodique, leurs niveaux discrets s'élargissent en bandes ; la largeur de bande reflète la force du chevauchement et la densité d'états décrit la distribution des niveaux électroniques en énergie.
- Bandes interdites et classes de conductivité
- Une bande de valence remplie séparée d'une bande de conduction vide par une large bande interdite donne un isolant, une petite bande interdite donne un semi-conducteur, et une bande partiellement remplie donne un métal, classifiant ainsi les solides selon leur comportement électrique.
- Corrélation électronique et isolants de Mott
- Dans certains oxydes de métaux de transition, une forte répulsion électron-électron localise les électrons et ouvre une bande interdite même dans une bande nominalement à moitié remplie, produisant des isolants de Mott que le modèle de bande simple ne peut expliquer.
Clinical relevance
La compréhension de la structure électronique des solides inorganiques est fondamentale pour la conception des semi-conducteurs, des dispositifs photovoltaïques, des conducteurs transparents, des catalyseurs et des oxydes de métaux de transition fonctionnels utilisés dans l'électronique et les matériaux énergétiques.
History
La théorie des bandes est née du traitement de Bloch en 1928 des électrons dans des potentiels périodiques et a été appliquée à la chimie par le lien entre les modèles d'orbitales moléculaires et d'état solide, articulé pour les chimistes par Hoffmann. Les travaux de Mott sur les oxydes corrélés et les études de Goodenough sur les oxydes de métaux de transition ont révélé les limites du modèle de bande simple.
Key figures
- Felix Bloch
- Nevill Mott
- John Goodenough
- Roald Hoffmann
Related topics
Seminal works
- hoffmann1987
- west2014
- cox2010
Frequently asked questions
- En quoi une bande est-elle similaire à un diagramme d'orbitales moléculaires ?
- Une bande est la limite d'un diagramme d'orbitales moléculaires pour un nombre énorme d'atomes : à mesure que davantage d'atomes contribuent des orbitales, les niveaux discrets de liaison et d'anti-liaison se regroupent en une plage d'énergies quasi continue, la bande.
- Pourquoi une petite bande interdite rend-elle un matériau semi-conducteur ?
- Lorsque la bande interdite entre la bande de valence remplie et la bande de conduction vide est petite, l'énergie thermique peut promouvoir certains électrons à travers celle-ci, laissant derrière eux des trous mobiles ; les deux types de porteurs conduisent, de sorte que le matériau conduit modestement et de plus en plus avec la température.