תורת הלהקות היא כזו המגדירה את המבנה האלקטרוני של המוצק בכללותו. זה יכול להיות מיושם על כל סוג של מוצק, אבל זה במתכות שבה ההצלחות הגדולות ביותר שלה משתקפות. על פי תיאוריה זו, הקשר המתכתי נובע מהמשיכה האלקטרוסטטית בין היונים הטעונים באופן חיובי, לבין האלקטרונים הניידים בגביש.
לכן, בגביש המתכתי יש "ים של אלקטרונים", שיכול להסביר את תכונותיו הפיזיות. התמונה למטה ממחישה את הקישור המתכתי. הנקודות הסגולות של האלקטרונים ממוקמות בים שמקיף את אטומי המתכת הטעונים באופן חיובי.
"ים האלקטרונים" נוצר מהתרומות האינדיבידואליות של כל אטום מתכת. התשומות האלה הן המסלול האטומי שלך. מבני מתכת הם בדרך כלל קומפקטיים; ככל שהם קומפקטיים יותר, כך האינטראקציות בין האטומים שלהם גדולות יותר.
כתוצאה מכך, האורביטלים האטומיים שלהם חופפים זה לזה ליצירת אורביטלים מולקולריים צרים מאוד באנרגיה. ים האלקטרונים אינו אלא מערך גדול של אורביטלים מולקולריים עם טווחי אנרגיה שונים. טווח האנרגיות הללו מהווה מה שמכונה להקות אנרגיה.
להקות אלה קיימות באזורים כלשהם של הגביש, וזו הסיבה שהיא נחשבת כולה, ומשם באה ההגדרה של תיאוריה זו.
דגם להקת אנרגיה
כאשר המסלול של אטום מתכתי מקיים אינטראקציה עם זו של שכנתו (N = 2), נוצרים שני אורביטלים מולקולריים: אחד של קשר (פס ירוק) ואחר של אנטי-קשר (פס אדום כהה).
אם N = 3, נוצרים כעת שלושה אורביטלים מולקולריים, אשר האמצעית (הלהקה השחורה) אינה קשורה. אם N = 4, נוצרים ארבעה אורביטלים ומופרדים זה עם זה עם הדמות הגדולה ביותר של הקשר.
טווח האנרגיה העומד לרשות האורביטלים המולקולריים מתרחב כאשר אטומי המתכת בגביש תורמים את האורביטלים שלהם. זה גם מביא לירידה במרחב האנרגטי בין האורביטלים עד כדי כך שהם מתעבים ללהקה.
ללהקה זו המורכבת מסביבונים יש אזורים בעלי אנרגיה נמוכה (אלה בצבע ירוק וצהוב) ואנרגיה גבוהה (אלה בצבע כתום ואדום). לקצוות האנרגיה שלו צפיפות נמוכה; עם זאת, במרכז מרבית האורביטלים המולקולריים מרוכזים (פס לבן).
המשמעות היא שהאלקטרונים "רצים מהר יותר" דרך מרכז הלהקה מאשר דרך קצותיו.
רמת פרמי
מוליכות חשמלית מורכבת אז מהעברת אלקטרונים מלהקה לערכאות הולכה.
אם פער האנרגיה בין שתי הלהקות גדול מאוד, יש לך מוצק מבודד (כמו עם B). מצד שני, אם הפער הזה קטן יחסית, המוצק הוא מוליך למחצה (במקרה של C).
כאשר הטמפרטורה עולה, האלקטרונים ברצועת הערכיות רוכשים מספיק אנרגיה כדי לנדוד לעבר פס ההולכה. התוצאה היא זרם חשמלי.
למעשה, מדובר באיכות של מוצקים או חומרים מוליכים למחצה: בטמפרטורת החדר הם מבודדים, אך בטמפרטורות גבוהות הם מוליכים.
מוליכים למחצה פנימיים וחיצוניים
מוליכים פנימיים הם אלה שבהם פער האנרגיה בין רצועת הערכיות לבין פס ההולכה הוא קטן מספיק בכדי שהאנרגיה התרמית תאפשר מעבר של אלקטרונים.
מצד שני, מוליכים חיצוניים מראים שינויים במבנים האלקטרוניים שלהם לאחר סמים עם זיהומים, המגדילים את המוליכות החשמלית שלהם. טומאה זו יכולה להיות מתכת אחרת או אלמנט שאינו מתכתי.
אם לטומאה יש יותר אלקטרונים ערכיות, היא יכולה לספק רצועת תורמים המשמשת כגשר עבור אלקטרונים מלהקת הערכיות לחצות את פס ההולכה. מוצקים אלה הם מוליכים למחצה מסוג n. כאן השם n מגיע מ"שלילי ".
בתמונה העליונה רצועת התורמים מאוירת בגוש הכחול ממש מתחת לפס ההולכה (סוג n).
מצד שני, אם לטומאה יש פחות אלקטרונים של ערכי ערך, היא מספקת פס קבלה, המקצר את פער האנרגיה בין רצועת הערכיות לבין פס ההולכה.
האלקטרונים נודדים תחילה לעבר פס זה, ומשאירים אחריהם "חורים חיוביים", שנעים בכיוון ההפוך.
מכיוון שהחורים החיוביים הללו מסמנים את מעבר האלקטרונים, המוצק או החומר הם מוליכים למחצה מסוג p.
דוגמאות לתורת הלהקה המיושמת
- הסבירו מדוע מתכות נוצצות: האלקטרונים הנעים שלהם יכולים לספוג קרינה במגוון רחב של אורכי גל כאשר הם קופצים לרמות אנרגיה גבוהות יותר. לאחר מכן הם פולטים אור, חוזרים לרמות נמוכות יותר של פס ההולכה.
- סיליקון גבישי הוא החומר המוליך-מוליך החשוב ביותר. אם חלק מסיליקון מסומם עם עקבות של אלמנט קבוצה 13 (B, Al, Ga, In, Tl), הוא הופך למוליך למחצה מסוג p. ואילו אם הוא מסומם עם מרכיב מקבוצה 15 (N, P, As, Sb, Bi) הוא הופך למוליך למחצה מסוג n.
- הדיודה הפולטת אור (LED) היא מוליך למחצה לוח. מה זה אומר? כי לחומר יש שני סוגים של מוליכים למחצה, גם n וגם p. אלקטרונים נודדים מלהקת ההולכה של מוליך המוליכים-למחשבים מסוג n אל רצועת הערכיות של מוליך-המוליכים-סוג p.
הפניות
- וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '486-490.
- שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (מהדורה רביעית. עמ '103-107, 633-635). מק גריי היל.
- נווה CR (2016). תורת המוצקים. הוחזר ב- 28 באפריל 2018 מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- סטיב קורניץ '. (2011). עוברים מאג"ח ללהקות מנקודת המבט של הכימאי. הוחזר ב- 28 באפריל 2018 מ: chembio.uoguelph.ca
- ויקיפדיה. (2018). מוליך למחצה קיצוני. הוחזר ב- 28 באפריל 2018 מ: en.wikipedia.org
- BYJU'S. (2018). תיאוריית הלהקות של מתכות. הוחזר ב -28 באפריל 2018 מ: byjus.com