Ferminiveauet

Ferminiveauet, også kaldet Fermi-niveauet, er et begreb inden for kvantefysik og solid-state fysik der beskriver kemisk potentialsenergien for elektroner i et many-body system ved en given temperatur. Ved absolut nul er ferminiveauet lig med energien for den højst besatte enkeltpartikeltilstand. I mange sammenhænge betegnes det også som Fermi-energien, særligt i tilstande ved lav temperatur.

Ferminiveauet har central betydning for elektroners sandsynlighedsfordeling og dermed materialets elektroniske egenskaber. Sandsynligheden for at en tilstand med energi E er besat følger Fermi-Dirac-fordelingen f(E) = 1/(exp((E−μ)/kT)+1), hvor μ er ferminiveauet. Placeringen af ferminiveauet i forhold til båndstrukturen bestemmer, om et materiale opfører sig som metal, halvleder eller isolator, og påvirker transportegenskaber som elektrisk ledning og varmeledning.

I faste stoffer opfører ferminiveauet sig forskelligt afhængigt af typen af materiale. I metaller ligger det typisk inden for et afbrydelsesområde af båndet og krydser energiniveauer der bidrager til ledning. I halvledere ligger ferminiveauet i båndgapet i ren tilstand og bevæger sig mod konduktions- eller valensbåndet med dopning eller ved ændrede forhold som temperatur og felt.

Måling og beregning af ferminiveauet udføres ved eksperimenter som fotoelektronspektroskopi og scanning tunneling-mikroskopi samt gennem teoretiske beregninger af båndstruktur og elektroniske tilstandsfordelinger fra første principper. Ferminiveauet er et grundlæggende referencepunkt i studier af elektroniske egenskaber i kvantematerialer. Historisk er det opkaldt efter den italienske fysiker Enrico Fermi.