Ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα-σχέση διασποράς (μέρος 2)

Σχετικά έγγραφα
Ηλεκτρονική δομή ημιαγωγών-περίληψη. Σχέση διασποράς για ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα-

Ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα-σχέση διασποράς

Πυκνότητα καταστάσεων g(e)

Κεφάλαιο 7. Ηλεκτρονική δομή τω ων στερεών

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΑ Υλικα 3ο μεροσ. Θεωρητικη αναλυση

Δομή ενεργειακών ζωνών

ΘΕΩΡΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΤΑΙΝΙΩΝ (Ε.Τ.) ΣΤΑ ΣΤΕΡΕΑ ΥΛΙΚΑ. Σχηματισμός και μορφή ενεργειακών ταινιών στα στερεά υλικά:

Κεφάλαιο 7: Η Ηλεκτρονική Δομή των Στερεών ( με άλλα λόγια: το ηλεκτρόνιο στο στερεό)

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β. υποθέτουμε ότι ένα σωματίδιο είναι μέσα σε ένα μεγάλο (ενεργειακή κβαντοποίηση) αλλά πεπερασμένο κουτί (φρεάτιο δυναμικού):

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β. ΚΑΤΑΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΝΟΝΙΚΩΝ ΤΡΟΠΩΝ - ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ D.O. S Density Of States

Περιεχόμενο της άσκησης. Προτεινόμενη βιβλιογραφία. Π.Βαρώτσος, Κ.Αλεξόπουλος «Φυσική Στερεάς Κατάστασης»

ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ

Κεφάλαιο 9: Κίνηση των Ηλεκτρονίων και Φαινόμενα Μεταφοράς

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Περιεχόμενο της άσκησης

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Ελεύθερα Ηλεκτρόνια στα Στερεά

Φυσική Στερεάς Κατάστασης η ομάδα ασκήσεων Διδάσκουσα Ε. Κ. Παλούρα

Ε. Κ. ΠΑΛΟΎΡΑ Ημιαγωγοί 1. Ημιαγωγοί. Το 1931 ο Pauli δήλωσε: "One shouldn't work on. semiconductors, that is a filthy mess; who knows if they really

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd stvrentzou@gmail.com

Θεωρία του Sommerfeld ή jellium model (συνέχεια από το 1 ο μάθημα).

John Bardeen, William Schockley, Walter Bratain, Bell Labs τρανζίστορ σημειακής επαφής Γερμανίου, Bell Labs

Κεφάλαιο 5. Ηλεκτρόνια δεσμού και περιοδικό δυναμικό

. Να βρεθεί η Ψ(x,t).

Θεωρία Μοριακών Τροχιακών (ΜΟ)

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Κ ΚΑΙ Η ΗΛΕΚΡΙΚΗ ΕΙΔΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΣΕ ΚΑΛΟ ΜΟΝΩΤΗ ΕIΝΑΙ ΤΗΣ ΤΑΞΗΣ

Ελεύθερο ηλεκτρόνιο: η E k 2. Η κυματοσυνάρτηση ψ(r) του ελεύθερου e είναι λύση της Schrödinger:

Οι ηµιαγωγοι αποτελουν την πλεον χρησιµη κατηγορια υλικων απο ολα τα στερεα για εφαρµογες στα ηλεκτρονικα.

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

και Φαινόμενα Μεταφοράς εισαγωγή

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ

Κεφάλαια (από το βιβλίο Serway-Jewett) και αναρτημένες παρουσιάσεις

Κεφάλαιο 38 Κβαντική Μηχανική

Μοντέρνα Φυσική. Κβαντική Θεωρία. Ατομική Φυσική. Μοριακή Φυσική. Πυρηνική Φυσική. Φασματοσκοπία

ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ

Κεφάλαιο 6. Ελεύθερα α Ηλεκτρόνια στα Στερεά

7.a. Οι δεσμοί στα στερεά

1.1 Ηλεκτρονικές ιδιότητες των στερεών. Μονωτές και αγωγοί

Κεφάλαιο 37 Αρχική Κβαντική Θεωρία και Μοντέλα για το Άτομο. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

Φύση του φωτός. Θεωρούμε ότι το φως έχει διττή φύση: διαταραχή που διαδίδεται στο χώρο. μήκος κύματος φωτός. συχνότητα φωτός

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι Ενότητα 2

Ηλεκτρονική. Ενότητα: 2 Η επαφή pn. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Μάθημα 23 ο. Μεταλλικός Δεσμός Θεωρία Ζωνών- Ημιαγωγοί Διαμοριακές Δυνάμεις

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Περίθλαση Ακτίνων-Χ και Νετρονίων από Κρυσταλλικά Υλικά

Από τα Κουάρκ μέχρι το Σύμπαν Tελική Eξέταση 7/2/2014 B 1. Την εποχή της υλοκρατίας η εξάρτηση του R από το χρόνο είναι: (α)

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜAΤΩΝ ΜΕ ΔΙΟΔΟ GUNN

Εργαστηριακή Άσκηση Β3: Πειράματα περίθλασης από κρύσταλλο λυσοζύμης

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Ι»-Νοέμβριος 2015

Μεταλλικός δεσμός - Κρυσταλλικές δομές Ασκήσεις

ΙΑΤΡΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΥΠΕΡΗΧΟΓΡΑΦΙΑ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ. Εργαστήριο Φυσικής IΙ. Μελέτη της απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου με χρήση υπολογιστή. 1. Σκοπός. 2. Σύντομο θεωρητικό μέρος

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 1 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ. Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης

Κβαντομηχανική ή κυματομηχανική

Κεφάλαιο 39 Κβαντική Μηχανική Ατόμων

τα μεταλλικά Μια στρώμα. Για την έννοια πως αν και νανοσωματίδια (με εξάχνωση Al). πρέπει κανείς να τοποθετήσει τα μερικές δεκάδες nm πράγμα

4. Παρατηρείστε το ίχνος ενός ηλεκτρονίου (click here to select an electron

Nανοσωλήνες άνθρακα. Ηλεκτρονική δομή ηλεκτρικές ιδιότητες. Εφαρμογές στα ηλεκτρονικά

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

Κυματική φύση της ύλης: ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ. Φωτόνια: ενέργεια E = hf = hc/λ (όπου h = σταθερά Planck) Κυματική φύση των σωματιδίων της ύλης:

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ. Γ. Λευθεριώτης Αναπλ. Καθηγητής Γ. Συρροκώστας Μεταδιδακτορικός Ερευνητής

Κύριος κβαντικός αριθμός (n)

ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ηµιαγωγοί VLSI T echnol ogy ogy and Computer A r A chitecture Lab Γ Τσ ιατ α ο τ ύχ ύ α χ ς ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

Μετασχηματισμοί των κυματισμών Μετασχηματισμοί Κυματισμών. Β.Κ. Τσουκαλά, Επίκουρος Καθηγήτρια ΕΜΠ

1.1 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ. σ = 1/ρ (1.1) J = σ. ξ (νόμος του Ohm) (1.2)

2η Εργαστηριακή Άσκηση Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερμοκρασία Θεωρητικό μέρος

Ημιαγωγοί. Ημιαγωγοί. Ενδογενείς εξωγενείς ημιαγωγοί. Ενδογενείς ημιαγωγοί Πυρίτιο. Δομή ενεργειακών ζωνών

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ. Γ. Λευθεριώτης Αναπλ. Καθηγητής Γ. Συρροκώστας Μεταδιδακτορικός Ερευνητής

1. Να χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ):

Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου υναµικό

Διάλεξη 1: Κβαντομηχανική σε τρεις διαστάσεις

Περίθλαση και εικόνα περίθλασης

Η αρνητική φορά του άξονα z είναι προς τη σελίδα. Για να βρούμε το μέτρο του Β χρησιμοποιούμε την Εξ. (2.3). Στο σημείο Ρ 1 ισχύει

Κίνηση σε Μονοδιάστατα Τετραγωνικά Δυναμικά

ΚΙΝΗΣΕΙΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΣΕ Ο.Μ.Π. 1. Στο σχήμα δίνονται δύο ομογενή μαγνητικά πεδία με εντάσεις μέτρων Β 2 =2Β 1

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

Ατομική Φυσική. Η Φυσική των ηλεκτρονίων και των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων.

ΣΧΟΛΗ ΕΜΦΕ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΑΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης (Ενότητα: Ημιαγωγοί) Ασκήσεις Ι. Ράπτης

ΑΣΚΗΣΗ 1. Περίληψη. Θεωρητική εισαγωγή. Πειραματικό μέρος

Αλλαγή της δομής των ταινιών λόγω κραματοποίησης

1. Η συχνότητα αρμονικού κύματος είναι f = 0,5 Hz ενώ η ταχύτητα διάδοσης του υ = 2 m / s.

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

Ψαρεύοντας έρχεται η θάλασσα. Οδυσσέας Ελύτης

Π. Φωτόπουλος Νανοηλεκτρονικές Διατάξεις ΠΑΔΑ

Επέκταση του μοντέλου DRUDE. - Θεωρία SOMMERFELD

Βασικές διαδικασίες παραγωγής πολωμένου φωτός

Φυσική για Μηχανικούς

Άσκηση 5 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

Τµήµα Επιστήµης και Τεχνολογίας Υλικών Εισαγωγή στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης Μάθηµα ασκήσεων 11/10/2006

Βιβλιογραφία C. Kittel: Εισαγωγή στη ΦΣΚ (5 η εκδ. 8η) Ashcroft, Mermin: ΦΣΚ Ε.Ν. Οικονόμου, ΦΣΚ, Π.Ε.Κ. Κρήτης

Τα πρώτα δύο ελάχιστα της έντασης βρίσκονται συμμετρικά από το μέγιστο σε απόσταση φ=±λ/α.

ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Τάσος Λιόλιος Μάθημα Πυρηνικής Φυσικής

Ανόργανη Χημεία. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ενότητα 4 η : Ιοντικοί Δεσμοί Χημεία Κύριων Ομάδων. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής

κυματικής συνάρτησης (Ψ) κυματική συνάρτηση

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ. Γ. Λευθεριώτης Αναπλ. Καθηγητής Γ. Συρροκώστας Μεταδιδακτορικός Ερευνητής

Γενική Φυσική V (Σύγχρονη Φυσική) Φυσική Ακτίνων-Χ και Αλληλεπίδραση Ακτίνων-Χ και Ηλεκτρονίων με την Ύλη

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ. Σπύρος Νικολαΐδης Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ. f (x) =, x 0, (1), x. lim f (x) = lim = +. x

Η πρώτη σχέση αναφέρεται στο προσπίπτον κύμα και η δεύτερη αναφέρεται στο ανακλώμενο κύμα.

Transcript:

Ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα-σχέση διασποράς (μέρος 2) Το μοντέλο του «άδειου πλέγματος» Βήμα 1: Στο μοντέλο του «άδειου πλέγματος» θεωρούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι ελεύθερο αλλά οι λύσεις της Schrödinger υπόκεινται στις ιδιότητες συμμετρίας του πλέγματος περιορίζουμε την περιοχή τιμών του k όπου πρέπει να υπολογίσουμε την ενέργεια.. (a) η παραβολική σχέση διασποράς για το ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Η συνθήκη συμμετρίας Ε n (k+g)=e n (k) (b) τα κομμάτια των ταινιών μπορούν να κοπούν στα όρια των διαφόρων ζωνών και να μετατοπιστούν (αναδιπλωθούν) κατά πολλαπλάσια του G = 2π α η ενέργεια είναι ίδια σε όλα τα ισοδύναμα σημεία. (c) οι καμπύλες διασποράς μετά την αναδίπλωση μέσα στην 1 η ΖΒ Σελίδα 1 από 7

Αριθμός καταστάσεων στις ταινίες Η συνάρτηση Βloch ψ n, k ορίζει ένα τροχιακό. Αποδεικνύεται ότι ο αριθμός των τροχιακών σε μία ταινία μέσα στην 1 η ΖΒ ισούται με τον αριθμό των μοναδιαίων κυψελίδων στον κρύσταλλο. Σε κρύσταλλο 1D: οι μόνες επιτρεπτές τιμές του k είναι k 2π n L = όπου n=0,±1,±2 κλπ. και φτιάχνουν ένα πλέγμα με μοναδιαίο διάνυσμα 2π/L. 1D Στον χώρο των κυματοδιανυσμάτων oι επιτρεπτές τιμές του k για τα ελεύθερα ηλεκτρόνιο σε μέταλλο ισαπέχουν. Πόσες καταστάσεις Ν υπάρχουν μέσα στην 1η ΖΒ που έχει μήκος 2π/α?? N = 2π α 2π L L = α όπου Ν είναι ο αριθμός των μοναδιαίων κυψελίδων στην 1 η ΖΒ υπάρχουν Ν επιτρεπτές τιμές της Ε ο μέγιστος αριθμός e σε μία ταινία είναι 2Ν (Pauli) διάκριση μετάλλου-μονωτή. Σελίδα 2 από 7

Μέταλλα, ημιαγωγοί, μονωτές. Η βασική διάκριση μετάλλου /μονωτή είναι ότι τα μέταλλα έχουν μισογεμάτες ταινίες & διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Ακριβέστερα: Μία ταινία που είναι πλήρως κατειλημμένη δεν άγει το ρεύμα ένα υλικό συμπεριφέρεται σαν μέταλλο όταν κάποιες από τις ενεργειακές ταινίες του είναι μερικώς κατειλημμένη. Η διεύρυνση του χάσματος γίνεται με ταυτόχρονη μεταβολή της κορυφής της ταινίας σθένους και του πυθμένα της ταινίας αγωγιμότητας & εξαρτάται από την ατομική ακτίνα. Σελίδα 3 από 7

Παράδειγμα: Νa 1s 2, 2s 2, 2p 6 3s 1 Στο Νa οι ταινίες 1s 2, 2s 2, 2p 6 είναι πλήρως κατειλημμένες. Η 3s, που είναι η ταινία σθένους, έχει 1 e. Για να γεμίσει χρειάζεται 2Ν ηλεκτρόνια, όπου N είναι ο αριθμός των μοναδιαίων κυψελίδων. Στο υπόπλεγμα του Νa υπάρχει 1 άτομο με 1 e ο συνολικός αριθμός e σθένους είναι Ν η 3s είναι γεμάτη μόνον κατά το ήμισυ το Na συμπεριφέρεται σαν μέταλλο. Τα στοιχεία με μονό αριθμό e ανά μοναδιαία κυψελίδα είναι μέταλλα αφού οι ταινίες γεμίζουν με ζυγό αριθμό e. Το μοντέλο του σχεδόν ελεύθερου e (Nearly Free Electron model). Βήμα 2: Εισάγουμε το δυναμικό Στο NFE model υποθέτουμε ότι το δυναμικό του κρυστάλλου είναι τόσο ασθενικό ώστε το e να συμπεριφέρεται σαν ελεύθερο και η επίδραση του πλέγματος εισάγεται σαν διαταραχή. Το NFE model περιγράφει ικανοποιητικά τις ταινίες σθένους απλών μετάλλων όπως Na, K. Al κλπ. Σελίδα 4 από 7

Ειδικότερα η επίδραση του δυναμικού του κρυστάλλου είναι: Αμελητέα για τα e που έχουν λ >> ενδοατομικής απόστασης α. Σε αυτή την περίπτωση η ενέργεια των e προσεγγίζεται ικανοποιητικά από την παραβολική προσέγγιση (μεγάλο λ μικρό k, δηλ. κοντά στο κέντρο της ζώνης Brillouin). Σημαντική για τα e με υψηλή E kin ή ισοδύναμα μεγάλο k ή ισοδύναμα μικρό λ. Στην μονοδιάστατη αλυσίδα για την οριακή περίπτωση που λ = 2 α ικανοποιείται η συνθήκη του Bragg τα κύματα ανακλώνται και δημιουργούνται στάσιμα κύματα. Οι εσωτερικές ταινίες των στερεών (π.χ.η 3d στα μεταβατικά μέταλλα) περιγράφονται καλύτερα από το μοντέλο ισχυρής δέσμευσης (tight-binding model TBM). Η σχέση διασποράς για ελεύθερο και σχεδόν ελεύθερο ηλεκτρόνιο σε 1D σύστημα. Η συνθήκη για ανάκλαση Bragg ικανοποιείται όταν k=±nπ/α, όπου α η πλεγματική σταθερά. Σελίδα 5 από 7

Επίδραση του δυναμικού του κρυστάλλου: εισάγονται χάσματα στα σημεία όπου τέμνονται οι ζώνες, δηλ. στα σημεία όπου η επίδραση του πλέγματος είναι ισχυρή. α) οι καμπύλες διασποράς πριν από την αναδίπλωση στην 1 η ΖΒ β) οι καμπύλες διασποράς στην 1 η ΖΒ στο μοντέλο του σχεδόν ελεύθερου ηλεκτρονίου μετά την αναδίπλωση. Αποδεικνύεται ότι: Αυξανομένης της ενέργειας οι ταινίες φαρδαίνουν και τα χάσματα στενεύουν & το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ολοένα και περισσότερο σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Στα όρια της ΖΒ η σκέδαση είναι πολύ ισχυρή και το ανακλώμενο κύμα έχει το ίδιο πλάτος με το προσπίπτον στο k=±π/α το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται σαν στάσιμο κύμα cos(π/αx) ή sin (π/αx) μεγάλη απόκλιση από το ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σαν στάσιμο κύμα το ηλεκτρόνιο έχει μηδενική ταχύτητα στα όρια της ΖΒ. Σελίδα 6 από 7

Στο Τight Βinding Μodel υποθέτουμε ότι το δυναμικό των ατόμων είναι τόσο ισχυρό ώστε το ηλεκτρόνιο να κινείται ουσιαστικά γύρω από 1 άτομο και να βλέπει τα γειτονικά άτομα σαν διαταραχή. Αμφότερα τα NFE και TB models καταλήγουν στα ίδια συμπεράσματα: Ενεργειακά χάσματα εμφανίζονται κοντά στα όρια των ζωνών. Στον πυθμένα μίας ταινίας το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται σαν ελεύθερο σωματίδιο με θετική ενεργό μάζα. Κοντά στην κορυφή μίας ταινίας τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν ελεύθερα σωματίδια με αρνητική ενεργό μάζα. Σελίδα 7 από 7