纳米结构的电子性质.ppt

纳米结构的电子性质，综述，原始的能量和固体，在一个孤立的原子中，原子核外的电子只能处于一定的原子水平。当两个原子接近时，每个原子的价电子被两个原子核吸引，使得价电子有均等的机会位于两个原子核附近，导致每个孤立的原子能级分裂成两个，当三个原子相互接近时，能级将会三重分裂，一种含有大量原子的固体，其结构能级分裂，从而产生能带。低能带-价带(VB)完全充满了电子，所以它不能移动来产生电流。导带未完全填充或完全未填充。导带和价带之间有一个能隙，即禁带。禁带不能充满电子。导带中的电子并不局限于特定的原子，而是可以在固体中运动，称为自由电子。单个原子中的电子局限于原子本身，电子能级的量子理论，一个原子的原子轨道与另一个原子的重叠，组成两个分子轨道的低能轨道称为成键分子轨道，高能轨道称为反成键分子轨道。更多的原子组成固体，对应于相同原子能级的成键和反成键轨道的数量增加，并最终形成能带。在同一能带中，轨道之间只有微小的能量差异。双原子分子的分子轨道，分子轨道理论中的能级分裂，能量，原子轨道，分子轨道，原子轨道，反键态，健康态，n原子，最高占据的能带称为价带，未完全占据的能态称为导带和价带之间的间隔，没有轨道，电子不允许在这个间隔中有能量，kBT，Eg接近kBT，金属自由电子理论，在零级近似下，简单金属的电子结构可以采用格特鲁德-索末菲自由电子模型。价电子是完全常见的，在金属中形成导电的自由电子。离子现实和价电子之间的相互作用被完全忽略，自由电子系统被认为是理想气体(电子气体)，电子之间没有相互作用。为了保持金属的电中性，假设离子的正电荷分散在整个体积中，正好中和自由电子的负电荷。在jellium模型中，自由电子可以看作波矢为(kx，ky，kz)的平面波。如果金属样品的体积是V=L3，而L是样品的边长，那么金属样品可以被认为是一个价电子可以在其中自由移动的势阱，这类似于量子力学中正方形势阱中的稳态溶液。在周期边界条件下，波矢的分量只能是2p/L的整数倍，并由德布罗意波粒二象性决定。电子的动能和波矢之间有一种关系：电子可能占据的能量状态是量子化的，金属和金属中的价带和导带重叠，因此在零度时没有禁带，所有最低的能级都被电子填充，最高的填充能级是费米能级。在有限的温度下，处于最高占据能级的一些电子被热激发到更高的空能级，费米能级代表半满半空的能级。一种由n个原子组成的固体，每个能带可以容纳2N个电子来填充电子轨道。因此，对于下面的单价金属，由于每个原子的电子数是奇数，最终填充的能带只能是半满的，因此形成了一个好的导体。名称# electroniconfigurationluminum 13neo，3s2，3p 1 copper 29argument，3d10，4s1 silver 47氪，4d10，5s1gold79 Xenon，4f14，5d10，6s1，以(kx，ky，kz)为坐标轴。为了形成一个空间，k在空间中均匀分布，而电子以球形分布在空间中。等能面是一个以原点为球心的球面。在k空间中，金属自由电子气模型具有抛物线能带曲线，自由电子气具有抛物线能带曲线。根据费米统计，每个能级(允许状态)可以容纳两个电子(一个自旋向上，一个自旋向下)。从波矢到能量的转换关系可以得到态密度的表达式如果体积v中的电子总数是N，小于可用能级的总数，那么电子占据了N/2个最低能级，并且这些电子占据的最高能级是费米能级ef。n=n/v是电子密度。在k空间中，被占据的区域变成一个球体，称为费米球体，其半径为费米波矢量kF。在室温下，处于最高占据能级的一些电子被热激发到高于费米能级。费米能量对应于一种能量状态，其中一半是满的，另一半是空的。半导体和绝缘体具有相同的特性：价带完全充满，导带完全空着，绝缘体：禁带宽度大，带隙比比热电子能量大两个数量级，电子在常温下不能被热激发到导带。在理想绝缘体中，所有电子都直接与原子结合。半导体：禁带宽度小，在低温下是绝缘体。在高温下，一些电子可以从价带热激发到导带，电子和空穴在一定的外部电场下形成电流。导带的最低能态被热激发的电子占据，最高能态的能量是费米能级。在价带的顶部，电子被激发，留下一个空的状态空穴，充满了价带顶部的能量状态，最低的能量状态是-EF，EF也被称为费米能量，有效质量。考虑到最简单的一维模型，传导电子的能量和波矢可以用下面的平方关系联系起来：一阶导数给出速度v，二阶导数给出有效质量m*:电子的有效质量m*通常不同于自由电子质量m。这个公式给出了有效质量的一般定义。能带的斜率越大，有效质量越小。导带：电子有效质量me价带：空穴有效质量mh，费米表面，在三维k空间中，波矢kx，ky，kz满足：形成费米表面。所有比费米表面低的能态(kx，ky，kz)都被占据，所有比费米表面高的能态(kx，ky，kz)都是空的。如果导电电子的能量和波矢满足简单的平方关系，费米平面是一个球，在K空间中由下列公式给出：由激子和电子空穴对组成的束缚态。在量子力学中，电子和空穴通过库仑力的相互作用可以看作是“类氢原子”。激子有效质量：激子能量：m0-自由电子质量，e0-真空介电常数a0是玻尔半径，电子轨道的有效玻尔半径：掺杂，施主：导带提供电子，电子传导，n型受主：提供空穴到价带，空穴传导，P型，施主能级，受主能级，P-NJFUNCTION : Abruptjunctiononofnlf :电子波函数的相位相干长度的波动是e2/h的数量级(410-5S)并且无关因此，它被称为普遍电导波动(UCF)。通用电导波动来自介观金属(满足lFh/RTC，或RTRQh/e226kW实现：非常小的高电阻隧道结。小粒子 1纳米，基于库仑阻塞的可能器件：精确电流标准非常灵敏静电计逻辑门存储器：超低能耗、高速、原子级金属氧化物半导体技术的可能替代品。电流偏置的单结和偏置电流为1的单结。结的特性描述：电容C和隧穿电阻RT是两个参数。结的状态描述：结电极上的电荷q，穿过势垒的电子数n。电子隧穿导致系统静电能的变化：正负电子之前的符号对应于极板1的电荷减少；当T=0时，隧道过程条件为d0，即倾向于降低系统的能量。因此，在-1/2 EKBT条件下，单电子隧穿概率：g=(1/E2RT) D