JUOSTŲ TEORIJA: MODELIS IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Juostų teorija apibūdina kietojo kūno elektroninę struktūrą kaip visumą. Jis gali būti naudojamas bet kokio tipo kietosioms medžiagoms, tačiau didžiausias jo pasisekimas atsispindi metaluose. Pagal šią teoriją metalinis ryšys atsiranda dėl elektrostatinio traukos tarp teigiamai įkrautų jonų ir judančių elektronų kristaluose.

Todėl metalinis kristalas turi „elektronų jūrą“, kuris paaiškina jo fizikines savybes. Žemiau esantis paveikslas iliustruoja metalinį saitą. Purpuriniai elektronų taškai delokalizuojami jūroje, kuri supa teigiamai įkrautus metalo atomus.

"Elektronų jūra" yra suformuota iš kiekvieno metalo atomo individualių indėlių. Šios įvestys yra jūsų atominės orbitalės. Metalinės konstrukcijos paprastai yra kompaktiškos; kuo kompaktiškesni jie, tuo didesnė jų atomų sąveika.

Taigi jų atominės orbitalės sutampa ir sukuria labai siaurus molekulinius orbitalius energijoje. Tada elektronų jūra yra ne kas kita, kaip didelis molekulinių orbitų rinkinys, turintis skirtingus energijos diapazonus. Šių energijų diapazonas sudaro vadinamąsias energijos juostas.

Šios juostos yra bet kuriuose kristalo regionuose, todėl ji laikoma visuma, o iš ten kyla šios teorijos apibrėžimas.

Energijos juostos modelis

Kai metalinio atomo orbitalė sąveikauja su savo kaimyno orbitale (N = 2), susidaro dvi molekulinės orbitalės: viena iš obligacijų (žalia juosta) ir kita iš anti-bond (tamsiai raudona juosta).

Jei N = 3, dabar susidaro trys molekulinės orbitalės, iš kurių vidurinė (juodoji juosta) nesusieja. Jei N = 4, suformuojamos keturios orbitos ir viena, kuri turi didžiausią sukibimo pobūdį, ir ta, kuri turi didžiausią sukibimo pobūdį, yra toliau atskiriamos.

Energijos diapazonas, mokamas molekulinėms orbitalėms, plečiasi, nes metalo atomai kristaluose sudaro jų orbitales. Tai taip pat lemia energetinės erdvės tarp orbitų sumažėjimą iki taško, kad jie kondensuojasi į juostą.

Ši juosta, sudaryta iš s orbitalių, turi mažai energijos (žalios ir geltonos spalvos) ir didelės energijos (oranžinės ir raudonos spalvos) sritis. Jos energetiniai kraštutinumai turi mažą tankį; tačiau centre dauguma molekulinių orbitų yra sukoncentruoti (balta juosta).

Tai reiškia, kad elektronai „bėga greičiau“ per juostos centrą nei per jos galus.

Fermi lygis

Elektros laidumą sudaro elektronų migracija iš valentinės juostos į laidumo juostą.

Jei energijos skirtumas tarp abiejų juostų yra labai didelis, turite izoliacinę medžiagą (kaip ir B). Kita vertus, jei šis tarpas yra palyginti mažas, kieta medžiaga yra puslaidininkis (C atveju).

Kai temperatūra pakyla, valentinėje juostoje esantys elektronai įgyja pakankamai energijos, kad galėtų pereiti link laidumo juostos. Dėl to atsiranda elektros srovė.

Tiesą sakant, tai yra kietų medžiagų arba puslaidininkinių medžiagų kokybė: kambario temperatūroje jie yra izoliaciniai, bet aukštoje temperatūroje yra laidūs.

Vidiniai ir išoriniai puslaidininkiai

Vidiniai laidininkai yra tie, kurių energijos tarpas tarp valentinės juostos ir laidumo juostos yra pakankamai mažas, kad šiluminė energija leistų elektronams praeiti.

Kita vertus, išoriniai laidininkai po dopingo su priemaišomis rodo savo elektroninių struktūrų pokyčius, kurie padidina jų elektrinį laidumą. Šis priemaiša gali būti kitas metalas arba nemetalinis elementas.

Jei priemaiša turi daugiau valentinių elektronų, ji gali suteikti donorinę juostą, kuri yra kaip tiltas valentinės juostos elektronams pereiti į laidumo juostą. Šios kietosios medžiagos yra n tipo puslaidininkiai. Čia vardas n kilęs iš „neigiamas“.

Viršutiniame paveikslėlyje donorų juosta pavaizduota mėlyna spalva, tiesiai po laidumo juosta (n tipas).

Kita vertus, jei priemaiša turi mažiau valentinių elektronų, ji suteikia akceptoriaus juostą, kuri sutrumpina energijos atotrūkį tarp valentinės juostos ir laidumo juostos.

Pirmiausia elektronai migruoja link šios juostos, palikdami „teigiamas skylutes“, kurios juda priešinga kryptimi.

Kadangi šios teigiamos skylės žymi elektronų praėjimą, kieta medžiaga yra p tipo puslaidininkis.

Taikomosios juostos teorijos pavyzdžiai

- Paaiškinkite, kodėl metalai yra blizgūs: judantys elektronai gali sugerti radiaciją plačiame bangų ilgių diapazone, kai jie šokinėja į aukštesnį energijos lygį. Tada jie skleidžia šviesą, grįždami į žemesnius laidumo juostos lygius.

- Kristalinis silicis yra svarbiausia puslaidininkių medžiaga. Jei silicio dalis yra nusodinta su 13 grupės elemento (B, Al, Ga, In, Tl) pėdsakais, jis tampa p tipo puslaidininku. Tuo tarpu, jei jis yra prisotintas 15 grupės elementu (N, P, As, Sb, Bi), jis tampa n tipo puslaidininku.

- Šviesos diodas (LED) yra pn plokštės puslaidininkis. Ką tai reiškia? Kad medžiaga turi abiejų tipų puslaidininkius, tiek n, tiek p. Elektronai migruoja iš n tipo puslaidininkio laidumo juostos į p tipo puslaidininkio valentinę juostą.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis, p. 486–490.
2. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas. 103–107, 633–635 psl.). Mc Graw Hill.
3. „Nave CR“ (2016). Kietųjų dainų juostų teorija. Gauta 2018 m. Balandžio 28 d. Iš: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve'as Kornicas. (2011). Pereiti nuo obligacijų prie juostų chemiko požiūriu. Gauta 2018 m. Balandžio 28 d. Iš: chembio.uoguelph.ca
5. Vikipedija. (2018 m.). Išorinis puslaidininkis. Gauta 2018 m. Balandžio 28 d. Iš: en.wikipedia.org
6. BYJU'S. (2018 m.). Metalų juostų teorija. Gauta 2018 m. Balandžio 28 d., Iš: byjus.com