Permukaan Fermi dan Logam

LogamSifat yang paling sering dianggap

mencirikan logam adalah konduktivitas listrik atau konduktivitas termalnya yang tinggi.

Sangat besarnya perbedaan konduktivitas antara logam dan non logam adalah karena pada logam yang mengalami beda potensial elektron-elektron dapat bergerak bebas, sementara pada bahan non logam tidak demikian.

Perluasan tingkatan energi atomik dalam logam

• Dalam struktur metalik, elektron-elektron bebas dengan demikian harus dianggap menempati serangkaian tingkat energi distrik (unik) dengan selang yang sangat rapat.

• Sela energi antara tingkat-tingkat yang berturuttan tidak tetap melainkan mengecil sejalan dengan naiknya tingkat energi.

Karena setiap tempat hanya dapat ditempati dua electron, energi electron yang menempati suatu tingkat energi rendah tidak dapat diperbesar kecuali bila diberi tambahan energi yang cukup untuk melompat ke tingkat kosong di bagian pita sebelah atas. Lebar energi pita-pita umumnya sekitar 5 atau 6 elektron volt, karena ini cukup besar energi yang dibutuhkan oleh logam untuk mengeksitasikan elektronnya yang berada di tingkat bawah.

Energi sebesar itu tidak tersedia pada temperatur normal, dan hanya elektron dengan energi mendekati yang terdapat pada bagian atas pita (disebut tingkat atau permukaan Fermi) dapat dieksitasikan sehingga karena itu hanya sedikit elektron bebas pada logam yang dapat ambil bagian dala proses-proses thermal.

Energi pada tingkat Fermi EF bergantung pada banyakny electron N per unit volume V, dapat dihitung dengan rumus :

(h2/8m) x (3Nπ V)2/3.

(a) Kepadatan tingkatan energi terhadap energi (b) Pengisian tingkatan energi oleh electron pada temperatur mutlak nol. Pada temperatur tertentu beberapa electron tereksitasi secara termal ke tingkat yang lebih tinggi daripada yang berhubungan dengan Emaks, seperti diperlihatkan pada kurva patah pada (a)

Permukaan FermiSignifikansi dari permukaan Fermi pada

zat padat merupakan turunan dari fakta bahwa hanya elektron yang dekat dengan permukaan berpartisipasi dalam eksitasi termal atau proses transportasi. Di sini kita akan menganggap permukaan Fermi lagi, dan sekarang kita akan sertakan efek dari potensial kristal.

Signifikansi dari sisa yang tidak berubah tetapi bentuknya pada beberapa kasus mungkin dengan sangat lebih rumit daripada bentuk bola dari model elektron bebas.

Energi Fermi"Fermi level" adalah istilah yang

digunakan untuk menggambarkan bagian atas kumpulan tingkat energi elektron pada temperatur nol absolut.

Fermion elektron dan prinsip eksklusi Pauli tidak bisa eksis dalam keadaan energi identik. Jadi pada kondisi nol mutlak mereka keadaan-keadaan terendah energi yang tersedia dan membangun sebuah "Fermi Sea" pusat energi elektron.

Tingkat Fermi adalah permukaan “Fermi Sea “ yang pada nilai nol mutlakdi mana tidak ada elektron yang akan memiliki energi yang cukup untuk naik ke atas permukaan.

Konsep energi Fermi adalah konsep untuk memahami sifat listrik dan termal padatan dimana kedua proses ini biasa melibatkan energi sebagian kecil dari elektron volt. Tapi energi Fermi logam berada diurutan volt elektron.

Sebagian besar dari elektron tidak dapat menerima energi dari proses-proses tersebut karena tidak ada keadaan energi yang tersedia bagi mereka untuk pergi kedalam bagian kecil dari sebuah volt elektron energi pada kondisi tersebut.

Pada suhu yang lebih tinggi sebagian kecil tertentu, yang ditandai dengan fungsi Fermi, akan ada di atas tingkat Fermi. Tingkat Fermi disebut sebagai potensial kimia elektron

Dalam logam, energi Fermi mengenai kecepatan elektron yang berpartisipasi dalam konduksi listrik biasa. Jumlah energi yang dapat diberikan ke elektron dalam proses konduksi tersebut atas perintah mikro-volt elektron, sehingga hanya elektron yang sangat dekat dengan energi Fermi dapat berpartisipasi. Kecepatan Fermi elektron konduksi ini dapat dihitung dari energi Fermi.

Orbit elektronSebuah elektron di keadaan Ψk

bergerak melalui kristal dengan kecepatan dengan tepat berhubungan energy dari keadaannya. Anggap kasus pertama merupakan partikel bebas.

Kecepatannya diberikan dengan v=p/mo dimana p adalah momentum. Selama p = ħ k . mengikuti dimana untuk elektron bebas, kecepatannya adalah:v = ħ k /

mo

Hole

Lubang yang terjadi di pita adalah diisi penuh kecuali untuk satu tempat kosong Konsep lubang merupakan satu teori penting, terutama dalam semikunduktor sebagai sifat dasar dalam mengoperasikan beberapa barang, seperti transistor.

Perhitungan Pita Energi• Metode NFE dan model ikatan kuat

Metode ini terlalu sederhana untuk digunakan dalam menghitung pita sebenarnya dimana dipitaingkan dengan hasil eksperimen. Beberapa skema berbeda untuk menghitung energi pita telah digunakan.

• Metode selMetode sel adalah metode awal yang digunakan untuk menghitung pita (Wigner dan Seitz, 1935). Ini digunakan dengan sukses untuk logam alkali.

Metode Eksperimen Dalam Penentuan Struktur Pita

Kita dapat menentukan energi fermi oleh metode soft x-ray emission. Saat logam ditembak oleh berkas e- energi tinggi, elektron dari kulit K tidak terkunci, meninggalkan tempat kosong. Elektron pada pita valensi sekarang bergerak untuk mengisi lowongan ini, mengalami transisi ke bawah.

Teknik Optical Ultraviolet juga digunakan dalam penentuan struktur ikat. Saat berkas sinar melanggar ke logam, elektron tereksitasi dari bawah level fermi ke tingkat pita selanjutnya yg lebih tinggi. Pita di dalam dapat diamati dengan cara optik - teknik reflektansi dan penyerapan, yang memberikan informasi mengenai bentuk ikatan energi.

Sekian & Terimakasih