Struktur Elektronik Padatan Anorganik

Struktur elektronik padatan anorganik dijelaskan oleh pita-pita orbital yang terbentuk di seluruh kristal, yang pengisian dan celahnya membedakan isolator, semikonduktor, dan logam.

Definition

Struktur elektronik padatan anorganik adalah deskripsi energi dan okupansi keadaan elektronik dalam kristal yang diperluas sebagai pita kontinu yang berasal dari orbital atom, yang menentukan sifat optik dan listrik.

Scope

Topik ini mencakup pandangan kimia tentang struktur elektronik dalam padatan yang diperluas: pembentukan pita dari orbital atom yang tumpang tindih, lebar pita dan kerapatan keadaan, celah pita dan klasifikasi isolator, semikonduktor, dan logam, semikonduksi intrinsik dan ekstrinsik (terdoping), serta batasan gambaran pita dalam oksida logam transisi berkorelasi di mana perilaku isolasi Mott muncul. Ini membahas pandangan ikatan kimia; fisika zat padat terperinci dari teori pita dibahas dalam fisika materi terkondensasi.

Core questions

• Bagaimana orbital atom bergabung menjadi pita dalam padatan?
• Apa yang menentukan apakah suatu padatan adalah isolator, semikonduktor, atau logam?
• Bagaimana doping menciptakan semikonduktor tipe-n dan tipe-p?
• Mengapa beberapa oksida logam transisi mengisolasi meskipun pita-pitanya terisi sebagian?

Key concepts

• Pita energi dan lebar pita
• Kerapatan keadaan
• Celah pita
• Isolator, semikonduktor, dan logam
• Doping dan jenis pembawa muatan
• Isolator Mott dan korelasi

Key theories

Pembentukan pita dari tumpang tindih orbital

Ketika orbital atom tumpang tindih di seluruh padatan periodik, tingkat diskritnya melebar menjadi pita; lebar pita mencerminkan kekuatan tumpang tindih dan kerapatan keadaan menggambarkan bagaimana tingkat elektronik didistribusikan dalam energi.

Celah pita dan kelas konduktivitas

Pita valensi yang terisi yang dipisahkan dari pita konduksi kosong oleh celah besar menghasilkan isolator, celah kecil menghasilkan semikonduktor, dan pita yang terisi sebagian menghasilkan logam, mengklasifikasikan padatan berdasarkan perilaku listriknya.

Korelasi elektron dan isolator Mott

Dalam beberapa oksida logam transisi, tolakan elektron-elektron yang kuat melokalisasi elektron dan membuka celah bahkan dalam pita yang secara nominal terisi setengah, menghasilkan isolator Mott yang tidak dapat dijelaskan oleh gambaran pita sederhana.

Clinical relevance

Pemahaman tentang struktur elektronik padatan anorganik mendasari desain semikonduktor, fotovoltaik, konduktor transparan, katalis, dan oksida logam transisi fungsional yang digunakan dalam elektronik dan material energi.

History

Teori pita berkembang dari perlakuan Bloch tahun 1928 tentang elektron dalam potensial periodik dan diterapkan pada kimia melalui penghubungan gambaran orbital molekuler dan zat padat, yang diartikulasikan untuk para kimiawan oleh Hoffmann. Karya Mott tentang oksida berkorelasi dan studi Goodenough tentang oksida logam transisi mengungkapkan di mana model pita sederhana tidak berlaku.

Key figures

• Felix Bloch
• Nevill Mott
• John Goodenough
• Roald Hoffmann

Seminal works

• hoffmann1987
• west2014
• cox2010

Frequently asked questions

Bagaimana pita mirip dengan diagram orbital molekuler?

Pita adalah batas dari diagram orbital molekuler untuk sejumlah besar atom: seiring lebih banyak atom menyumbangkan orbital, tingkat ikatan dan anti-ikatan diskrit berkerumun bersama menjadi rentang energi yang hampir kontinu, yaitu pita.

Mengapa celah pita kecil membuat semikonduktor?

Ketika celah antara pita valensi yang terisi dan pita konduksi yang kosong kecil, energi termal dapat mendorong beberapa elektron melintasinya, meninggalkan lubang bergerak; kedua pembawa muatan ini menghantarkan, sehingga material menghantarkan secara moderat dan semakin meningkat dengan suhu.