能帶理論與電子結構
緊束縛模型
/ tyt-BYN-ding MOD-ul /
設想一長排房子,每戶都有一個平時待在家裡的人。不過偶爾有那麼一次,鄰居能溜到隔壁串個門。絕大多數時候大家都各自待著,但正是這些相鄰房子之間難得的跳動,足以讓消息沿著整條街盪漾開去。緊束縛模型對晶體裡電子的設想恰恰如此:大部分時間被束縛在自家原子上,但偶爾能跳到鄰居那裡去。
緊束縛模型從單個原子的軌道出發來構建晶體的能帶,它假定每個電子都相當緊地被自己的原子拽著,只和鄰居微弱地交疊。這種交疊的強弱——電子有多容易跳到隔壁去——決定了由此形成的能帶有多寬:跳動很多就給出寬能帶,跳動很少就給出窄能帶。把整個點陣上的跳動可能性疊加起來,就把尖銳的原子能級抹成了固體裡那些瀰散的能帶。
緊束縛模型之所以重要,是因為它給出清晰的物理直覺,對內層那些被牢牢拽住的電子、以及絕緣體和許多氧化物這類材料,尤其管用。它誠實的局限在另一個極端:對於一塊良導體裡那些鬆鬆散散到處遊蕩的外層電子,原子幾乎拽不住它們,這時一種從自由電子出發的互補圖景能描述得好得多。這兩幅圖景是同一個能帶理論故事的兩端書擋。
石墨烯——一層單原子厚的碳片——出了名地能被一個緊束縛模型很好地描述,模型裡只有一個電子能在相鄰碳原子之間跳動。就是這麼個極簡模型,已經預言出了石墨烯那對引人注目的錐形能帶,在那裡電子表現得彷彿根本沒有質量。
一個極簡的跳動模型,竟出奇精準地抓住了石墨烯的錐形能帶。
緊束縛模型和近自由電子模型從相反的假設出發——一個是束縛在原子上的電子,一個是自由遊蕩的電子——可兩者都得出了能帶和能隙,這說明這些特徵是穩健的,並不是某一種出發點的人為產物。
又稱
另見