Kim loại, Chất cách điện và Khoảng trống vùng năng lượng

Việc một chất rắn có dẫn điện hay không được quyết định bởi cách các điện tử của nó lấp đầy các vùng năng lượng: một vùng năng lượng được lấp đầy một phần tạo thành kim loại, trong khi một vùng năng lượng được lấp đầy nằm dưới một vùng năng lượng trống rỗng và được ngăn cách bởi một khoảng trống tạo thành chất cách điện hoặc chất bán dẫn.

Definition

Sự phân loại kim loại-chất cách điện xuất phát từ sự lấp đầy vùng năng lượng: một chất rắn có vùng năng lượng được lấp đầy một phần là kim loại, một chất rắn có các vùng năng lượng được lấp đầy hoàn toàn và được ngăn cách với các vùng năng lượng trống rỗng bởi một khoảng trống là chất cách điện hoặc, đối với khoảng trống nhỏ, là chất bán dẫn; các tương quan vượt ra ngoài lý thuyết vùng năng lượng có thể biến một hệ thống được cho là kim loại thành chất cách điện Mott.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc phân loại chất rắn thành kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện theo lý thuyết vùng năng lượng dựa trên sự lấp đầy vùng năng lượng và kích thước của khoảng trống vùng năng lượng, vai trò của số lượng điện tử hóa trị và sự chồng chéo vùng năng lượng, sự phân biệt giữa khoảng trống trực tiếp và gián tiếp, và giới hạn của mô hình điện tử độc lập được minh họa bởi chất cách điện Mott, nơi tương quan điện tử, chứ không phải sự lấp đầy vùng năng lượng, thúc đẩy hành vi cách điện. Nó kết nối cấu trúc vùng năng lượng với đặc tính điện cơ bản của vật liệu.

Core questions

• Sự lấp đầy vùng năng lượng phân biệt kim loại với chất cách điện và chất bán dẫn như thế nào?
• Tại sao số lượng điện tử hóa trị chẵn trên mỗi ô không đảm bảo một chất cách điện?
• Sự khác biệt giữa khoảng trống vùng năng lượng trực tiếp và gián tiếp là gì?
• Làm thế nào một vật liệu mà lý thuyết vùng năng lượng dự đoán là kim loại lại có thể là chất cách điện?

Key concepts

• Sự lấp đầy vùng năng lượng và sự chiếm chỗ một phần
• Khoảng trống vùng năng lượng và sự chồng chéo vùng năng lượng
• Khoảng trống trực tiếp so với gián tiếp
• Bán kim loại và vai trò của số lượng điện tử hóa trị
• Chất cách điện Mott và sự cách điện do tương quan

Key theories

Phân loại chất rắn theo sự lấp đầy vùng năng lượng

Trong lý thuyết vùng năng lượng điện tử độc lập, đặc tính điện của một tinh thể được xác định bởi việc vùng năng lượng chiếm chỗ cao nhất được lấp đầy một phần (kim loại) hay đầy đủ với một khoảng trống phía trên nó (chất cách điện hoặc chất bán dẫn), với sự chồng chéo vùng năng lượng tạo ra bán kim loại.

Chuyển đổi kim loại-chất cách điện Mott

Khi lực đẩy điện tử-điện tử mạnh so với độ rộng vùng năng lượng, một vùng năng lượng được lấp đầy một nửa mà lý thuyết vùng năng lượng dự đoán là kim loại thay vào đó sẽ định vị các điện tử, tạo ra một chất cách điện Mott nằm ngoài phạm vi của mô hình điện tử độc lập.

Clinical relevance

Sự phân biệt kim loại-chất cách điện là đặc tính cơ bản nhất của vật liệu điện tử và là nền tảng cho việc lựa chọn chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn trong mọi thiết bị; vật lý Mott do tương quan thúc đẩy là trọng tâm của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao và các vật liệu lượng tử khác.

History

Lý thuyết vùng năng lượng của kim loại và chất cách điện của Wilson năm 1931 đã giải thích sự dẫn điện bằng cách lấp đầy vùng năng lượng, nhưng sự tồn tại của các oxit kim loại chuyển tiếp cách điện mà lý thuyết vùng năng lượng dự đoán là kim loại đã khiến Mott và Peierls nhận ra, từ những năm 1930 trở đi, vai trò quyết định của tương quan điện tử.

Debates

Giới hạn của lý thuyết vùng năng lượng điện tử độc lập

Sự phân loại hạt đơn thuần của lý thuyết vùng năng lượng không thành công đối với các vật liệu tương quan mạnh như oxit kim loại chuyển tiếp; mức độ mà mô hình vùng năng lượng có thể được mở rộng so với nơi cần có một phương pháp xử lý đa thể thực sự vẫn là một chủ đề trung tâm của vật lý vật chất ngưng tụ.

Key figures

• Alan Herries Wilson
• Nevill Mott
• Rudolf Peierls

Seminal works

• ashcroft1976
• mott1968

Frequently asked questions

Tại sao một vật liệu có vùng năng lượng được lấp đầy lại là chất cách điện?

Một vùng năng lượng được lấp đầy hoàn toàn không mang dòng điện ròng vì với mỗi điện tử di chuyển theo một hướng, có một điện tử di chuyển theo hướng ngược lại; chỉ một vùng năng lượng được lấp đầy một phần, nơi các điện tử có các trạng thái trống gần đó để tăng tốc vào, mới có thể dẫn điện.

Điều gì làm cho chất cách điện Mott khác với chất cách điện vùng năng lượng thông thường?

Một chất cách điện vùng năng lượng là chất cách điện vì các vùng năng lượng của nó đã đầy; một chất cách điện Mott có một vùng năng lượng được lấp đầy một phần và theo lý thuyết vùng năng lượng thì nó phải dẫn điện, nhưng lực đẩy Coulomb mạnh làm định vị các điện tử, vì vậy sự cách điện đến từ các tương tác chứ không phải sự lấp đầy vùng năng lượng.