टाइट बाइंडिंग: Difference between revisions
mNo edit summary |
mNo edit summary |
||
| Line 104: | Line 104: | ||
बलोच(Bloch) के प्रमेय के अनुसार बलोच फलन(Bloch functions) एक आवधिक क्रिस्टल जाली में इलेक्ट्रॉनिक राज्यों का वर्णन करते हैं। बलोच कार्यों को एक फूरियर श्रृंखला(Fourier series) के रूप में दर्शाया जा सकता है<ref>Orfried Madelung, ''Introduction to Solid-State Theory'' (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1978).</ref> | बलोच(Bloch) के प्रमेय के अनुसार बलोच फलन(Bloch functions) एक आवधिक क्रिस्टल जाली में इलेक्ट्रॉनिक राज्यों का वर्णन करते हैं। बलोच कार्यों को एक फूरियर श्रृंखला(Fourier series) के रूप में दर्शाया जा सकता है<ref>Orfried Madelung, ''Introduction to Solid-State Theory'' (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1978).</ref> | ||
:<math>\psi_m\mathbf{(k,r)}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{n}{a_m\mathbf{(R_n,r)}} e^{\mathbf{ik\cdot R_n}}\ ,</math> | :<math>\psi_m\mathbf{(k,r)}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{n}{a_m\mathbf{(R_n,r)}} e^{\mathbf{ik\cdot R_n}}\ ,</math> | ||
जहाँ '' | जहाँ '' '''R'''''<nowiki/>'''<sub>n</sub>''' एक आवधिक क्रिस्टल जाली में एक परमाणु साइट को दर्शाता है, '''k''' बलोच के फलन का वेव सदिश (वेक्टर) है,'' '''r''' '' इलेक्ट्रॉन स्थिति है,'' m'' बैंड की तालिका है, और योग ''N'' सभी परमाणु साइटों के है। बलोच का कार्य एक ऊर्जा ''E<sub>m</sub> ('''k''')'' के अनुरूप एक आवधिक क्रिस्टल क्षमता में एक इलेक्ट्रॉन के तरंग फलन के लिए एक सटीक प्रतिजन समाधान है, और पूरे क्रिस्टल वॉल्यूम में फैलता है। | ||
फूरियर ट्रांसफॉर्म विश्लेषण का उपयोग करते हुए,'' m '' के लिए एक स्थानिक रूप से स्थानीयकृत तरंग फलन | फूरियर ट्रांसफॉर्म विश्लेषण का उपयोग करते हुए,'' m-th '' के लिए एक स्थानिक रूप से स्थानीयकृत तरंग फलन ऊर्जा बैंड का निर्माण कई बलोच के कार्यों से किया जा सकता है: | ||
:<math>a_m\mathbf{(R_n,r)}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{\mathbf{k}}{e^{\mathbf{-ik\cdot R_n}}\psi_m\mathbf{(k,r)}}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{\mathbf{k}}{e^{\mathbf{ik\cdot (r-R_n)}}u_m\mathbf{(k,r)}}.</math> | :<math>a_m\mathbf{(R_n,r)}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{\mathbf{k}}{e^{\mathbf{-ik\cdot R_n}}\psi_m\mathbf{(k,r)}}=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{\mathbf{k}}{e^{\mathbf{ik\cdot (r-R_n)}}u_m\mathbf{(k,r)}}.</math> | ||
ये वास्तविक अंतरिक्ष तरंग कार्य <math>{a_m\mathbf{(R_n,r)}}</math> वानियर फलन कहा जाता है, और परमाणु साइट '' R '' के लिए काफी निकटता से स्थानीयकृत | ये वास्तविक अंतरिक्ष तरंग कार्य <math>{a_m\mathbf{(R_n,r)}}</math> वानियर फलन कहा जाता है, और परमाणु साइट '' R<sub>n</sub> '' के लिए काफी निकटता से स्थानीयकृत हैं। यदि हमारे पास सटीक वानियर फलन हैं, तो सटीक बलोच फलन को उलटा फूरियर हस्तांतरण का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। | ||
हालाँकि, सीधे बलोच के प्रमेय की गणना करना आसान नहीं है। बलोच फलन या वानियर फलन ठोस पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं की गणना में एक अनुमानित दृष्टिकोण आवश्यक है। यदि हम पृथक परमाणुओं के चरम मामले पर विचार करते हैं, तो वानियर फलन एक पृथक परमाणु कक्षीय बन जाएगा। यह सीमा एक परमाणु तरंग फलन की पसंद का सुझाव देती है, जो कि वानियर फलन के लिए एक अनुमानित रूप के रूप में, तथाकथित दृढ़ बंधन सन्निकटन है। | हालाँकि, सीधे बलोच के प्रमेय की गणना करना आसान नहीं है। बलोच फलन या वानियर फलन ठोस पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं की गणना में एक अनुमानित दृष्टिकोण आवश्यक है। यदि हम पृथक परमाणुओं के चरम मामले पर विचार करते हैं, तो वानियर फलन एक पृथक परमाणु कक्षीय बन जाएगा। यह सीमा एक परमाणु तरंग फलन की पसंद का सुझाव देती है, जो कि वानियर फलन के लिए एक अनुमानित रूप के रूप में, तथाकथित दृढ़ बंधन सन्निकटन है। | ||
== दूसरा परिमाणीकरण == | == दूसरा परिमाणीकरण == | ||
t-J मॉडल और हबर्ड मॉडल जैसे इलेक्ट्रॉनिक संरचना की आधुनिक स्पष्टीकरण दृढ़ बंधन मॉडल पर आधारित हैं।<ref name="Altland">{{cite book |title=Condensed Matter Field Theory |author=Alexander Altland and Ben Simons |publisher=Cambridge University Press |pages=58 ''ff'' |chapter=Interaction effects in the tight-binding system |isbn=978-0-521-84508-3 |year=2006 |chapter-url=https://books.google.com/books?id=0KMkfAMe3JkC&pg=RA4-PA58}}</ref> एक दूसरे परिमाणीकरण औपचारिकता के कारण काम करके तंग बंधन को समझा जा सकता है। | |||
एक आधार स्थिति के रूप में परमाणु कक्षाओं का उपयोग करते हुए, दृढ़ बंधन ढांचे में दूसरा परिमाणीकरण हैमिल्टनियन ऑपरेटर के रूप में लिखा जा सकता है: | एक आधार स्थिति के रूप में परमाणु कक्षाओं का उपयोग करते हुए, दृढ़ बंधन ढांचे में दूसरा परिमाणीकरण हैमिल्टनियन ऑपरेटर के रूप में लिखा जा सकता है: | ||
| Line 140: | Line 140: | ||
: <math>|k\rangle =\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{n=1}^N e^{inka} |n\rangle </math> | : <math>|k\rangle =\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_{n=1}^N e^{inka} |n\rangle </math> | ||
जहां n = कुल साइटों की संख्या और <math>k</math> के साथ एक वास्तविक पैरामीटर है <math>-\frac{\pi}{a}\leqq k\leqq\frac{\pi}{a}</math>। (यह तरंग फलन एकता के लिए एकता के लिए सामान्य किया जाता है 1/ | जहां n = कुल साइटों की संख्या और <math>k</math> के साथ एक वास्तविक पैरामीटर है <math>-\frac{\pi}{a}\leqq k\leqq\frac{\pi}{a}</math>। (यह तरंग फलन एकता के लिए एकता के लिए सामान्य किया जाता है 1/√N बशर्ते परमाणु तरंग कार्यों के अधिव्यापन को नजरअंदाज कर दिया जाता है।) केवल निकटतम पड़ोसी अधिव्यापन मानते हुए, हैमिल्टन के केवल गैर-शून्य आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों को व्यक्त किया जा सकता है। | ||
:<math> \langle n|H|n\rangle= E_0 = E_i - U \ .</math> | :<math> \langle n|H|n\rangle= E_0 = E_i - U \ .</math> | ||
:<math> \langle n\pm 1|H|n\rangle=-\Delta \ </math> | :<math> \langle n\pm 1|H|n\rangle=-\Delta \ </math> | ||
:<math> \langle n|n\rangle= 1 \ ;</math> & nbsp; <math>\langle n \pm 1|n\rangle= S \ .</math> | :<math> \langle n|n\rangle= 1 \ ;</math> & nbsp; <math>\langle n \pm 1|n\rangle= S \ .</math> | ||
ऊर्जा | ऊर्जा ''E''<sub>i</sub> क्या चुने हुए परमाणु कक्षीय के अनुरूप आयनीकरण ऊर्जा है और ''U'' पड़ोसी परमाणुओं की क्षमता के परिणामस्वरूप कक्षीय की ऊर्जा पारी है। <math> \langle n\pm 1|H|n\rangle=-\Delta </math> H> तत्व, जिसमें अंतरपरमाण्विक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका, स्लेटर और कोस्टर अंतरापरमाणुक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व हैं, बॉन्ड ऊर्जा हैं <math>E_{i,j}</math>। इस एक आयामी s-बैंड प्रतिरूप में हमारे पास केवल है <math>\sigma</math> बंधन ऊर्जा के साथ एस-कक्षा के बीच -बोंड्स <math>E_{s,s} = V_{ss\sigma}</math>। पड़ोसी परमाणुओं पर स्थितियों के बीच अधिव्यापन ''S'' कक्षा में है। हम इस स्थिति की ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं <math>|k\rangle</math> उपरोक्त समीकरण का उपयोग करना: | ||
: <math> H|k\rangle=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_n e^{inka} H |n\rangle </math> | : <math> H|k\rangle=\frac{1}{\sqrt{N}}\sum_n e^{inka} H |n\rangle </math> | ||
| Line 155: | Line 155: | ||
:<math>\frac{1}{N}\sum_n \langle n-1|H|n\rangle e^{+ika}=-\Delta e^{ika}\frac{1}{N}\sum_n 1 = -\Delta e^{ika} \ .</math> | :<math>\frac{1}{N}\sum_n \langle n-1|H|n\rangle e^{+ika}=-\Delta e^{ika}\frac{1}{N}\sum_n 1 = -\Delta e^{ika} \ .</math> | ||
:<math>\frac{1}{N}\sum_n \langle n-1|n\rangle e^{+ika}= S e^{ika}\frac{1}{N}\sum_n 1 = S e^{ika} \ .</math> | :<math>\frac{1}{N}\sum_n \langle n-1|n\rangle e^{+ika}= S e^{ika}\frac{1}{N}\sum_n 1 = S e^{ika} \ .</math> | ||
इस प्रकार इस | इस प्रकार इस अवस्था की ऊर्जा <math>|k\rangle</math> ऊर्जा फैलाव के परिचित रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है: | ||
:<math> E(k)= \frac{E_0-2\Delta\,\cos(ka)}{1 + 2 S\,\cos(ka)}</math>। | :<math> E(k)= \frac{E_0-2\Delta\,\cos(ka)}{1 + 2 S\,\cos(ka)}</math>। | ||
| Line 163: | Line 163: | ||
*अंत में के लिए <math>k = \pi / a</math> ऊर्जा है <math>E = (E_0 + 2 \Delta) / (1 - 2 S)</math> और इस स्थिति में परमाणु कक्षा का एक वैकल्पिक योग होता है। इस स्थिति को प्रतिबंधक कक्षा की श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है। | *अंत में के लिए <math>k = \pi / a</math> ऊर्जा है <math>E = (E_0 + 2 \Delta) / (1 - 2 S)</math> और इस स्थिति में परमाणु कक्षा का एक वैकल्पिक योग होता है। इस स्थिति को प्रतिबंधक कक्षा की श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है। | ||
इस उदाहरण को आसानी से तीन आयामों तक बढ़ाया जाता है, उदाहरण के लिए, शरीर-केंद्रित क्यूबिक या चेहरे-केंद्रित घन जाली के लिए निकटतम पड़ोसी सदिश (वेक्टर) स्थानों को केवल | इस उदाहरण को आसानी से तीन आयामों तक बढ़ाया जाता है, उदाहरण के लिए, शरीर-केंद्रित क्यूबिक या चेहरे-केंद्रित घन जाली के लिए निकटतम पड़ोसी सदिश (वेक्टर) स्थानों को केवल n a के स्थान पर पेश करके।<ref name="Mott">{{cite book |title= The theory of the properties of metals and alloys |url=https://books.google.com/books?id=LIPsUaTqUXUC |author=Sir Nevill F Mott & H Jones |year= 1958 |publisher=Courier Dover Publications |isbn=0-486-60456-X |edition=Reprint of Clarendon Press (1936) |chapter=II §4 Motion of electrons in a periodic field |pages=56 ''ff''}}</ref> इसी तरह, विधि को प्रत्येक साइट पर कई अलग -अलग परमाणु कक्षा का उपयोग करके कई बैंडों तक बढ़ाया जा सकता है। ऊपर दिए गए सामान्य सूत्रीकरण से पता चलता है कि इन प्रारूप को कैसे पूरा किया जा सकता है। | ||
== अंतरापरमाणुक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका == | == अंतरापरमाणुक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका == | ||
Revision as of 15:31, 19 September 2022
ठोस अवस्था भौतिकी में, दृढ़ बंधन प्रतिरूप (या टीबी मॉडल/TB model) इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना की गणना के लिए एक दृष्टिकोण है, जो प्रत्येक परमाणु स्थल पर स्थित पृथक परमाणुओं के लिए तरंग कार्यों के अध्यारोपण के आधार पर तरंग कार्यों के अनुमानित सेट का उपयोग करते हैं। विधि रसायन विज्ञान में प्रयुक्त एलसीएओ (LCAO) विधि (परमाणु कक्षक विधि का रैखिक संयोजन) से निकटता से संबंधित है। दृढ़ बंधन प्रतिरूप विभिन्न प्रकार के ठोस पदार्थों पर लागू होते हैं। प्रतिरूप कई मामलों में अच्छे गुणात्मक परिणाम देता है और इसे अन्य मॉडलों के साथ जोड़ा जा सकता है जो बेहतर परिणाम देते हैं जहां दृढ़ बंधन प्रतिरूप विफल हो जाता है। हालांकि दृढ़ बंधन प्रतिरूप एक इलेक्ट्रॉन मॉडल है, यह मॉडल अधिक उन्नत गणनाओं के लिए एक आधार भी प्रदान करता है जैसे सतह की स्थिति की गणना और निकाय की कई समस्याओं और अर्ध-कण गणनाओं के लिए आवेदन।
परिचय
इस इलेक्ट्रॉनिक संघ संरचना प्रतिरूप के "दृढ़ बंधन प्रतिरूप" नाम से पता चलता है कि यह क्वांटम यांत्रिक स्वरूप ठोस में कसकर बंधे इलेक्ट्रॉनों के गुणों का वर्णन करता है। इस प्रतिरूप में इलेक्ट्रॉनों को उस परमाणु से कसकर बांधना चाहिए जिससे वे संबंधित हैं और ठोस के आस-पास के परमाणुओं पर स्थितियों और क्षमताओं के साथ उनकी सीमित बातचीत होनी चाहिए। परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रॉन का तरंग कार्य मुक्त परमाणु के परमाणु कक्षीय के समान होगा, जिससे वह संबंधित है। इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा भी मुक्त परमाणु या आयन में इलेक्ट्रॉन की आयनीकरण ऊर्जा के काफी करीब होगी क्योंकि पड़ोसी परमाणुओं पर क्षमता और राज्यों के साथ बातचीत सीमित है।
हालांकि एक-कण दृढ़ बंधन का गणितीय सूत्रीकरण[1] हैमिल्टनियन पहली नज़र में जटिल लग सकता है, मॉडल बिल्कुल भी जटिल नहीं है और इसे सहज रूप से काफी आसानी से समझा जा सकता है। केवल तीन प्रकार के आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व हैं जो सिद्धांत में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उन तीन प्रकार के तत्वों में से दो को शून्य के करीब होना चाहिए और अक्सर उपेक्षित किया जा सकता है। मॉडल में सबसे महत्वपूर्ण तत्व अणु के बीच का आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व हैं, जिसे केवल एक रसायन में बन्ध ऊर्जा कहा जाता हैं।
सामान्य तौर पर प्रतिरूप में शामिल परमाणु कक्षा के कई परमाणु ऊर्जा स्तर होते हैं। इससे जटिल बैंड की संरचनाएं हो सकती हैं क्योंकि कक्षा विभिन्न बिंदु-समूह अभ्यावेदन से संबंधित होते हैं। पारस्परिक जाली और ब्रिलॉइन क्षेत्र अक्सर ठोस के क्रिस्टल की तुलना में एक अलग अंतरिक्ष समूह से संबंधित होते हैं। ब्रिलॉइन क्षेत्र में उच्च-समरूपता बिंदु विभिन्न बिंदु-समूह अभ्यावेदन से संबंधित हैं। जब तत्वों या सरल यौगिकों की जाली जैसी सरल प्रणालियों का अध्ययन किया जाता है विश्लेषणात्मक रूप से उच्च-समरूपता बिंदुओं में आइजन स्थिति की गणना करना अक्सर बहुत मुश्किल नहीं होता है। इसलिए दृढ़ बंधन प्रतिरूप उन लोगों के लिए अच्छे उदाहरण प्रदान कर सकता है जो समूह सिद्धांत के बारे में अधिक जानना चाहते हैं।
दृढ़ बंधन प्रतिरूप का एक लंबा इतिहास रहा है और कई तरीकों से और कई अलग-अलग उद्देश्यों और विभिन्न परिणामों के साथ लागू किया गया है। प्रतिरूप अपने आप खड़ा नहीं होता है। प्रतिरूप के कुछ हिस्सों को अन्य प्रकार की गणनाओं और प्रतिरूपों द्वारा भरा या बढ़ाया जा सकता है लगभग मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रतिरूप की तरह या इसके कुछ भाग, अन्य गणनाओं के आधार के रूप में काम कर सकते हैं।[2] प्रवाहकीय पॉलिमर, कार्बनिक अर्धचालक और आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के अध्ययन में, उदाहरण के लिए, दृढ़ बंधन-जैसे प्रतिरूप लागू होते हैं जिसमें मूल अवधारणा में परमाणुओं की भूमिका को संयुग्मित प्रणालियों के आणविक कक्ष द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। और जहां अंतर-परमाणु आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों को अंतर- या अंतरणु होपिंग और सुरंगन मापदंडों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। इन सुचालकों में लगभग सभी में बहुत विषमदैशिक गुण होते हैं और कभी-कभी लगभग पूरी तरह से एक-आयामी होते हैं।
ऐतिहासिक पृष्ठभूमि
1928 तक, आणविक कक्षीय के विचार को रॉबर्ट मुल्लिकेन द्वारा उन्नत किया गया था, जो फ्रेडरिक हुंड के काम से काफी प्रभावित थे। आणविक कक्षा के सन्निकटन के लिए LCAO विधि 1928 में बी. एन. फिंकलेस्टेइन और जी. ई. होरोविट्ज द्वारा पेश की गई थी, जबकि ठोस पदार्थों के लिए एलसीएओ (LCAO) पद्धति फेलिक्स बलोच द्वारा विकसित की गई थी, 1928 में अपने डॉक्टरेट शोध प्रबंध के हिस्से के रूप में, जो समवर्ती रूप से एलसीएओ-एमओ (LCAO-MO) दृष्टिकोण के साथ और स्वतंत्र है। इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना का अनुमान लगाने के लिए एक बहुत ही सरल प्रक्षेप योजना, विशेष रूप से संक्रमण धातुओं के डी-बैंड के लिए, जॉन क्लार्क स्लेटर और जॉर्ज फ्रेड कोस्टर द्वारा 1954 में परिकल्पित पैरामीटरयुक्त दृढ़ बंधन मॉडल विधि है,[1] कभी-कभी एसके दृढ़ बंधन विधि के रूप में जाना जाता है। SK दृढ़ बंधन विधि के साथ, एक ठोस आवश्यकता पर इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना की गणना मूल बलोच के प्रमेय की तरह पूरी कठोरता के साथ नहीं की जाती है। लेकिन, बल्कि, पहले-सिद्धांतों की गणना केवल उच्च-समरूपता बिंदुओं पर की जाती है और बैंड संरचना इन बिंदुओं के बीच शेष ब्रिलौइन क्षेत्र में प्रक्षेपित होती है।
इस दृष्टिकोण में, विभिन्न परमाणु साइटों के बीच बातचीत को गड़बड़ी माना जाता है। कई प्रकार के पारस्परिक क्रिया मौजूद हैं जिन पर हमें विचार करना चाहिए। क्रिस्टल हैमिल्टनियन केवल विभिन्न स्थलों पर स्थित परमाणु हैमिल्टन का योग है और परमाणु तरंग फलन क्रिस्टल में आसन्न परमाणु साइटों को अधिव्यापन करते हैं, और इसलिए सटीक तरंग फलन का सटीक प्रतिनिधित्व नहीं है। कुछ गणितीय व्यंजकों के साथ अगले भाग में और स्पष्टीकरण दिए गए हैं।
हाल के शोध में दृढ़ता से सहसंबद्ध सामग्री के बारे में दृढ़ बंधन दृष्टिकोण मूल सन्निकटन है क्योंकि अत्यधिक स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉन जैसे 3-डी संक्रमण धातु इलेक्ट्रॉन कभी-कभी दृढ़ता से सहसंबद्ध व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इस मामले में, कई भौतिकी विवरण का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन का इलेक्ट्रॉन संपर्क करने की भूमिका पर विचार किया जाना चाहिए।
दृढ़ बंधन प्रतिरूप का उपयोग आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना की गणना के लिए किया जाता है और स्थिर शासन में बैंड अंतराल। हालांकि, अन्य तरीकों के संयोजन में जैसे कि यादृच्छिक चरण सन्निकटन (आरपीए) मॉडल, सिस्टम की गतिशील प्रतिक्रिया का भी अध्ययन किया जा सकता है।
गणितीय सूत्रीकरण
हम परमाणविक कक्षा का परिचय देते हैं , जो एक पृथक परमाणु के हैमिल्टनियन के आइजनफंक्शन हैं। जब परमाणु को क्रिस्टल में रखा जाता है, तो यह परमाणु तरंग कार्य आसन्न परमाणु स्थलों को अधिव्यापन करता है, और इसलिए क्रिस्टल हैमिल्टनियन के सच्चे प्रतिजन कार्य नहीं हैं। जब इलेक्ट्रॉन कसकर बंधे होते हैं तो अधिव्यापन कम होता है, जो वर्णनकर्ता "दृढ़ बंधन" का स्रोत है। परमाणु क्षमता में कोई भी सुधार को सिस्टम के वास्तविक हैमिल्टनियन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है, को छोटा माना जाता है: