Logam, Isolator, dan Celah Pita Energi

Apakah suatu padatan menghantarkan listrik ditentukan oleh bagaimana elektronnya mengisi pita energi: pita energi yang terisi sebagian membentuk logam, sedangkan pita energi yang terisi penuh di bawah pita energi kosong yang dipisahkan oleh celah membentuk isolator atau semikonduktor.

Definition

Klasifikasi logam-isolator berasal dari pengisian pita energi: padatan dengan pita energi yang terisi sebagian adalah logam, padatan dengan pita energi yang terisi penuh yang dipisahkan dari pita energi kosong oleh celah adalah isolator atau, untuk celah kecil, semikonduktor; korelasi di luar teori pita energi dapat membuat sistem yang secara nominal bersifat logam menjadi isolator Mott.

Scope

Topik ini mencakup klasifikasi padatan berdasarkan teori pita energi menjadi logam, semikonduktor, dan isolator sesuai dengan pengisian pita energi dan ukuran celah pita energi, peran jumlah elektron valensi dan tumpang tindih pita energi, perbedaan antara celah langsung dan tidak langsung, serta batasan gambaran elektron independen yang dicontohkan oleh isolator Mott di mana korelasi elektron, bukan pengisian pita energi, mendorong perilaku isolasi. Ini menghubungkan struktur pita energi dengan karakter kelistrikan dasar material.

Core questions

• Bagaimana pengisian pita energi membedakan logam dari isolator dan semikonduktor?
• Mengapa jumlah elektron valensi genap per sel tidak menjamin suatu isolator?
• Apa perbedaan antara celah pita energi langsung dan tidak langsung?
• Bagaimana material yang menurut teori pita energi diprediksi bersifat logam sebenarnya bisa menjadi isolator?

Key concepts

• Pengisian pita energi dan okupansi parsial
• Celah pita energi dan tumpang tindih pita energi
• Celah langsung versus tidak langsung
• Semilogam dan peran jumlah elektron valensi
• Isolator Mott dan isolasi yang didorong oleh korelasi

Key theories

Klasifikasi padatan berdasarkan pengisian pita energi

Dalam teori pita energi elektron independen, karakter kelistrikan suatu kristal ditentukan oleh apakah pita energi tertinggi yang terisi sebagian (logam) atau penuh dengan celah di atasnya (isolator atau semikonduktor), dengan tumpang tindih pita energi menghasilkan semilogam.

Transisi logam-isolator Mott

Ketika tolakan elektron-elektron kuat dibandingkan dengan lebar pita energi, pita energi yang terisi setengah yang menurut teori pita energi diprediksi bersifat logam justru melokalisasi elektron, menghasilkan isolator Mott di luar jangkauan gambaran elektron independen.

Clinical relevance

Perbedaan logam-isolator adalah sifat paling dasar dari material elektronik dan mendasari pemilihan konduktor, isolator, dan semikonduktor di setiap perangkat; fisika Mott yang didorong oleh korelasi merupakan inti dari superkonduktor suhu tinggi dan material kuantum lainnya.

History

Teori pita energi logam dan isolator Wilson pada tahun 1931 menjelaskan konduksi melalui pengisian pita energi, tetapi keberadaan oksida logam transisi isolasi yang menurut teori pita energi seharusnya bersifat logam membuat Mott dan Peierls menyadari, sejak tahun 1930-an dan seterusnya, peran penting korelasi elektron.

Debates

Batasan teori pita energi elektron independen

Klasifikasi partikel tunggal murni dari teori pita energi gagal untuk material yang sangat berkorelasi seperti oksida logam transisi; sejauh mana gambaran pita energi dapat diperluas versus di mana perlakuan banyak-badan yang sebenarnya diperlukan tetap menjadi tema sentral fisika materi terkondensasi.

Key figures

• Alan Herries Wilson
• Nevill Mott
• Rudolf Peierls

Seminal works

• ashcroft1976
• mott1968

Frequently asked questions

Mengapa material dengan pita energi yang terisi penuh merupakan isolator?

Pita energi yang terisi penuh tidak membawa arus bersih karena untuk setiap elektron yang bergerak ke satu arah ada satu yang bergerak ke arah berlawanan; hanya pita energi yang terisi sebagian, di mana elektron memiliki keadaan kosong di dekatnya untuk berakselerasi, yang dapat menghantarkan listrik.

Apa yang membedakan isolator Mott dari isolator pita energi biasa?

Isolator pita energi bersifat isolasi karena pita energinya penuh; isolator Mott memiliki pita energi yang terisi sebagian dan seharusnya menghantarkan listrik menurut teori pita energi, tetapi tolakan Coulomb yang kuat melokalisasi elektron, sehingga isolasi berasal dari interaksi daripada pengisian pita energi.