Katıların Elektronik Yapısı
Katıların elektronik yapısı, atomik orbitallerin periyodik bir kafes boyunca nasıl birleşerek sürekli enerji bantları oluşturduğunu ve bu bantların doluluğu ile aralarındaki mesafenin bir katının metal, yarı iletken veya yalıtkan olup olmadığını nasıl belirlediğini açıklamaktadır.
Tanım
Bir katının elektronik yapısı, kristalin periyodik potansiyelinden kaynaklanan ve katının elektriksel, optik ve manyetik davranışını yöneten, boşluklarla ayrılmış bantlar halinde düzenlenmiş izin verilen elektron enerji seviyeleri kümesidir.
Kapsam
Bu konu, genişletilmiş katıların elektronik yapısını kimyasal bir bakış açısıyla ele almaktadır: orbitallerin örtüşmesiyle ayrık atomik seviyelerin bantlara genişlemesi, durum yoğunluğu ve Fermi seviyesi, bant aralığının kökeni ve bant yapısını atomlardan kristal oluşumuna bağlayan kimyasal bağlanma tablosu. Bu fikirleri elektriksel ve optik özelliklerle ve işlevsel elektronik malzemelerin tasarımıyla ilişkilendirmektedir.
Temel sorular
- Örtüşen atomik orbitaller bir katıda enerji bantlarını nasıl oluşturur?
- Bant aralığının boyutunu ne belirler?
- Bazı katılar neden metal, diğerleri yarı iletken veya yalıtkandır?
- Elektronik yapı, genişletilmiş katılarda kimyasal bağ ile nasıl bağlantılıdır?
Anahtar kavramlar
- Enerji bantları ve bant genişliği
- Durum yoğunluğu
- Fermi seviyesi
- Bant aralığı
- Valans ve iletim bantları
- Metaller, yarı iletkenler ve yalıtkanlar
Temel kuramlar
- Orbital Örtüşmesinden Bant Oluşumu
- N sayıda atom bir kristalde bir araya geldiğinde, her atomik orbital N sayıda birbirine yakın seviyeye ayrılarak yarı sürekli bir bant oluşturur; bir bandın genişliği orbital örtüşmesinin gücünü yansıtır ve Fermi seviyesine göre bant doluluğu iletimi yönetir.
- Bant Aralığı ve Metal/Yalıtkan Ayrımı
- Bir malzemenin iletken olup olmadığı, en yüksek dolu bandın kısmen dolu (metal) veya tamamen dolu olup bir sonraki boş banttan bir boşlukla ayrılmış olmasına (küçükse yarı iletken, büyükse yalıtkan) bağlıdır; bant aralığı boyutu optik soğurmayı ve taşıyıcı aktivasyonunu belirler.
Mekanizmalar
Kısmen dolu bir banttaki elektronlar, uygulanan bir alan altında hareket ederek akım taşımaktadır; dolu bir valans bandına sahip bir malzemede, iletim, taşıyıcıların bant aralığı boyunca termal veya optik uyarılmasını gerektirmektedir, bu nedenle iletkenlik, bant aralığına ve sıcaklığa üstel olarak bağlıdır.
Klinik önem
Katıların elektronik yapısını anlamak, elektronik ve optik malzemelerin tasarımı için temel oluşturmaktadır: bant aralığının boyutu ve doğası, bir bileşiğin şeffaf bir iletken, cihazlar için bir yarı iletken, güneş pilleri için bir ışık emici veya yalıtkan bir dielektrik olarak faydalı olup olmadığını belirlemektedir.
Tarihçe
Bloch'un 1928 tarihli teoremi, periyodik bir potansiyeldeki elektronların bantlar halinde düzenlenmiş genişletilmiş durumları işgal ettiğini göstermiştir ve Wilson 1931'de bant doluluğunu metaller ve yalıtkanlar arasındaki farkı açıklamak için kullanmıştır. Kohn ve çalışma arkadaşlarının yoğunluk fonksiyonel teorisini (density functional theory) daha sonra geliştirmesi, gerçek katıların elektronik yapısının ilk prensiplerden hesaplanmasını rutin hale getirmiştir.
Öne çıkan isimler
- Felix Bloch
- Alan Herries Wilson
- Walter Kohn
İlgili konular
Temel eserler
- cox1987
- kittel2005
Sıkça sorulan sorular
- Bir katı neden ayrık seviyeler yerine enerji bantlarına sahiptir?
- Birçok atom bir araya geldiğinde, Pauli ilkesi özdeş durumları yasaklar, bu nedenle her atomik orbital, atom sayısı kadar hafifçe farklı seviyelere ayrılır. Astronomik sayıda atomla bu seviyeler o kadar ince aralıklıdır ki, izin verilen enerjilerin sürekli bir bandını oluştururlar.
- Bir malzemeyi yalıtkan yerine yarı iletken yapan nedir?
- Her ikisi de boş bir iletim bandından bir boşlukla ayrılmış dolu bir valans bandına sahiptir, ancak bir yarı iletkende boşluk yeterince küçüktür (kabaca birkaç elektron-volt veya daha az), böylece termal enerji veya ışık, faydalı sayıda taşıyıcıyı bu boşluk boyunca geçirebilirken, bir yalıtkanda boşluk, kayda değer iletim için çok büyüktür.