Cấu trúc điện tử của chất rắn vô cơ

Cấu trúc điện tử của chất rắn vô cơ được mô tả bằng các dải quỹ đạo hình thành trong toàn bộ tinh thể, với sự lấp đầy và khoảng trống của chúng phân biệt chất cách điện, chất bán dẫn và kim loại.

Definition

Cấu trúc điện tử của chất rắn vô cơ là mô tả về năng lượng và sự chiếm chỗ của các trạng thái điện tử trong một tinh thể mở rộng dưới dạng các dải liên tục bắt nguồn từ các quỹ đạo nguyên tử, quyết định các tính chất quang học và điện học.

Scope

Chủ đề này bao gồm quan điểm hóa học về cấu trúc điện tử trong chất rắn mở rộng: sự hình thành các dải từ các quỹ đạo nguyên tử chồng chéo, độ rộng dải và mật độ trạng thái, khe hở vùng và phân loại chất cách điện, chất bán dẫn và kim loại, tính bán dẫn nội tại và ngoại lai (pha tạp), và giới hạn của mô hình dải trong các oxit kim loại chuyển tiếp tương quan nơi xuất hiện hành vi cách điện Mott. Nó đề cập đến quan điểm liên kết hóa học; vật lý chất rắn chi tiết của lý thuyết dải được đề cập trong vật lý vật chất ngưng tụ.

Core questions

• Các quỹ đạo nguyên tử kết hợp thành các dải trong chất rắn như thế nào?
• Điều gì quyết định một chất rắn là chất cách điện, chất bán dẫn hay kim loại?
• Sự pha tạp tạo ra chất bán dẫn loại n và loại p như thế nào?
• Tại sao một số oxit kim loại chuyển tiếp lại cách điện mặc dù có các dải bị lấp đầy một phần?

Key concepts

• Các dải năng lượng và độ rộng dải
• Mật độ trạng thái
• Khe hở vùng
• Chất cách điện, chất bán dẫn và kim loại
• Pha tạp và loại hạt tải điện
• Chất cách điện Mott và tương quan

Key theories

Sự hình thành dải từ sự chồng chéo quỹ đạo

Khi các quỹ đạo nguyên tử chồng chéo trên một chất rắn tuần hoàn, các mức rời rạc của chúng mở rộng thành các dải; độ rộng dải phản ánh cường độ chồng chéo và mật độ trạng thái mô tả cách các mức điện tử được phân bố theo năng lượng.

Khe hở vùng và các lớp dẫn điện

Một dải hóa trị đầy đủ được tách biệt khỏi một dải dẫn trống bằng một khe hở lớn tạo ra chất cách điện, một khe hở nhỏ tạo ra chất bán dẫn, và một dải bị lấp đầy một phần tạo ra kim loại, phân loại chất rắn theo hành vi điện của chúng.

Tương quan điện tử và chất cách điện Mott

Trong một số oxit kim loại chuyển tiếp, lực đẩy điện tử–điện tử mạnh làm định vị các điện tử và mở ra một khe hở ngay cả trong một dải được lấp đầy một nửa danh nghĩa, tạo ra các chất cách điện Mott mà mô hình dải đơn giản không thể giải thích.

Clinical relevance

Hiểu biết về cấu trúc điện tử của chất rắn vô cơ là nền tảng cho việc thiết kế chất bán dẫn, vật liệu quang điện, vật liệu dẫn điện trong suốt, chất xúc tác và các oxit kim loại chuyển tiếp chức năng được sử dụng trong điện tử và vật liệu năng lượng.

History

Lý thuyết dải phát triển từ công trình của Bloch năm 1928 về các điện tử trong thế năng tuần hoàn và được áp dụng vào hóa học thông qua việc liên kết các hình ảnh quỹ đạo phân tử và trạng thái rắn, được Hoffmann trình bày cho các nhà hóa học. Công trình của Mott về các oxit tương quan và các nghiên cứu của Goodenough về các oxit kim loại chuyển tiếp đã tiết lộ những điểm mà mô hình dải đơn giản bị phá vỡ.

Key figures

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

Seminal works

• hoffmann1987
• west2014
• cox2010

Frequently asked questions

Một dải giống như một sơ đồ quỹ đạo phân tử như thế nào?

Một dải là giới hạn của một sơ đồ quỹ đạo phân tử cho một số lượng lớn nguyên tử: khi càng nhiều nguyên tử đóng góp quỹ đạo, các mức liên kết và phản liên kết rời rạc chen chúc lại với nhau thành một dải năng lượng gần như liên tục, đó là dải.

Tại sao một khe hở vùng nhỏ lại tạo ra chất bán dẫn?

Khi khe hở giữa dải hóa trị đầy đủ và dải dẫn trống nhỏ, năng lượng nhiệt có thể đẩy một số điện tử vượt qua nó, để lại các lỗ trống di động; cả hai hạt tải điện đều dẫn điện, vì vậy vật liệu dẫn điện ở mức độ vừa phải và tăng lên theo nhiệt độ.