energibåndstruktur

Energibåndstruktur beskriver hvordan elektroner i et fast stoff har energinivåer som varierer med bølgetall k i et periodisk krystalpotensial. Når atomnivåer overlapper mellom naboatomer, dannes bredder av energibånd i stedet for isolerte nivåer. Ved lav temperatur er valensbåndet normalt fullt og konduksjonsbåndet ligger høyere med et energigap mellom dem; i metaller overlapper båndene eller er delvis fylt, og elektroner kan lede.

Bandstrukturen bestemmes av krystalstrukturen og symmetrien og vises som E(k) kurver i første Brillouin-sone. Bloch-teoremet beskriver elektronbølger i en periodisk krystal med Bloch-funksjoner, slik at energien varierer med k i hvert band. Beregninger bruker modeller som tight-binding eller nearly free electron, mens ab initio metoder som DFT gir detaljerte båndstrukturer for konkrete materialer.

Fysiske konsekvenser inkluderer elektrisk ledning, optiske responser og varmetransport. Bandstrukturen styrer dopningseffekter, Fermi-nivå og mobilitet, og avgjør om et materiale er en leder, halvleder eller isolator. Den er sentral i design av elektronikk og optoelektronikk, inkludert transistorer, solceller og LED-er.

Målemetoder inkluderer ARPES for direkte E(k) kurver, samt optisk absorpsjon og elektrontransport som gir indirekte informasjon om båndstrukturen.

Eksempler: Silisium har et indirekte bandgap rundt 1,1 eV; GaAs har direkte bandgap ca. 1,42 eV. Grafen mangler et vanlig bandgap i ren tilstand og viser Dirac-koner ved K-punktet.