bandirakenteet

Bandirakenteet ovat kiinteässä aineessa elektronien sallittujen energioiden riippuvuutta kristallin momentista k. Kristallin säännöllinen potentiaali saa aikaan eri energian alueita, joita kutsutaan bandeiksi, ja niiden väleihin muodostuu energia-aukkoja. Jokaiselle bandeille on oma dispersiokäyränsä E_n(k), jossa n on bandein numero ja k on kristallmomenta. Näin koko bandi/joukko E_n(k) määrittelee elektronien mahdolliset energiat tilassa, ja valinnat paikoista johtavat materiaaleihin ominaisia sähköisiä ominaisuuksia.

Bandirakenteiden muodostuminen voidaan selittää useilla malleilla. Lähes vapaan elektronin malli lisää pienellä kristallipotentiaalin vaikutuksella, mikä johtaa laajoihin, mutta säännöllisesti toistuviin dispersiokäyriin. Tiiviisti sidottu malli puolestaan korostaa atomeiden lähiyhteyksiä ja tuottaa energianjaot, jotka riippuvat liitoksista ja orbitalien hybridisaatiosta. Brillouin-alueella E_n(k) on tarkkaan määritelty ja kierrä yksikössä, jolloin bandirakenteet ovat periodisia funktionaalisesti.

Materiaalit luokitellaan usein bandipohjalta: conductori, puolijohde tai eriste riippuen siitä, sijaitseeko Fermi-taso valitun bandin sisällä vai aukon kohdassa. Aukko voidaan jakaa suoraan tai epäsuoraan riippuen siitä, missä valenssi- ja konduktiobandin mahdollisuuksien huippu/nippa sijaitsevat. Sulautuneet aineet ja doping voivat siirtää Fermi-tasoa ja muuttaa johtavuutta.

Bandirakenteiden tutkimus hyödyntää kokeita kuten ARPES ja optinen absorptio, sekä laskennallisia menetelmiä kuten tiiviisti sidottu- ja lähes vapaa elektroni -malleja, nopeuttaen materiaalitekniikan ja suunnittelun sovelluksia elektroniikassa, fotopolttoaineissa ja optoelektroniikassa.