Elektronflyttning

Elektronflyttning avser processen där elektroner rör sig eller överförs mellan olika platser eller mellan kemiska arter. Termen används inom flera fält och kan beskriva elektrisk ström i material samt överföring av elektroner i kemiska reaktioner. I fysik och materialvetenskap handlar det oftast om hur elektroner transporteras i fasta ämnen såsom metaller och halvledare; i kemi beskriver det redoxreaktioner där en elektron lämnar eller tillkommer ett ämne.

Inom fasta ämnen uppträder transport oftast som en kombination av drift i elektriska fält och diffusion på grund av koncentrationsskillnader. Ledningsförmågan beror på antalet bärarpartiklar (elektroner), deras rörlighet och materialets struktur. I metaller är elektronerna delokaliserade och rörliga, medan halvledare kännetecknas av en bandstruktur. Transporten beskrivs ofta med Ohms lag J = σ E eller med driftshastighet v_d = μ E, där μ är mobiliteten och σ ledningsförmågan. Vid högre temperaturer ökar elektronspridningen, vilket ofta minskar mobiliteten men kan öka antalet aktiva bärare och därmed ledningen. I nanostrukturer kan transporten bli ballistisk eller domineras av tunnling.

Elektronflyttning i kemi innebär överföring av en elektron mellan två kemiska arter, ofta mellan en donor och en acceptor i en redoxreaktion. Reaktionshastigheten påverkas av den drivande kraften ΔG°, omorganiseringsenergin och mekanismen (inner-sphere eller outer-sphere). Marcus-teori kopplar drivkraft och reaktionshastighet till energilandskap och reorganisation, och används för att beskriva hur övergången sker. Praktiska tillämpningar inkluderar katalys i metallkomplex och i fotosyntetiska och respiratoriska processer samt batterier och elektroder.

Experimentellt studeras elektronflyttning med elektrokemiska metoder som cyklisk voltametri och impedansspektroskopi, samt magnetresistivitetstester. Hall-mätningar ger information om rörlighet, och olika spektroskopiska tekniker följer elektroniska övergångar. Vanliga tillämpningar omfattar elektronik, batterier, bränsleceller och solceller.