Уровень Ферми
Энергия Ферми EF — максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля.
Абсолю́тный нуль температу́ры — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X-я Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 C [1].
В рамках применимости термодинамики абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего[1].
Уровень Ферми — некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы электронов твердого тела.
Все энергетические состояния электрона, находящиеся ниже уровня Ферми заняты, а выше — свободны.
Физический смысл уровня Ферми: вероятность попадания частицы на уровень Ферми составляет 0,5 при любых температурах.
Например, для Ag он составляет 5,5 эВ,
Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле.
Электронный газ - теоретическая модель, описывающая поведение электронов проводимости (свободных) в электронных проводниках. В модели электронного газа пренебрегают кулоновским взаимодействием между электронами.
Для электронного газа в металлах при Т = 0 величина энергии Ферми однозначно определяется концентрацией электронов в единице объема.
Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.
В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.
Энергия электрона в отдельный атоме
Согласно постулатам Бора в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).
Энергия электрона в молекуле
В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали.
Энергия электрона в некотором объеме вещества (кристалле)
При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (количество атомов более 1020), количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон.
Наивысшая из разрешённых энергетических зон, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней — зоной проводимости.