Mengapa padatan memiliki pita energi daripada tingkat diskrit?

Ketika banyak atom berkumpul, prinsip Pauli melarang keadaan yang identik, sehingga setiap orbital atom terpecah menjadi sebanyak tingkat yang sedikit berbeda seperti jumlah atom. Dengan jumlah atom yang sangat banyak, tingkat-tingkat ini berjarak sangat halus sehingga membentuk pita energi yang diizinkan secara kontinu.

Apa yang membuat suatu material menjadi semikonduktor daripada isolator?

Keduanya memiliki pita valensi yang terisi penuh yang dipisahkan dari pita konduksi kosong oleh celah, tetapi pada semikonduktor celahnya cukup kecil (kira-kira beberapa elektron-volt atau kurang) sehingga energi termal atau cahaya dapat mempromosikan sejumlah pembawa yang berguna melintasinya, sedangkan pada isolator celahnya terlalu besar untuk konduksi yang berarti.

Struktur Elektronik Padatan

Struktur elektronik padatan menjelaskan bagaimana orbital atom bergabung melintasi kisi periodik menjadi pita energi kontinu, dan bagaimana pengisian serta jarak pita-pita tersebut menentukan apakah suatu padatan adalah logam, semikonduktor, atau isolator.

Temukan Topik dengan PaperMindSegeraFind papers & topics

Tools & resources

Unduh salindia

Learn & explore

VideoSegera

Definition

Struktur elektronik suatu padatan adalah seperangkat tingkat energi elektron yang diizinkan — diorganisasikan ke dalam pita yang dipisahkan oleh celah — yang dihasilkan dari potensial periodik kristal, dan yang mengatur perilaku listrik, optik, dan magnetik padatan tersebut.

Scope

Topik ini membahas struktur elektronik padatan yang diperluas dari sudut pandang kimia: pelebaran tingkat atom diskrit menjadi pita saat orbital tumpang tindih, kerapatan keadaan dan tingkat Fermi, asal celah pita, dan gambaran ikatan kimia yang menghubungkan struktur pita dengan pembentukan kristal dari atom. Ini menghubungkan ide-ide ini dengan sifat listrik dan optik serta desain material elektronik fungsional.

Core questions

Bagaimana orbital atom yang tumpang tindih membentuk pita energi dalam padatan?
Apa yang menentukan ukuran celah pita?
Mengapa beberapa padatan adalah logam, yang lain semikonduktor atau isolator?
Bagaimana struktur elektronik terhubung dengan ikatan kimia dalam padatan yang diperluas?

Key concepts

Pita energi dan lebar pita
Kerapatan keadaan
Tingkat Fermi
Celah pita
Pita valensi dan konduksi
Logam, semikonduktor, dan isolator

Key theories

Pembentukan pita dari tumpang tindih orbital: Saat N atom berkumpul menjadi kristal, setiap orbital atom terpecah menjadi N tingkat yang berjarak dekat yang membentuk pita kuasi-kontinu; lebar pita mencerminkan kekuatan tumpang tindih orbital, dan pengisian pita relatif terhadap tingkat Fermi mengatur konduksi.
Celah pita dan perbedaan logam/isolator: Apakah suatu material menghantarkan bergantung pada apakah pita tertinggi yang terisi sebagian (logam) atau penuh dan dipisahkan dari pita kosong berikutnya oleh celah (semikonduktor jika kecil, isolator jika besar); ukuran celah menentukan penyerapan optik dan aktivasi pembawa.

Mechanisms

Elektron dalam pita yang terisi sebagian bergerak di bawah medan yang diterapkan untuk mengalirkan arus; dalam material dengan pita valensi yang terisi penuh, konduksi memerlukan eksitasi termal atau optik pembawa melintasi celah, sehingga konduktivitas bergantung secara eksponensial pada celah dan suhu.

Clinical relevance

Memahami struktur elektronik padatan adalah dasar untuk merancang material elektronik dan optik: ukuran dan sifat celah pita menentukan apakah suatu senyawa berguna sebagai konduktor transparan, semikonduktor untuk perangkat, penyerap cahaya untuk sel surya, atau dielektrik isolasi.

History

Teorema Bloch tahun 1928 menunjukkan bahwa elektron dalam potensial periodik menempati keadaan yang diperluas yang diorganisasikan ke dalam pita, dan Wilson pada tahun 1931 menggunakan pengisian pita untuk menjelaskan perbedaan antara logam dan isolator. Pengembangan selanjutnya dari teori fungsional kerapatan oleh Kohn dan rekan kerjanya membuat perhitungan prinsip pertama struktur elektronik padatan nyata menjadi rutin.

Key figures

Felix Bloch
Alan Herries Wilson
Walter Kohn

Seminal works

cox1987
kittel2005

Frequently asked questions

Mengapa padatan memiliki pita energi daripada tingkat diskrit?: Ketika banyak atom berkumpul, prinsip Pauli melarang keadaan yang identik, sehingga setiap orbital atom terpecah menjadi sebanyak tingkat yang sedikit berbeda seperti jumlah atom. Dengan jumlah atom yang sangat banyak, tingkat-tingkat ini berjarak sangat halus sehingga membentuk pita energi yang diizinkan secara kontinu.
Apa yang membuat suatu material menjadi semikonduktor daripada isolator?: Keduanya memiliki pita valensi yang terisi penuh yang dipisahkan dari pita konduksi kosong oleh celah, tetapi pada semikonduktor celahnya cukup kecil (kira-kira beberapa elektron-volt atau kurang) sehingga energi termal atau cahaya dapat mempromosikan sejumlah pembawa yang berguna melintasinya, sedangkan pada isolator celahnya terlalu besar untuk konduksi yang berarti.