elektronband

Een elektronband (of bandstructuur) is de verzameling van energiebanden waarbinnen elektronen in een kristallijn vast materiaal kunnen bewegen. In een individueel atoom bestaan discrete energie-niveaus, maar in een kristal overlappen deze niveaus doordat atomaire orbitalen met elkaar kunnen mengen. Het gevolg is een reeks energiebanden die afhankelijk zijn van het elektronmomentum k in de kristalstructuur. De relatie tussen energie en k wordt vaak weergegeven als de dispersierelatie E(k).

Tussen deze bandstructuren ligt meestal een energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband. In metalen komen valentie- en geleidingsbanden samen of overlappen, waardoor elektronen vrij kunnen bewegen. In halfgeleiders en isolatoren is er een energiekloof; de grootte daarvan bepaalt in grote lijnen de geleidbaarheid en de eigenschappen bij elektrische en optische toepassingen. De Fermi-niveau geeft de energie van het hoogste bezette niveau bij temperatuur 0 K en verdeelt de elektronen over de beschikbare toestanden in k-ruimte. De toestandendichtheid (DOS) beschrijft hoeveel toestanden er per energie-eenheid beschikbaar zijn. Modellen zoals het tight-binding-model, het nearly-free-electron-model en berekeningen met de dichtheidsfunctionalentheorie (DFT) worden gebruikt om E(k) en de DOS te bepalen.

Doping, defecten en temperatuur kunnen de bandstructuur beïnvloeden en lokale toestanden nabij de energiekloof introduceren. De bandstructuur bepaalt optische eigenschappen zoals absorptie en emissie bij elektronische overgangen tussen banden en vormt de basis voor toepassingen zoals transistors, zonnecellen en LED’s.