İnorganik Katıların Elektronik Yapısı
İnorganik katıların elektronik yapısı, kristal boyunca oluşan orbital bantları ile tanımlanmaktadır; bu bantların doluluğu ve aralarındaki boşluklar yalıtkanları, yarı iletkenleri ve metalleri birbirinden ayırmaktadır.
Tanım
İnorganik katıların elektronik yapısı, genişletilmiş bir kristaldeki elektronik durumların enerjilerinin ve doluluklarının, atomik orbitallerden türetilen ve optik ve elektriksel özellikleri belirleyen sürekli bantlar olarak tanımlanmasıdır.
Kapsam
Bu konu, genişletilmiş katılardaki elektronik yapının kimyasal bakış açısını kapsamaktadır: örtüşen atomik orbitallerden bantların oluşumu, bant genişliği ve durum yoğunluğu, bant aralığı ve yalıtkanların, yarı iletkenlerin ve metallerin sınıflandırılması, içsel ve dışsal (katkılı) yarı iletkenlik ve Mott yalıtkan davranışının ortaya çıktığı korelasyonlu geçiş metali oksitlerinde bant resminin sınırları. Kimyasal bağlama bakış açısını ele almaktadır; bant teorisinin ayrıntılı katı hal fiziği yoğun madde fiziğinde ele alınmaktadır.
Temel sorular
- Atomik orbitaller bir katıda bantlar halinde nasıl birleşir?
- Bir katının yalıtkan, yarı iletken veya metal olup olmadığını ne belirler?
- Katkılama (doping) n-tipi ve p-tipi yarı iletkenleri nasıl oluşturur?
- Bazı geçiş metali oksitleri neden kısmen dolu bantlara rağmen yalıtkanlık gösterir?
Anahtar kavramlar
- Enerji bantları ve bant genişliği
- Durum yoğunluğu
- Bant aralığı
- Yalıtkanlar, yarı iletkenler ve metaller
- Katkılama (doping) ve taşıyıcı tipi
- Mott yalıtkanları ve korelasyon
Temel kuramlar
- Orbital örtüşmesinden bant oluşumu
- Atomik orbitaller periyodik bir katı boyunca örtüştükçe, ayrık seviyeleri bantlara dönüşerek genişler; bant genişliği örtüşmenin gücünü yansıtır ve durum yoğunluğu elektronik seviyelerin enerjide nasıl dağıldığını tanımlar.
- Bant aralıkları ve iletkenlik sınıfları
- Dolu bir valans bandının boş bir iletim bandından büyük bir aralıkla ayrılması bir yalıtkan, küçük bir aralık bir yarı iletken ve kısmen dolu bir bant bir metal oluşturarak katıları elektriksel davranışlarına göre sınıflandırmaktadır.
- Elektron korelasyonu ve Mott yalıtkanları
- Bazı geçiş metali oksitlerinde güçlü elektron-elektron itmesi elektronları lokalize eder ve nominal olarak yarı dolu bir bantta bile bir boşluk açar, basit bant resminin açıklayamadığı Mott yalıtkanlarını üretir.
Klinik önem
İnorganik katıların elektronik yapısını anlamak, yarı iletkenlerin, fotovoltaiklerin, şeffaf iletkenlerin, katalizörlerin ve elektronik ile enerji malzemelerinde kullanılan fonksiyonel geçiş metali oksitlerinin tasarımının temelini oluşturmaktadır.
Tarihçe
Bant teorisi, Bloch'un 1928'deki periyodik potansiyellerdeki elektronlar üzerine yaptığı çalışmadan gelişmiş ve Hoffmann tarafından kimyacılar için açıklanan moleküler orbital ve katı hal resimlerinin birleştirilmesi yoluyla kimyaya uygulanmıştır. Mott'un korelasyonlu oksitler üzerine çalışmaları ve Goodenough'un geçiş metali oksitleri üzerine yaptığı araştırmalar, basit bant modelinin nerede yetersiz kaldığını ortaya koymuştur.
Öne çıkan isimler
- Felix Bloch
- Nevill Mott
- John Goodenough
- Roald Hoffmann
İlgili konular
Temel eserler
- hoffmann1987
- west2014
- cox2010
Sıkça sorulan sorular
- Bir bant, moleküler orbital diyagramına nasıl benzer?
- Bir bant, çok sayıda atom için bir moleküler orbital diyagramının limitidir: daha fazla atom orbital katkısı yaptıkça, ayrık bağlayıcı ve antibağlayıcı seviyeler, neredeyse sürekli bir enerji aralığı olan bandı oluşturmak üzere bir araya toplanır.
- Küçük bir bant aralığı neden bir yarı iletken oluşturur?
- Dolu valans bandı ile boş iletim bandı arasındaki boşluk küçük olduğunda, termal enerji bazı elektronları bu boşluğun üzerinden geçirebilir ve geride hareketli boşluklar bırakır; her iki taşıyıcı da iletkenlik gösterir, bu nedenle malzeme mütevazı bir şekilde ve sıcaklıkla artan oranda iletkenlik sergiler.