Теорія моделей смуг і приклади



The теорія смуг це та, яка визначає електронну структуру твердого тіла в цілому. Він може бути застосований до будь-якого типу твердого тіла, але саме в металах, де відображені його найбільші успіхи. Згідно з цією теорією, металевий зв'язок виникає в результаті електростатичного тяжіння між позитивно зарядженими іонами і рухливими електронами в кристалі..

Тому в металевому кристалі є «море електронів», яке може пояснити його фізичні властивості. Нижнє зображення ілюструє металеву зв'язок. Фіолетові точки електронів ділокалізуються в морі, що обволікає позитивно заряджені атоми металу.

"Море електронів" утворюється з індивідуальних внесків кожного атома металу. Ці внески є його атомними орбіталями. Металеві конструкції, як правило, компактні; чим більше вони компактні, тим більше взаємодій між їх атомами.

Як наслідок, їх атомні орбіталі перекриваються, створюючи дуже вузькі молекулярні орбіталі в енергії. Море електронів є лише великим набором молекулярних орбіталей з різними діапазонами енергій. Діапазон цих енергій становить те, що відомо як енергетичні смуги.

Ці смуги присутні в будь-якій області кристала, тому його розглядають як ціле, а звідси випливає визначення цієї теорії..

Індекс

  • 1 Модель енергетичних смуг
    • 1.1 Рівень Фермі
  • 2 Напівпровідники
    • 2.1 Внутрішні та зовнішні напівпровідники
  • 3 Приклади прикладної групової теорії
  • 4 Посилання

Модель енергетичних смуг

Коли орбітальна мета атома металу взаємодіє з такою її сусіда (N = 2), утворюються дві молекулярні орбіталі: одна з зв'язків (зелена смуга) і одна з антизв'язку (темно-червона смуга).

Якщо N = 3, тепер утворюються три молекулярні орбіталі, з яких середня (чорна смуга) не є обов'язковою. Якщо N = 4, формуються чотири орбіталі, а далі з найбільшим характером прив'язки і тим, хто має найбільший антизамерзний характер, далі розділяються..

Діапазон енергії, доступний для молекулярних орбіталей, розширюється, оскільки атоми металу кристала забезпечують їх орбіталі. Це також призводить до зменшення енергетичного простору між орбіталями до того, що вони конденсуються в смузі.

Ця смуга, що складається з орбіталей, має області низької енергії (зелені та жовті кольори) і високу енергію (оранжеві та червоні кольори). Їх енергетичні крайності мають низьку щільність; однак більшість молекулярних орбіталей (біла смуга) зосереджені в центрі.

Це означає, що електрони "біжать швидше" через центр смуги, ніж на їх кінцях.

Рівень Фермі

Це найвищий енергетичний стан, зайнятий електронами в твердому тілі при температурі абсолютного нуля (T = 0 K).

Як тільки смуга побудована, електрони починають займати всі свої молекулярні орбіталі. Якщо метал має єдиний валентний електрон (и)1), всі електрони в його кристалі займуть половину смуги.

Інша незайнята половина називається рушійною смугою, а смуга, заповнена електронами, називається валентною зоною.

У верхньому зображенні А являє собою типову валентну смугу (синю) і зону провідності (білу) для металу. Блакитна лінія кордону вказує на рівень Фермі.

Оскільки метали також мають р-орбіталі, вони поєднуються таким же чином, щоб створити p-діапазон (білий).

У випадку металів, смуги s та p дуже близькі по енергії. Це дозволяє їх перекривати, просуваючи електрони від валентної зони до зони провідності. Це відбувається навіть при температурах трохи вище 0 К.

Для перехідних металів і з періоду 4 вниз, також можна формувати смуги.

Рівень Фермі щодо зони провідності дуже важливий для визначення електричних властивостей.

Наприклад, метал Z з рівнем Фермі, дуже близьким до зони провідності (найближча порожня смуга в енергії), має більш високу електропровідність, ніж метал X, в якому рівень Фермі далеко від цієї смуги..

Напівпровідники

Електрична провідність потім складається з міграції електронів від валентної зони до зони провідності.

Якщо енергетична щілина між обома смугами дуже велика, ми маємо ізолююче тверде тіло (як у B). З іншого боку, якщо цей зазор є відносно малим, то тверде тіло є напівпровідником (у випадку C).

Зіткнувшись зі збільшенням температури, електрони в валентній зоні набувають достатньо енергії для переходу до зони провідності. Це призводить до електричного струму.

Насправді це якість твердих або напівпровідникових матеріалів: при кімнатній температурі вони є ізоляторами, але при високих температурах вони є провідниками.

Внутрішні та зовнішні напівпровідники

Власні провідники - це ті, в яких енергетична щілина між валентною зоною і зоною провідності є достатньо малою, щоб теплова енергія дозволяла проходити електрони.

З іншого боку, зовнішні провідники виявляють зміни в своїх електронних структурах після допінгу домішками, які збільшують їх електропровідність. Ця домішка може представляти собою інший метал або неметалевий елемент.

Якщо домішка має більше валентних електронів, вона може забезпечити донорну смугу, яка служить мостом для переходу електронів валентної зони в зону провідності. Ці тверді речовини є напівпровідниками n-типу. Тут російське позначення походить від "негативного".

У верхньому зображенні донорна смуга проілюстрована у блакитному блоці безпосередньо під рухомою смугою (Тип n).

З іншого боку, якщо домішка має менші валентні електрони, вона забезпечує акцепторну смугу, що скорочує енергетичний зазор між валентною зоною та рушійною смугою..

Електрони спочатку мігрують у бік цієї смуги, залишаючи за собою «позитивні діри», які рухаються в протилежному напрямку.

Оскільки ці позитивні розриви позначають проходження електронів, тверда речовина або матеріал є напівпровідником р-типу..

Приклади прикладної групової теорії

- Поясніть, чому метали яскраві: їхні рухливі електрони можуть поглинати випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль, коли вони переходять до більш високих енергетичних рівнів. Потім вони випромінюють світло, повертаючись до нижчих рівнів ведучої смуги.

- Кристалічний кремній є найважливішим напівпровідниковим матеріалом. Якщо частина кремнію легується слідами елемента групи 13 (B, Al, Ga, In, Tl), то вона стає напівпровідником р-типу. Оскільки, якщо він легований елементом групи 15 (N, P, As, Sb, Bi), то він стає напівпровідником n-типу.

- Світлодіод (LED) є спільним напівпровідником p-n. Що ви маєте на увазі? Що матеріал має обидва типи напівпровідників, як n, так і p. Електрони мігрують з зони провідності напівпровідника n-типу до валентної зони напівпровідника p-типу.

Список літератури

  1. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія (8-е изд.). CENGAGE Learning, стор 486-490.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Неорганічна хімія (Fourth edition., С. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
  3. Корабель С. Р. (2016). Базова теорія твердих тіл. Отримано 28 квітня 2018 року від: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  4. Стів Корнік (2011). Перехід від облігацій до груп з точки зору хіміка. Отримано 28 квітня 2018 року з: chembio.uoguelph.ca
  5. Вікіпедія. (2018). Зовнішній напівпровідник. Отримано 28 квітня 2018 р. З: en.wikipedia.org
  6. БЮДЮ. (2018). Банківська теорія металів. Отримано 28 квітня 2018 року від: byjus.com