Mae'r ddamcaniaeth band solidau. Mecaneg cwantwm i dymis

Mae'r erthygl hon yn esbonio beth yw'r ddamcaniaeth band solidau. A ddangosir, beth yw y rheswm ei fod yn cynrychioli strwythur mater. Canlyniadau metelau wahanol i dielectrics a lled-ddargludyddion.

Rhosglwm a Button

Sawl gwaith y dydd byddwn yn clicio ar y gwahanol fotymau? Nid oes unrhyw un yn meddwl hyd yn oed i ddod na all gyfrif iddo - wedi dod mor gyfarwydd y camau hynny. Ac nid dyn yn meddwl bod hyn i gyd ond yn bosibl diolch i ba mor hawdd y mae'n cario cerrynt trydanol mewn metelau. Trowch ar y golau, berwi tegell, rhedeg y peiriant golchi, heb sôn am y camau gweithredu ar smartphones, yn golygu cwblhau'r cylched ac yn caniatáu i'r electronau yn y dargludyddion i weithio yn hytrach na phobl. Esboniad o ffenomenau megis y dargludedd set. Y mwyaf amlwg, efallai, yw'r theori band solidau.

Atom a tegellau

Mae pawb a oedd yn yr ysgol yn uchel, mae syniad o'r strwythur yr atom. Dwyn i gof o amgylch cnewyllyn trwm gwefr bositif (yn cynnwys protonau a niwtronau) cylchdroi ysgyfaint electronau bach. Nifer o ronynnau negyddol yn union hafal i'r nifer o gadarnhaol. Er mwyn peidio â darllenwyr turio, eglurwch yn arddull "Quantum Mechanics am dymis." Mae pob orbit electron yn cael ei gyfyngu'n llym, y gall ei gylchdroi o amgylch y craidd mewn elfen gemegol a roddir. Yn ei dro, mae gan bob rhywogaeth batrwm unigryw atomau orbitau o'r fath. Yr oedd felly spectroscopists gwyddonwyr gwahaniaethu boron o seleniwm ac arsenig o sodiwm. Fodd bynnag, yn ychwanegol at y sylweddau pur o ran natur, mae yna nifer anfeidrol o wahanol gyfuniadau. mecaneg cwantwm (Ar gyfer dymis, y darllenydd y dylid cofio) yn dadlau bod mewn cyfansoddion cymhleth orbitau croestorri, uno, trawsnewid, ymestyn, gan greu cysylltiad. Eu hansawdd yn dibynnu ar y math: cofalent ac ionig cryfach, hydrogen, er enghraifft, yn wannach.

strwythur grisial

Mae'r corff solet yn fwy anodd. Ar gyfer y model, sy'n defnyddio theori band solidau, fel arfer yn cymryd crisial perffaith. Mae hyn yn golygu ei bod yn ddiddiwedd ac heb bechod - pob atom ar ei le ei hun, cyfanswm y tâl yn sero. Cnewyllyn amrywio o gwmpas safle penodol o gydbwysedd, ond gall yr electronau ddweud yn gyffredinol. Yn dibynnu ar sut "hawdd" un atom rhoddi ei gronynnau negyddol cyfagos, mae'n cael ei sicrhau adeiledd electronig gaeth gosodedig o dielectrics neu fetelau cwmwl. Dylwn ychwanegu bod wrth ystyried tybir bod yr holl electronau yn byw yn y swm lleiaf o egni iddynt, sy'n golygu bod y corff ar sero Kelvin. Ar dymereddau uwch, osgled oscillation gan fod y niwclysau a'r electronau yn gryf ac, felly, yr olaf yn gallu i feddiannu uwch lefelau egni. dosbarthiad gronynnau Negyddol yn dod yn fwy "rhydd". Mewn rhai problemau, mae'n bwysig, fodd bynnag, i ddisgrifio ffenomen hon gan nad yw tymheredd y cyfryw mor bwysig.

Egwyddor Pauli a'r loader

Gall y cysyniad o theori band solidau yn cael eu cyrraedd yn unig yn dda i gofio beth yr egwyddor Pauli. Os byddwn yn dychmygu bod yr electronau - bag o siwgr, ac yna, os y bagiau hyn yn llawer, loader amodol byddant yn gosod ar ei gilydd. Mae pob "bag" yn cymryd ei le yn y gofod. Ar gyfer electronau, mae hyn yn golygu bod mewn cyflwr a roddir dim ond un fod mewn un system. Dyma'r egwyddor gwahardd Pauli. Noder bod gennym mewn golwg yr amodau delfrydol, hy tymheredd sero Kelvin, a'r grisial ddiddiwedd. Mae'r system gyfan yn yr un amodau tymheredd, straen mecanyddol, diffygion yr un fath ym mhob rhan o un cyfan.

parth crisialau Electronig

Yn y grisial, mae lluosogrwydd un math o atomau. Mae un môl o'r sylwedd yn cynnwys elfennau gradd 10-20 o dair. Faint o fannau geni y cilogram, er enghraifft, halen? Felly, gallwch hyd yn oed yn dweud bod hyd yn oed y lleiaf grisial cynnwys unimaginably llawer atomau. Mae pob elfen gemegol wedi ei batrwm ei hun o orbitau electron, a beth i'w wneud os ydynt mewn un corff ychydig? Wedi'r cyfan, yn ôl yr egwyddor gwaharddiad Pauli, rhaid iddynt feddiannu gwahanol wladwriaethau. damcaniaeth Band solidau yn cynnig y ffordd ganlynol - y orbitau electron yn dod yn wahanol egnïon. Y gwahaniaeth rhyngddynt mor fach bod yn cael eu gwasgu, pwyso ar ei gilydd dynn iawn i ffurfio parth di-dor. Felly, mae pob lefel o'r electron yn yr atom yn cael ei drawsnewid i mewn i barth yn y grisial swmp. Gall elfennau o theori band solidau helpu i egluro'r gwahaniaeth rhwng ynysyddion a dargludyddion.

Electronig o fewn y parth

Rydym eisoes wedi trafod yr hyn sy'n digwydd gyda llawer o electronau, sydd mewn atom byw yn yr un orbit, ffurfiwyd y grisial. Ond mae eu hymddygiad y tu mewn i'r parth nes i ni adael heb eu goleuo. Rhannu hyn eisoes yn bwysig oherwydd ei fod yn penderfynu y gwahaniaeth rhwng metelau ac anfetelau. Fel y soniwyd eisoes uchod, y ddamcaniaeth band solidau yn dangos bod y lefelau egni tu mewn i'r band o atomau unigol gwahanol orbitau yn wahanol cyn lleied bod bron yn ffurfio sbectrwm di-dor. Nid yw Felly, i oresgyn y rhwystr posibl rhwng yr electron yn anodd - mae'n symud yn rhydd, ar gyfer hyn yn ddigon hyd yn oed gwres. Fodd bynnag, mae pob un o'r band a ganiateir wedi ei derfynau. Mae lefel ynni sy'n uwch neu'n is na'r lleill bob amser.

Valence gwaharddedig, dargludedd

Rhwng y parthau hyn wedi ardal o ynni, lle nad oes lefel lle gallai electron fod. Yn y graffiau, mae'n ymddangos fel bwlch gwyn. A hi a elwir yn y bwlch band. Er mwyn goresgyn y rhwystr hwn electron yn unig y gall jerk. Felly, rhaid iddo dderbyn briodol ar gyfer ynni hwn. Gelwir y parth gyda'r egni mwyaf, sydd, am y math hwn o atomau a ganiateir fodolaeth o electronau yn y band falens, ac yn dilyn hynny - dargludedd.

dielectric metel

Dargludiad theori band solidau haeru bod y presenoldeb neu absenoldeb o electronau yn y band dargludiad yn dangos pa mor hawdd llifo yn y sylwedd o bryd. Felly gwahanol fetelau a dielectrics. Yn yr achos cyntaf, y band dargludiad eisoes yn cynnwys electronau, gan fod gorgyffwrdd ag falens. Mae gronynnau fodd negyddol yn rhydd i symud o dan y camau y maes electromagnetig, heb unrhyw fewnbwn ynni ychwanegol. Felly, mae'r cerrynt trydan mewn metelau yn ymddangos mor hawdd, mewn gwirionedd - yn syth, cyn gynted ag y cae. Ac am yr un rheswm, y wifren yn cael ei wneud o ddur, copr, alwminiwm.

Deunyddiau y mae gan y bandiau falens a dargludiad gwahanu gan dielectrics enw-ynni. Caiff yr electronau eu dal yn y lefel is a ganiateir. bwlch band yn gwahanu'r gronynnau negyddol o'r lefel lle gallent symud o gwmpas yn rhydd. A'r egni y mae'n rhaid eu hadrodd i'r electronau i'w goresgyn, dinistrio deunydd. Neu'n newid ei briodweddau tu hwnt i adnabyddiaeth. Felly, gwifrau lapio plastig toddi a llosgiadau, ond nid yw'n dargludo trydan.

lled-ddargludyddion

Ond mae dosbarth canolradd o ddeunyddiau sydd â bandgap, ond o dan amodau penodol sy'n gallu cynnal cerrynt trydanol. Fe'u gelwir yn - lled-ddargludyddion. Fel y dielectric, mae ganddynt bwlch ynni rhwng y dargludiad a falens. Fodd bynnag, mae'n llai a goresgyn gyda rhywfaint o ymdrech. lled-ddargludyddion Clasurol yw silicon (yn Lladin - Silicium). Mae'r enwog Silicon Valley yn enwog am dechnolegau sy'n seiliedig ar y defnydd o grisialau o sylwedd hwn yw creu dyfeisiau electronig.