Bandengrenzen

Bandengrenzen zijn de energieniveaus waarboven elektriciteitspaden in een kristallijn materiaal zich kunnen bevinden en onder waar elektrische toestanden niet voorkomen. De belangrijkste begrippen zijn de valentieband maximum (VBM) en de geleidingsband minimum (CBM). Het verschil tussen deze twee energies bevindt zich de bandgap (Eg) en bepaalt of een materiaal een isolator, een semiconductor of een metaal is. In metalen vallen de banden deels of volledig door de Fermi-niveau, waardoor er geen echte bandgap bestaat en elektrische lading vrij kan bewegen.

De bandengrenzen ontstaan uit het periodieke kristalpotentiaal en Blochs theorem, waardoor elektronische toestanden in banden gegroepeerd voorkomen. Nabij de bandengrenzen bepalen de effectieve massa en de detaillering van de dispersie de mobiliteit van de dragers. Bij heterostructuren kunnen bandgrenzen schuiven ten opzichte van elkaar, wat leidt tot bandalignments: type-I, type-II en type-III, met belangrijke implicaties voor opto-elektronische apparaten en opslagtechnologieën.

Meet- en berekeningsmethoden zijn onder meer angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) om het bandbeeld experimenteel te bepalen, optische absorptie om de energiedrempel te bepalen, en scanning tunneling spectroscopy. Theoretisch worden bandengrenzen berekend met kwantummechanische modellen en first-principles methoden zoals density functional theory, soms met correcties voor de bandgap.

Bandengrenzen zijn cruciaal voor de werking van slim materiaalontwerp, zoals halfgeleiders, zonnepanelen, LED’s en koolstofgebaseerde en perovskietmaterialen, waar bandengineering en arbeidspaden richting het vacuumniveau de prestaties bepalen.