S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Podobne dokumenty
S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Model elektronów swobodnych w metalu

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

P R A C O W N I A

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Elektryczne własności ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Struktura pasmowa ciał stałych

Przerwa energetyczna w germanie

Elementy teorii powierzchni metali

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Teoria pasmowa ciał stałych

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Elektryczne własności ciał stałych

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Rozszczepienie poziomów atomowych

Atomy wieloelektronowe

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Rok akademicki: 2016/2017 Kod: NIM s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Stany skupienia materii

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Pomiar przewodności cieplnej i elektrycznej metali

Termodynamiczny opis układu

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

Przyrządy półprzewodnikowe

Elektronowa struktura atomu

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Czym jest prąd elektryczny

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Dr inż. Zbigniew Szklarski

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

Zasady obsadzania poziomów

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Stara i nowa teoria kwantowa

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

W5. Rozkład Boltzmanna

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Podstawy krystalografii

Oddziaływania w magnetykach

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Absorpcja związana z defektami kryształu

Wykład Budowa atomu 3

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Wykład Atom o wielu elektronach Laser Rezonans magnetyczny

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II dla EiT oraz E, lato

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

Wykład 12. Rozkład wielki kanoniczny i statystyki kwantowe

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Struktura elektronowa

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

S T R U K T U R Y J E D N O W Y M I A R O W E. W Ł A S N O Ś C I. P R Z Y K Ł A D Y. JOANNA MIECZKOWSKA FIZYKA STOSOWANA

Liczby kwantowe n, l, m l = 0 l =1 l = 2 l = 3

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

E e l kt k r t o r n o ow o a w a s t s r t u r kt k u t ra r a at a o t m o u

WSTĘP DO ĆWICZEŃ DOTYCZĄCYCH CIEPŁA WŁAŚCIWEGO

ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Elementy fizyki statystycznej

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Budowa atomu. Izotopy

POMIAR PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ I ELEKTRYCZNEJ METALI

Podstawy chemii obliczeniowej

ĆWICZENIE 6. Metale, półprzewodniki, izolatory

Oto dane dla niektórych pierwiastków przy 25ºC. Niemetale zaznaczono kursywą.

WYKŁAD 3 CZĄSTECZKI WIELOATOMOWE ZWIĄZKI WĘGLA

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

Transkrypt:

Gaz Fermiego elektronów swobodnych

charakter idea Teoria metali Paula Drudego Teoria metali Arnolda (1900 r.) Sommerfelda (1927 r.) klasyczna kwantowa elektrony przewodnictwa elektrony przewodnictwa w metalu zachowują się jak w metalu zachowują się jak gaz klasyczny gaz Fermiego (zakaz Pauliego) przewodnictwo elektryczne przewodnictwo cieplne prawo Wiedemanna-Franza + + + + + + wkład eletronów przewodnictwa do ciepła właściwego - + dodatnia wartość stałej Halla dla niektórych metali - -

Gaz Fermiego elektronów swobodnych (Teoria metali Arnolda Sommerfelda) Założenia 1. Elektrony walencyjne atomów tworzą gaz Fermiego swobodnych elektronów. tj. gaz swobodnych (czyli nieoddziaływających elektronów) podlegających zakazowi Pauliego. 2. Elektrony zapełniają orbitale* od najmniejszej dostępnej energii, przy czym pojedynczy orbital może zawierać co najwyżej dwa elektrony różniące się rzutem spinu (zakaz Pauliego). *orbital rozwiązanie równania Schrödingera dla pojedynczego elektronu. Jest to rozwiązanie ścisłe tylko wtedy, gdy nie ma oddziaływania między elektronami. Uzasadnienie W próbkach pozbawionych zanieczyszczeń, w niskich temperaturach droga swobodna elektronu może wynosić 108 odległości międzyatmowych co wynika z dwóch powodów: a) elektrony przewodnictwa nie są rozpraszane przez periodycznie rozmieszczone rdzenie jonów ponieważ elektrony te mają charakter fal płaskich o amplitudzie zmieniającej się zgodnie z periodycznością sieci (funkcje Blocha). Do procesu rozproszenia elektronu może dojść wówczas, gdy periodyczność sieci zostanie zaburzona np. za względu na istnienie defektu sieci (atom domieszki, wakancja, dyslokacja, itp.) czy drgania termiczne (fonony). b) elektrony przewodnictwa rzadko rozpraszają się na sobie co wynika z zasady Pauliego. Definicja energia Fermiego F energia najwyższego obsadzonego poziomu elektronowego w temperaturze zera bezwzględnego

Gaz Fermiego elektronów swobodnych Elektrony jako fermiony (cząstki o spinie połówkowym) podlegają statystyce Fermiego-Diraca. Prawdopodobieństwo obsadzenia orbitalu o energii dla idealnego gazu elektronowego znajdującego się w stanie równowagi termicznej wynosi: f (ε )= 1 exp[(ε μ )/ k B T ]+1 potencjał chemiczny N = 0 D( ε ) f ( ε )d ε D( ) gęstość stanów: liczba orbitali na jednostkę energii lim T 0 μ =ε F źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 3, str. 168

Gaz Fermiego elektronów swobodnych źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, tab. 1, str. 172

Gaz Fermiego elektronów swobodnych źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 5, str. 173

Gaz Fermiego elektronów swobodnych źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 8, str. 177 2 2 D ' (εf ) π μ = ε ( k T ) rozwinięcie Sommerfelda: F 6 B D( ε F ) dla dim = 2 D( ) = const rozwinięcie Sommerfelda traci sens vide: N. Ashcroft, N. Mermion, Fizyka..., rozdz. 2, zad. 1, str. 81

Ciepło właściwe metalu w niskich temperaturach źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 9, str. 178

Wartości stałej Sommerfelda i termicznej masy efektywnej źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, tab. 2, str. 179

Termiczna masa efektywna mt = m ( exp/ theor) Przyczyny odchylenia termicznej masy efektywnej od masy swobodnego elektronu: 1. Oddziaływanie e- przewodnictwa z periodycznym potencjałem sztywnej sieci. 2. Oddziaływanie e- przewodnictwa z fononami. e- polaryzuje (odkształca) sieć przyciągając pobliskie jony. To oddziaływanie zwiększa masę efektywną. 3. Oddziaływanie e- przewodnictwa między sobą (poruszający się e- napotyka bezwładność otaczających go e-). To oddziaływanie zwiększa masę efektywną. Ciężkie fermiony ciężkie fermiony związki metaliczne charakteryzujące się wartościami elektronowego ciepła właściwego o 2-3 rzędy wielkości większymi niż wynikające z modelu swobodnych elektronów. Ciężkie fermiony zostały odkryte w latach 70 XX w. Należą do nich między innymi liczne związki ceru, iterbu i uranu, jak np.: CeCu6, CeAl3, CeCu2Si2, YbAl3, UBe13 and UPt3. Własności ciężkofermionowe wynikają z faktu, że stany energetyczne e- 4f ulegają hybrydyzacji z eprzewodnictwa i częściowej delokalizacji. Powstałe w ten sposób zhybrydyzowane pasma są wąskie i charakteryzują się wypłaszczoną relacją dyspersji. Jak zostanie to wykazane w dalszej części wykładu mała krzywizna relacji dyspersji prowadzi do dużej wartości masy efektywnej.

Przesunięcie kuli Fermiego pod wpływem pola elektrycznego źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 10, str. 181

Wartości przewodności elektrycznej i oporu właściwego źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, tab. 3, str. 182

Opór fononowy i resztkowy = L + i źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 11, str. 184

Opór fononowy i resztkowy = L + i źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 12, str. 184 źródło: P. Wilkes, Fizyka Ciała Stałego dla Metaloznawców, PWN, Warszawa, 1979, rys. 28, rozdz. 4.6, str. 96

Efekt Halla źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, rys. 14, str. 188

Efekt Halla źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, tab. 4, str. 189 Uwaga! błąd w opisie tabeli jednostki SI dla stałej Halla to m3/c, a nie m3c Poza tym jest błędny opis jednostek w tabeli. Powinno być RH 10+24 lub RH w jednostkach 10-24

Przewodność cieplna Temperatura pokojowa 1. Metale są znacznie lepszymi przewodnikami ciepła niż dielektryki (wkład elektronowy do ciepła właściwego dominuje nad fononowym). 2. W metalach domieszkowanych lub stopach składowe: elektronowa i fononowa mogą być porównywalne ze względu na ograniczenie drogi swobodnej elektronu spowodowane zderzeniami z atomami domieszek. Niskie temperatury (kilka/kilkadziesiąt K) Przewodnictwo wybranych kryształów dielektryków może przewyższać przewodnictwo cieplne metali. Przykładem dobrego przewodnika ciepła w niskich temperaturach jest syntetyczny szafir (Al2O3).

Prawo Wiedemanna-Franza źródło: Ch. Kittel Wstęp do fizyki..., rozdz. 6, tab. 5, str. 191