Электронная структура неорганических твердых тел

Электронная структура неорганических твердых тел описывается зонами орбиталей, образующимися в кристалле, заполнение и ширина которых различают изоляторы, полупроводники и металлы.

Definition

Электронная структура неорганических твердых тел — это описание энергий и заполнения электронных состояний в протяженном кристалле в виде непрерывных зон, образованных из атомных орбиталей, которые определяют оптические и электрические свойства.

Scope

Эта тема охватывает химический взгляд на электронную структуру в протяженных твердых телах: образование зон из перекрывающихся атомных орбиталей, ширину зоны и плотность состояний, запрещенную зону и классификацию изоляторов, полупроводников и металлов, собственную и примесную (легированную) полупроводимость, а также пределы зонной картины в коррелированных оксидах переходных металлов, где проявляется поведение Моттовского изолятора. В ней рассматривается подход с точки зрения химической связи; детальная физика твердого тела зонной теории освещается в физике конденсированного состояния.

Core questions

• Как атомные орбитали объединяются в зоны в твердом теле?
• Что определяет, является ли твердое тело изолятором, полупроводником или металлом?
• Как легирование создает полупроводники n-типа и p-типа?
• Почему некоторые оксиды переходных металлов являются изоляторами, несмотря на частично заполненные зоны?

Key concepts

• Энергетические зоны и ширина зоны
• Плотность состояний
• Запрещенная зона
• Изоляторы, полупроводники и металлы
• Легирование и тип носителей заряда
• Моттовские изоляторы и корреляция

Key theories

Образование зон из перекрытия орбиталей

По мере перекрытия атомных орбиталей в периодическом твердом теле их дискретные уровни расширяются в зоны; ширина зоны отражает силу перекрытия, а плотность состояний описывает распределение электронных уровней по энергии.

Запрещенные зоны и классы проводимости

Заполненная валентная зона, отделенная от пустой зоны проводимости большим зазором, дает изолятор; малый зазор дает полупроводник; частично заполненная зона дает металл, классифицируя твердые тела по их электрическому поведению.

Электронная корреляция и Моттовские изоляторы

В некоторых оксидах переходных металлов сильное электрон-электронное отталкивание локализует электроны и открывает зазор даже в номинально наполовину заполненной зоне, создавая Моттовские изоляторы, которые простая зонная картина не может объяснить.

Clinical relevance

Понимание электронной структуры неорганических твердых тел лежит в основе разработки полупроводников, фотоэлементов, прозрачных проводников, катализаторов и функциональных оксидов переходных металлов, используемых в электронике и энергетических материалах.

History

Зонная теория развилась из работы Блоха 1928 года по электронам в периодических потенциалах и была применена к химии путем связывания молекулярно-орбитальных и твердотельных представлений, сформулированных для химиков Хоффманном. Работы Мотта по коррелированным оксидам и исследования Гуденафа по оксидам переходных металлов показали, где простая зонная модель дает сбой.

Key figures

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

Seminal works

• hoffmann1987
• west2014
• cox2010

Frequently asked questions

Как зона похожа на диаграмму молекулярных орбиталей?

Зона — это предел диаграммы молекулярных орбиталей для огромного числа атомов: по мере того как все больше атомов вносят орбитали, дискретные связывающие и антисвязывающие уровни сближаются, образуя почти непрерывный диапазон энергий — зону.

Почему малая запрещенная зона делает материал полупроводником?

Когда зазор между заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости мал, тепловая энергия может перевести через него некоторые электроны, оставляя за собой подвижные дырки; оба типа носителей проводят ток, поэтому материал проводит умеренно и все больше с повышением температуры.