ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना
ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना यह बताती है कि कैसे परमाणु कक्षक एक आवधिक जालक में निरंतर ऊर्जा बैंडों में संयोजित होते हैं, और उन बैंडों का भरण और रिक्ति यह निर्धारित करती है कि कोई ठोस धातु, अर्धचालक या कुचालक है या नहीं।
Definition
किसी ठोस की इलेक्ट्रॉनिक संरचना अनुमत इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों का समूह है — जो गैप द्वारा अलग किए गए बैंडों में व्यवस्थित होते हैं — जो क्रिस्टल की आवधिक क्षमता से उत्पन्न होता है, और जो ठोस के विद्युत, ऑप्टिकल और चुंबकीय व्यवहार को नियंत्रित करता है।
Scope
यह विषय विस्तारित ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को रासायनिक दृष्टिकोण से देखता है: असतत परमाणु स्तरों का बैंडों में विस्तार जैसे-जैसे कक्षक अतिव्यापी होते हैं, अवस्थाओं का घनत्व और फर्मी स्तर, बैंड गैप की उत्पत्ति, और रासायनिक बंधन चित्र जो बैंड संरचना को परमाणुओं से क्रिस्टल के निर्माण से जोड़ता है। यह इन विचारों को विद्युत और ऑप्टिकल गुणों और कार्यात्मक इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों के डिजाइन से जोड़ता है।
Core questions
- अतिव्यापी परमाणु कक्षक एक ठोस में ऊर्जा बैंड कैसे बनाते हैं?
- बैंड गैप का आकार क्या निर्धारित करता है?
- कुछ ठोस धातु, अन्य अर्धचालक या कुचालक क्यों होते हैं?
- विस्तारित ठोसों में इलेक्ट्रॉनिक संरचना रासायनिक बंधन से कैसे जुड़ती है?
Key concepts
- ऊर्जा बैंड और बैंड चौड़ाई
- अवस्थाओं का घनत्व
- फर्मी स्तर
- बैंड गैप
- संयोजी और चालन बैंड
- धातु, अर्धचालक और कुचालक
Key theories
- कक्षीय अतिव्यापीकरण से बैंड निर्माण
- जैसे-जैसे N परमाणु एक क्रिस्टल में एकत्रित होते हैं, प्रत्येक परमाणु कक्षक N बारीकी से स्थित स्तरों में विभाजित हो जाता है जो एक अर्ध-सतत बैंड बनाते हैं; एक बैंड की चौड़ाई कक्षीय अतिव्यापीकरण की शक्ति को दर्शाती है, और फर्मी स्तर के सापेक्ष बैंड भरण चालन को नियंत्रित करता है।
- बैंड गैप और धातु/कुचालक भेद
- कोई पदार्थ चालन करता है या नहीं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि उच्चतम अधिग्रहित बैंड आंशिक रूप से भरा हुआ है (धातु) या पूर्ण है और अगले खाली बैंड से एक गैप द्वारा अलग किया गया है (यदि छोटा है तो अर्धचालक, यदि बड़ा है तो कुचालक); गैप का आकार ऑप्टिकल अवशोषण और वाहक सक्रियण को निर्धारित करता है।
Mechanisms
आंशिक रूप से भरे हुए बैंड में इलेक्ट्रॉन एक लगाए गए क्षेत्र के तहत धारा प्रवाहित करने के लिए गति करते हैं; एक भरे हुए संयोजी बैंड वाले पदार्थ में, चालन के लिए गैप के पार वाहकों के तापीय या ऑप्टिकल उत्तेजना की आवश्यकता होती है, इसलिए चालकता गैप और तापमान पर घातीय रूप से निर्भर करती है।
Clinical relevance
ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को समझना इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल सामग्रियों के डिजाइन का आधार है: बैंड गैप का आकार और प्रकृति यह निर्धारित करती है कि कोई यौगिक पारदर्शी चालक, उपकरणों के लिए अर्धचालक, सौर कोशिकाओं के लिए प्रकाश अवशोषक, या एक कुचालक परावैद्युत के रूप में उपयोगी है या नहीं।
History
1928 के ब्लोच के प्रमेय ने दिखाया कि एक आवधिक क्षमता में इलेक्ट्रॉन बैंडों में व्यवस्थित विस्तारित अवस्थाओं पर कब्जा करते हैं, और 1931 में विल्सन ने धातुओं और कुचालकों के बीच अंतर को समझाने के लिए बैंड भरण का उपयोग किया। कोहन और सहकर्मियों द्वारा घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत के बाद के विकास ने वास्तविक ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की प्रथम-सिद्धांत गणना को नियमित बना दिया।
Key figures
- Felix Bloch
- Alan Herries Wilson
- Walter Kohn
Related topics
Seminal works
- cox1987
- kittel2005
Frequently asked questions
- एक ठोस में असतत स्तरों के बजाय ऊर्जा बैंड क्यों होते हैं?
- जब कई परमाणु एक साथ आते हैं, तो पाउली सिद्धांत समान अवस्थाओं को प्रतिबंधित करता है, इसलिए प्रत्येक परमाणु कक्षक उतने ही थोड़े भिन्न स्तरों में विभाजित हो जाता है जितने परमाणु होते हैं। खगोलीय रूप से कई परमाणुओं के साथ ये स्तर इतनी बारीकी से स्थित होते हैं कि वे अनुमत ऊर्जाओं का एक सतत बैंड बनाते हैं।
- एक पदार्थ को कुचालक के बजाय अर्धचालक क्या बनाता है?
- दोनों में एक भरा हुआ संयोजी बैंड होता है जो एक खाली चालन बैंड से एक गैप द्वारा अलग होता है, लेकिन एक अर्धचालक में गैप इतना छोटा होता है (लगभग कुछ इलेक्ट्रॉन-वोल्ट या उससे कम) कि तापीय ऊर्जा या प्रकाश इसके पार उपयोगी संख्या में वाहकों को बढ़ावा दे सकता है, जबकि एक कुचालक में गैप सराहनीय चालन के लिए बहुत बड़ा होता है।