Bandabstände

Bandabstände, in der Festkörperphysik auch als Bandlücken bezeichnet, beschreiben die Energieunterschiede zwischen elektronischen Bändern im Verlauf der Bandstruktur eines Kristalls. Der wichtigste Bandabstand ist der zwischen dem Valenzbandmaximum und dem Leitungsbandminimum, der als elektronisches Bandgap (Eg) bezeichnet wird. Dieser Gap bestimmt im Grundzustand, ob ein Material als Leiter, Halbleiter oder Isolator wirkt.

Es gibt direkte und indirekte Bandabstände. Bei direkten Gap liegt das Leitungsbandminimum im selben Wellenzahlenvektor wie das Valenzbandmaximum, was optische Übergänge effizient macht. Indirekte Gap erfordern einen zusätzlichen Phononeneinfluss und führen zu schwächerer Optik. Typische Werte reichen von praktischem Nullgap (Metalle) bis hin zu großen Gaps in Isolatoren; halbmetallische, halbleitende und isolierende Eigenschaften ergeben sich aus dem Größenverhältnis des Gap. Beispiele: Silizium besitzt ein indirektes Gap von etwa 1,12 Elektronenvolt (eV); Galliumarsenid hat ein direktes Gap um ca. 1,42 eV. Monolage MoS2 zeigt ein direct Gap im sichtbaren Bereich, während Mehrschichtstrukturen ein indirektes Gap aufweisen können.

Bandabstände werden experimentell durch optische Messungen (Absorption, Photolumineszenz), Winkelauflösungsfotoelektronenstrahl- oder Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) bestimmt und theoretisch mit Verfahren wie Dichtefunktionaltheorie (DFT), GW-Korrekturen und Bethe-Salpeter-Gleichungen berechnet.

In Mehrschicht- oder Heterostrukturen spielen Bandabstände eine zentrale Rolle, insbesondere die Bandoffsets zwischen Materialien: der Leitungsbandoffset (Conduction-Band Offset) und der Valenzbandoffset. Diese Offsets beeinflussen Ladungstransfer, Rekombination und die Funktion von Bauelementen wie Dioden, LEDs und Solarzellen.

Der Bandabstand hängt von Temperatur, Druck, mechanischer Verzerrung und Dotierung ab und ist damit eine zentrale Größe bei der Gestaltung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente.