elektronbanden

Elektronbanden zijn de energieniveaus waar elektronen in kristallijne vaste stoffen zich in kunnen bevinden. In een periodiek kristalrooster ondergaat een elektron een periodiek potentiaal waardoor de individuele atoomorbitalen samensmelten tot verzamelingen toestanden: de banden. Binnen een band kunnen elektronen zich voortbewegen, terwijl tussen de banden een energiekloof, de bandgap, ontstaat waarin geen toestanden voorkomen.

De onderkant van de bandstructuur heet de valentieband en de eerstvolgende bovengrens de geleidingsband. Als de valentieband en geleidingsband overlappen of ruim genoeg uit elkaar liggen, kan een materiaal elektrisch geleiden, wat kenmerkend is voor metalen of halfgeleiders. Een grote bandgap wijst op een isolator. De grootte en aard van de bandgap bepalen mede optische en elektronische eigenschappen van het materiaal.

Bandstructuur kan beschreven en berekend worden met verschillende modellen. Populaire benaderingen zijn het nearly-free-electron-model en het tight-binding-model. Voor realistische materialen worden vaak berekeningen uitgevoerd met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) of aanverwante methoden. De vorm van de bandgap kan direct- of indirect zijn, wat invloed heeft op optische processen zoals absorptie en emissie.

Experimenten onderzoeken de bandstructuur met technieken als angle-resolved photoemissie-spectroscopie (ARPES), optische spectroscopie en elektrische metingen. Elektronbanden vormen de kern van de moderne solid-state fysica en technologieën zoals半geleiders, transistors, diodes en zonnecellen. Het bandbeeld kan door temperatuur, druk of elektrische velden veranderen, en in sommige materialen leiden sterke elektron-onderlinge interacties tot complexere verschijnselen die buiten het eenvoudige bandmodel vallen.