Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Katıhal Fiziği II › Sıkı Bağlanma · Fermi Yüzeyleri

Sıkı Bağlanma Modeli ve Fermi Yüzeyleri

Sıkı bağlanma modelinde elektron atomik orbitallerde yerelleşmiştir ve komşu atoma $t$ (atlama, "hopping") genliğiyle geçer. En yakın komşu atlamasında Bloch toplamı $E(\vec k) = \varepsilon_0 - t\sum_{\vec\delta} e^{i\vec k\cdot\vec\delta}$ verir: $$\text{zincir: } E = \varepsilon_0 - 2t\cos ka,\qquad \text{kare örgü: } E = -2t(\cos k_xa + \cos k_ya)$$ Bant genişliği $2zt$'dir ($z$: komşu sayısı): zincirde $4t$, kare örgüde $8t$.

Fermi yüzeyi (2B'de Fermi çizgisi), $E(\vec k) = E_F$ eş-enerji eğrisidir; içi doludur. Az dolulukta bant tabanı parabolik olduğundan Fermi yüzeyi neredeyse çemberdir. Kare örgüde yarı dolulukta (site başına 1 elektron) yüzey $|k_x|+|k_y| = \pi/a$ karesine dönüşür. Bu karenin karşılıklı kenarları tek bir $\vec Q = (\pi/a,\pi/a)$ vektörüyle örtüşür (nesting). Durum yoğunluğunda ise $E=0$'da logaritmik bir van Hove tekilliği vardır.

Grafen ve SSH zinciri

Grafenin bal peteği örgüsünde hücrede iki karbon atomu (A, B) vardır, dolayısıyla iki bant oluşur: $E_\pm(\vec k) = \pm t\,|1 + e^{i\vec k\cdot\vec a_1} + e^{i\vec k\cdot\vec a_2}|$. Bantlar Brillouin bölgesinin $K$ ve $K'$ köşelerinde birbirine değer. Bu Dirac noktalarında dağınım doğrusaldır, $E = \pm\hbar v_F|\vec q|$ ve $v_F = 3ta/2\hbar$ ($a$: C–C uzaklığı).

Atlamaları $t_1, t_2, t_1, t_2,\dots$ biçiminde değişen dimerleşmiş zincirde (SSH) hücrede iki site vardır: $E_\pm = \pm|t_1 + t_2e^{-ika}|$. $k = \pi/a$'da $2|t_1-t_2|$ genişliğinde bir aralık açılır; yarı dolu zincir yalıtkan olur (Peierls).

Harrison yapısı

Serbest elektronlar için Fermi çemberinin yarıçapı (2B, spin dahil, hücre başına $Z$ elektron) $k_F = \sqrt{2\pi Z}/a$'dır. Ters örgünün her noktasına bu yarıçapta bir çember çizilir. Bir $\vec k$ noktası, kaç ters örgü noktasının dik ortay doğrusunu geçerek ulaşıldığına göre 1., 2., 3. … bölgeye düşer. Her bölgenin parçaları ters örgü vektörleriyle 1. bölgeye taşınınca, o bantın dolu kısmı (indirgenmiş bölge şemasında Fermi yüzeyi) elde edilir.

Parametreler

Brillouin bölgesi haritasına tıklayarak bir $\vec k$ noktasının enerjisini ve grup hızını görün. Doluluk, site başına elektron sayısıdır (spin dahil; en fazla 2).

E(k)Fermi düzeyi / Fermi yüzeyidurum yoğunluğu

Hesaplama

Bunu dene

1. Kare örgüde doluluğu 0.1'den 1.0'a çıkarın. Fermi yüzeyinin şekli nasıl değişiyor? Az dolulukta $k_F$'yi serbest elektron formülü $k_F = \sqrt{2\pi n_e}/a$ ile karşılaştırın.

Açıklama
Az dolulukta Fermi çizgisi neredeyse çemberdir: $n_e = 0.1$ için serbest elektron değeri $k_Fa = \sqrt{2\pi(0.1)} = 0.793$; simülasyonda $\Gamma X$ yönünde 0.798, $\Gamma M$ yönünde 0.787 (yalnızca %1.4 anizotropi). Doluluk arttıkça çizgi kenarları düzleşerek karemsi olur. Tam yarı dolulukta ($n_e = 1$, $E_F = 0$) $|k_x|+|k_y| = \pi/a$ karesi elde edilir; bu durumda durum yoğunluğunun van Hove tepesi tam Fermi düzeyindedir.

2. Grafen modelinde $t = 2.7$ eV, $n_e = 1$ seçin. Fermi düzeyi nerede? $K$ noktası yakınına tıklayıp eğimi okuyun ve $v_F = 3ta/2\hbar$ ile karşılaştırın ($a = 1.42$ Å).

Açıklama
Nötr grafende $E_F = 0$'dır ve Fermi "yüzeyi" altı $K$/$K'$ noktasına daralır. Dağınım doğrusaldır; $\hbar v_F = 3ta/2 = 3(2.7)(1.42)/2 = 5.75$ eV·Å, yani $v_F \approx 8.7\times10^5$ m/s. Simülasyon $K$'nin yakınındaki sayısal eğimi gösterir.

3. Harrison yapısında $Z = 2$ seçin. 1. ve 2. bölgenin ne kadarı dolu? Bu iki boyutlu "metal" neden yalıtkan değil?

Açıklama
$k_F a = \sqrt{4\pi} = 3.54 > \pi$ olduğundan Fermi çemberi 1. bölgenin kenarlarını aşar. 1. bölge köşeleri hariç doludur (yaklaşık %90). Taşan kısım 2. bölgede cepler oluşturur (yaklaşık %10). Toplam dolu alan bir bölge alanına eşit olsa da (2 elektron), iki bant kısmen dolu kaldığı için kristal metaldir. Yalıtkan olması için gerçek bir potansiyelin bölge sınırında yeterince büyük aralık açması gerekir.

Katıhal Fiziği II dersindeki diğer simülasyonlar