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Masa efectiva (física del estado sólido)

En física del estado sólido , la masa efectiva de una partícula (a menudo denominada ) es la masa que parece tener cuando responde a fuerzas, o la masa que parece tener cuando interactúa con otras partículas idénticas en una distribución térmica . Uno de los resultados de la teoría de bandas de los sólidos es que el movimiento de partículas en un potencial periódico, a lo largo de distancias mayores que el espaciamiento de la red, puede ser muy diferente de su movimiento en el vacío. La masa efectiva es una cantidad que se utiliza para simplificar estructuras de bandas modelando el comportamiento de una partícula libre con esa masa. Para algunos propósitos y algunos materiales, la masa efectiva puede considerarse una simple constante de un material. Sin embargo, en general, el valor de la masa efectiva depende del propósito para el que se utiliza y puede variar dependiendo de varios factores.

Para electrones o huecos de electrones en un sólido, la masa efectiva generalmente se expresa como un factor que multiplica la masa en reposo de un electrón , m e (9,11 × 10 −31 kg). Este factor suele estar en el rango de 0,01 a 10, pero puede ser menor o mayor; por ejemplo, alcanzar 1.000 en materiales exóticos de fermiones pesados , o desde cero hasta infinito (según la definición) en el grafeno . Al simplificar la teoría de bandas más general, la masa efectiva electrónica puede verse como un parámetro básico importante que influye en las propiedades mensurables de un sólido, incluyendo todo, desde la eficiencia de una célula solar hasta la velocidad de un circuito integrado.

Caso simple: relación de dispersión isotrópica parabólica

En las energías más altas de la banda de valencia en muchos semiconductores (Ge, Si, GaAs,...), y las energías más bajas de la banda de conducción en algunos semiconductores (GaAs,...), la estructura de banda E ( k ) puede ser aproximado localmente como

donde E ( k ) es la energía de un electrón en el vector de onda k en esa banda, E 0 es una constante que da el borde de energía de esa banda y m * es una constante (la masa efectiva).

Se puede demostrar que los electrones colocados en estas bandas se comportan como electrones libres excepto con una masa diferente, siempre que su energía permanezca dentro del rango de validez de la aproximación anterior. Como resultado, la masa del electrón en modelos como el modelo Drude debe reemplazarse por la masa efectiva.

Una propiedad notable es que la masa efectiva puede volverse negativa cuando la banda se curva hacia abajo alejándose de un máximo. Como resultado de la masa negativa , los electrones responden a las fuerzas eléctricas y magnéticas ganando velocidad en la dirección opuesta a la normal; aunque estos electrones tienen carga negativa, se mueven en trayectorias como si tuvieran carga positiva (y masa positiva). Esto explica la existencia de agujeros de banda de valencia , las cuasipartículas de carga positiva y masa positiva que se pueden encontrar en los semiconductores. [1]

En cualquier caso, si la estructura de banda tiene la forma parabólica simple descrita anteriormente, entonces el valor de la masa efectiva es inequívoco. Desafortunadamente, esta forma parabólica no es válida para describir la mayoría de los materiales. En materiales tan complejos no existe una definición única de "masa efectiva", sino múltiples definiciones, cada una adecuada a un propósito particular. El resto del artículo describe estas masas efectivas en detalle.

Caso intermedio: relación de dispersión parabólica y anisotrópica

Elipsoides de energía constante en silicio cerca de los mínimos de seis bandas de conducción. Para cada valle (banda mínima), las masas efectivas son m = 0,92 m e ("longitudinal"; a lo largo de un eje) y m t = 0,19 m e ("transversal"; a lo largo de dos ejes). [2]

En algunos semiconductores importantes (en particular, el silicio), las energías más bajas de la banda de conducción no son simétricas, ya que las superficies de energía constante son ahora elipsoides , en lugar de esferas en el caso isotrópico. El mínimo de cada banda de conducción sólo puede aproximarse mediante

donde los ejes x , y y z están alineados con los ejes principales de los elipsoides, y m*
X
, metro*
y
y M*
z
son las masas inerciales efectivas a lo largo de estos diferentes ejes. Los desplazamientos k 0, x , k 0, y y k 0, z reflejan que el mínimo de la banda de conducción ya no está centrado en el vector de onda cero. (Estas masas efectivas corresponden a los componentes principales del tensor de masa efectiva inercial, que se describe más adelante. [3] )

En este caso, el movimiento del electrón ya no es directamente comparable al de un electrón libre; la velocidad de un electrón dependerá de su dirección, y acelerará en diferente grado dependiendo de la dirección de la fuerza. Aún así, en cristales como el silicio, las propiedades generales, como la conductividad, parecen ser isotrópicas. Esto se debe a que hay múltiples valles (mínimos de banda de conducción), cada uno con masas efectivas reorganizadas a lo largo de diferentes ejes. Los valles actúan colectivamente juntos para dar una conductividad isotrópica. Es posible promediar las masas efectivas de los diferentes ejes de alguna manera para recuperar la imagen del electrón libre. Sin embargo, el método de promediación depende del propósito: [4]

Caso general

En general, la relación de dispersión no puede aproximarse como parabólica y, en tales casos, la masa efectiva debe definirse con precisión, si es que se va a utilizar. Aquí, una definición comúnmente establecida de masa efectiva es el tensor de masa efectiva inercial que se define a continuación; sin embargo, en general es una función matricial del vector de onda, e incluso más compleja que la estructura de bandas. Otras masas efectivas son más relevantes para fenómenos directamente mensurables.

Tensor de masa efectiva inercial

Una partícula clásica bajo la influencia de una fuerza se acelera según la segunda ley de Newton , a = m −1 F , o alternativamente, el momento cambia segúnd/d tp = F . Este principio intuitivo aparece de manera idéntica en aproximaciones semiclásicas derivadas de la estructura de bandas cuando las transiciones entre bandas pueden ignorarse para campos externos suficientemente débiles. [5] [6] La fuerza da una tasa de cambio en el momento del cristal p cristal :

donde ħ = h /2π es la constante de Planck reducida .

La aceleración de una partícula ondulatoria se convierte en la tasa de cambio en la velocidad del grupo :

donde k es el operador del en el espacio recíproco . El último paso se deriva del uso de la regla de la cadena para una derivada total de una cantidad con dependencias indirectas , porque el resultado directo de la fuerza es el cambio en k ( t ) dado anteriormente, que indirectamente resulta en un cambio en E ( k ) = ħ ω( k ) . Combinando estas dos ecuaciones se obtiene

usando la regla del producto escalar con una fuerza uniforme ( k F =0 ). es la matriz de Hesse de E ( k ) en el espacio recíproco. Vemos que el equivalente de la masa inercial recíproca newtoniana para una partícula libre definida por a = m −1 F se ha convertido en una cantidad tensorial

cuyos elementos son

Este tensor permite que la aceleración y la fuerza sean en direcciones diferentes, y que la magnitud de la aceleración dependa de la dirección de la fuerza.


Para bandas con dispersión lineal, como las de fotones o electrones en el grafeno , la velocidad del grupo es fija, es decir, los electrones que viajan en paralelo con k a la dirección de la fuerza F no pueden acelerarse y los elementos diagonales de M inerte −1 son obviamente cero. Sin embargo, los electrones que viajan con una componente perpendicular a la fuerza pueden acelerarse en la dirección de la fuerza, y los elementos fuera de la diagonal de M inerte −1 son distintos de cero. De hecho, los elementos fuera de la diagonal escalan inversamente con k , es decir, divergen (se vuelven infinitos) para k pequeño . Esta es la razón por la que a veces se dice que los electrones en el grafeno tienen masa infinita (debido a los ceros en la diagonal de M inerte −1 ) y otras veces se dice que no tienen masa (debido a la divergencia en las diagonales fuera de la diagonal). [7]

Masa efectiva del ciclotrón

Clásicamente, una partícula cargada en un campo magnético se mueve en hélice a lo largo del eje del campo magnético. El período T de su movimiento depende de su masa m y carga e ,

donde B es la densidad de flujo magnético .

Para partículas en estructuras de bandas asimétricas, la partícula ya no se mueve exactamente en una hélice, sin embargo, su movimiento transversal al campo magnético todavía se mueve en un circuito cerrado (no necesariamente un círculo). Además, el tiempo necesario para completar uno de estos bucles todavía varía inversamente con el campo magnético, por lo que es posible definir la masa efectiva del ciclotrón a partir del período medido, utilizando la ecuación anterior.

El movimiento semiclásico de la partícula se puede describir mediante un circuito cerrado en el espacio k. A lo largo de este bucle, la partícula mantiene una energía constante, así como un impulso constante a lo largo del eje del campo magnético. Al definir A como el área del espacio k encerrada por este bucle (esta área depende de la energía E , la dirección del campo magnético y el vector de onda en el eje k B ), entonces se puede demostrar que la masa efectiva del ciclotrón Depende de la estructura de bandas mediante la derivada de esta área en energía:

Normalmente, los experimentos que miden el movimiento del ciclotrón ( resonancia del ciclotrón , efecto De Haas-Van Alphen , etc.) se limitan a sondear únicamente el movimiento en busca de energías cercanas al nivel de Fermi .

En los gases de electrones bidimensionales , la masa efectiva del ciclotrón se define solo para una dirección del campo magnético (perpendicular) y el vector de onda fuera del plano desaparece. Por lo tanto, la masa efectiva del ciclotrón es sólo una función de la energía y resulta estar exactamente relacionada con la densidad de estados en esa energía a través de la relación , donde g v es la degeneración del valle. Una relación tan simple no se aplica a materiales tridimensionales.

Densidad de estados masas efectivas (semiconductores ligeramente dopados)

En semiconductores con bajos niveles de dopaje, la concentración de electrones en la banda de conducción viene dada en general por

donde E F es el nivel de Fermi , E C es la energía mínima de la banda de conducción y N C es un coeficiente de concentración que depende de la temperatura. Se puede demostrar que la relación anterior para n e se aplica a cualquier forma de banda de conducción (incluidas las bandas asimétricas no parabólicas), siempre que el dopaje sea débil ( E CE FkT ); esto es una consecuencia de que las estadísticas de Fermi-Dirac se limitan a las estadísticas de Maxwell-Boltzmann .

El concepto de masa efectiva es útil para modelar la dependencia de la temperatura de N C , permitiendo así utilizar la relación anterior en un rango de temperaturas. En un material tridimensional idealizado con una banda parabólica, el coeficiente de concentración viene dado por

En semiconductores con estructuras de bandas no simples, esta relación se utiliza para definir una masa efectiva, conocida como densidad de estados masa efectiva de electrones . El nombre "densidad de estados masa efectiva" se utiliza ya que la expresión anterior para N C se deriva a través de la densidad de estados para una banda parabólica.

En la práctica, la masa efectiva extraída de esta manera no es del todo constante en temperatura ( N C no varía exactamente como T 3/2 ). En el silicio, por ejemplo, esta masa efectiva varía en un pequeño porcentaje entre el cero absoluto y la temperatura ambiente porque la propia estructura de la banda cambia ligeramente de forma. Estas distorsiones de la estructura de bandas son el resultado de cambios en las energías de interacción electrón-fonón, y la expansión térmica de la red juega un papel menor. [8]

De manera similar, el número de huecos en la banda de valencia y la densidad de estados, la masa efectiva de huecos están definidos por:

donde EV es la energía máxima de la banda de valencia. En la práctica, esta masa efectiva tiende a variar mucho entre el cero absoluto y la temperatura ambiente en muchos materiales (por ejemplo, un factor de dos en el silicio), ya que existen múltiples bandas de valencia con carácter distinto y significativamente no parabólico, todas con picos cercanos a la misma energía. . [8]

Determinación

Experimental

Tradicionalmente, las masas efectivas se medían mediante resonancia de ciclotrón , un método en el que la absorción de microondas de un semiconductor sumergido en un campo magnético pasa por un pico agudo cuando la frecuencia de las microondas es igual a la frecuencia del ciclotrón . En los últimos años, las masas efectivas se han determinado más comúnmente mediante la medición de estructuras de bandas utilizando técnicas como la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo ( ARPES ) o, más directamente, el efecto de Haas-van Alphen . Las masas efectivas también se pueden estimar utilizando el coeficiente γ del término lineal en el calor específico electrónico de baja temperatura a volumen constante . El calor específico depende de la masa efectiva a través de la densidad de estados en el nivel de Fermi y, como tal, es una medida de degeneración y curvatura de banda. Estimaciones muy grandes de la masa portadora a partir de mediciones de calor específico han dado lugar al concepto de materiales fermónicos pesados . Dado que la movilidad del portaaviones depende de la relación entre la vida útil de la colisión del portaaviones y la masa efectiva, las masas en principio pueden determinarse a partir de mediciones de transporte, pero este método no es práctico ya que las probabilidades de colisión del portaaviones normalmente no se conocen a priori. El efecto Hall óptico es una técnica emergente para medir la densidad de portadores de carga libres, la masa efectiva y los parámetros de movilidad en semiconductores. El efecto Hall óptico mide el análogo del efecto Hall eléctrico cuasiestático inducido por un campo eléctrico en frecuencias ópticas en materiales en capas complejos y conductores. El efecto Hall óptico también permite caracterizar la anisotropía (carácter tensor) de la masa efectiva y los parámetros de movilidad. [12] [13]

Teórico

Se utiliza una variedad de métodos teóricos, incluida la teoría del funcional de la densidad , la teoría de la perturbación k·p y otros , para complementar y respaldar las diversas mediciones experimentales descritas en la sección anterior, incluida la interpretación, el ajuste y la extrapolación de estas mediciones. Algunos de estos métodos teóricos también se pueden utilizar para predicciones ab initio de masa efectiva en ausencia de datos experimentales, por ejemplo, para estudiar materiales que aún no se han creado en el laboratorio.

Significado

La masa efectiva se utiliza en cálculos de transporte, como el transporte de electrones bajo la influencia de campos o gradientes de portadores, pero también se utiliza para calcular la densidad de portadores y la densidad de estados en semiconductores. Estas masas están relacionadas pero, como se explicó en las secciones anteriores, no son iguales porque las ponderaciones de varias direcciones y vectores de onda son diferentes. Estas diferencias son importantes, por ejemplo, en materiales termoeléctricos , donde se desea una alta conductividad, generalmente asociada con masas ligeras, al mismo tiempo que un alto coeficiente de Seebeck , generalmente asociado con masas pesadas. Se han desarrollado métodos para evaluar las estructuras electrónicas de diferentes materiales en este contexto. [14]

Ciertos compuestos de los grupos III - V , como el arseniuro de galio (GaAs) y el antimoniuro de indio (InSb), tienen masas efectivas mucho más pequeñas que los materiales tetraédricos del grupo IV , como el silicio y el germanio . En la imagen Drude más simple del transporte electrónico, la velocidad máxima del portador de carga que se puede obtener es inversamente proporcional a la masa efectiva: , donde siendo la carga electrónica . La velocidad máxima de los circuitos integrados depende de la velocidad de la portadora, por lo que la baja masa efectiva es la razón fundamental por la que se utiliza GaAs y sus derivados en lugar de Si en aplicaciones de gran ancho de banda como la telefonía celular . [15]

En abril de 2017, investigadores de la Universidad Estatal de Washington afirmaron haber creado un fluido con masa efectiva negativa dentro de un condensado de Bose-Einstein , diseñando la relación de dispersión . [dieciséis]

Ver también

Modelos de sólidos y cristales:

Notas a pie de página

  1. ^ Kittel, Introducción a la física del estado sólido , octava edición, páginas 194-196
  2. ^ Charles Kittel (1996). op. cit . pag. 202.ISBN​ 978-0-471-11181-8.
  3. ^ ab Green, MA (1990). "Concentración intrínseca, densidades efectivas de estados y masa efectiva en silicio". Revista de Física Aplicada . 67 (6): 2944–2954. Código Bib : 1990JAP....67.2944G. doi : 10.1063/1.345414.
  4. ^ "Masa efectiva en semiconductores". Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética de la Universidad de Colorado. Archivado desde el original el 20 de octubre de 2017 . Consultado el 23 de julio de 2016 .
  5. ^ Callaway, José (1976). Teoría cuántica del estado sólido. Prensa académica.
  6. ^ Grecchi, Vincenzo; Sacchetti, Andrea (2005). "Osciladores Bloch: movimiento de paquetes de ondas". arXiv : quant-ph/0506057 .
  7. ^ Chaitanya K. Ullal, Jian Shi y Ravishankar Sundararamana American Journal of Physics 87, 291 (2019); https://doi.org/10.1119/1.5092453
  8. ^ abc Verde, MA (1990). "Concentración intrínseca, densidades efectivas de estados y masa efectiva en silicio". Revista de Física Aplicada . 67 (6): 2944–2954. Código Bib : 1990JAP....67.2944G. doi : 10.1063/1.345414.
  9. ^ SZ Sze, Física de dispositivos semiconductores , ISBN 0-471-05661-8
  10. ^ WA Harrison, Estructura electrónica y propiedades de los sólidos , ISBN 0-486-66021-4
  11. ^ Este sitio proporciona las masas efectivas de silicio a diferentes temperaturas.
  12. ^ M. Schubert, Elipsometría infrarroja en estructuras de capas semiconductoras: fonones, plasmones y polaritones , ISBN 3-540-23249-4
  13. ^ Schubert, M.; Kuehne, P.; Darakchieva, V.; Hofmann, T. (2016). "El efecto Hall óptico - descripción del modelo: tutorial". Revista de la Sociedad Óptica de América A. 33 (8): 1553–68. Código Bib :2016JOSAA..33.1553S. doi :10.1364/JOSAA.33.001553. PMID  27505654.
  14. ^ Xing, G. (2017). "Función de aptitud electrónica para el cribado de semiconductores como materiales termoeléctricos". Materiales de revisión física . 1 (6): 065405. arXiv : 1708.04499 . Código Bib : 2017PhRvM...1f5405X. doi :10.1103/PhysRevMaterials.1.065405. S2CID  67790664.
  15. ^ Silveirinha, MRG; Engheta, N. (2012). "Electrónica de transformación: adaptación de la masa efectiva de electrones". Revisión física B. 86 (16): 161104. arXiv : 1205.6325 . Código bibliográfico : 2012PhRvB..86p1104S. doi : 10.1103/PhysRevB.86.161104.
  16. ^ Khamehchi, KA (2017). "Hidrodinámica de masa negativa en un condensado de Bose-Einstein acoplado en órbita de giro". Cartas de revisión física . 118 (15): 155301. arXiv : 1612.04055 . Código Bib : 2017PhRvL.118o5301K. doi : 10.1103/PhysRevLett.118.155301. PMID  28452531. S2CID  44198065.

Referencias

enlaces externos