टाइट बाइंडिंग

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ठोस स्थिति भौतिकी में, तंग बाध्यकारी प्रतिरूप (या टीबी मॉडल) 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 कक्षा विधि का रैखिक संयोजन) से निकटता से संबंधित है। तंग बाध्यकारी 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 तंग बाध्यकारी प्रतिरूप फेल हो जाता है। हालांकि तंग 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 शरीर की कई समस्याओं और अर्ध-कण गणनाओं के लिए आवेदन।

परिचय

इस इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना मॉडल के "तंग बाध्यकारी 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 तंग-बाध्यकारी का गणितीय सूत्रीकरण 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 इंटरटॉमिक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व हैं, जिसे केवल एक रसायनज्ञ द्वारा बंध ऊर्जा कहा जाएगा।

सामान्य तौर पर कई परमाणु ऊर्जा स्तर होते हैं और मॉडल में शामिल परमाणु ऑर्बिटल्स। इससे जटिल बैंड संरचनाएं हो सकती हैं क्योंकि ऑर्बिटल्स विभिन्न बिंदु-समूह अभ्यावेदन से संबंधित हैं। पारस्परिक जाली और ब्रिलॉइन क्षेत्र अक्सर ठोस के क्रिस्टल की तुलना में एक अलग अंतरिक्ष समूह से संबंधित होते हैं। ब्रिलॉइन ज़ोन 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 eigenstates की गणना करना अक्सर बहुत मुश्किल नहीं होता है। इसलिए टाइट-बाइंडिंग मॉडल उन लोगों के लिए अच्छे उदाहरण प्रदान कर सकता है जो समूह सिद्धांत के बारे में अधिक जानना चाहते हैं।

तंग-बाध्यकारी मॉडल का एक लंबा इतिहास रहा है और कई तरीकों से और कई अलग-अलग उद्देश्यों और विभिन्न परिणामों के साथ लागू किया गया है। मॉडल अपने आप खड़ा नहीं होता है। मॉडल के कुछ हिस्सों को अन्य प्रकार की गणनाओं और मॉडलों द्वारा भरा या बढ़ाया जा सकता है लगभग मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल की तरह। मॉडल ही, या इसके कुछ भाग, अन्य गणनाओं के आधार के रूप में काम कर सकते हैं। प्रवाहकीय पॉलिमर, कार्बनिक अर्धचालक और आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के अध्ययन में, उदाहरण के लिए, टाइट-बाइंडिंग-जैसे मॉडल लागू होते हैं जिसमें मूल अवधारणा में परमाणुओं की भूमिका को संयुग्मित प्रणालियों के आणविक ऑर्बिटल्स द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। और जहां अंतर-परमाणु आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों को अंतर- या इंट्रामोल्युलर होपिंग और टनलिंग मापदंडों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। इन कंडक्टरों में लगभग सभी में बहुत अनिसोट्रोपिक 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 B. N. Finklestein और G. E. Horowitz द्वारा पेश की गई थी, जबकि ठोस पदार्थों के लिए एलसीएओ 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 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 तंग-बाध्यकारी मॉडल विधि है, कभी-कभी एसके तंग-बाध्यकारी विधि के रूप में जाना जाता है। SK टाइट-बाइंडिंग 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 इंटरैक्शन मौजूद हैं जिन पर हमें विचार करना चाहिए। क्रिस्टल हैमिल्टनियन केवल विभिन्न स्थलों पर स्थित परमाणु हैमिल्टन का योग है और परमाणु तरंग फ़ंक्शन क्रिस्टल में आसन्न परमाणु साइटों को ओवरलैप करते हैं, और इसलिए सटीक तरंग फ़ंक्शन 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 तंग बाध्यकारी 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-शरीर भौतिकी विवरण का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन संपर्क की भूमिका पर विचार किया जाना चाहिए।

तंग-बाध्यकारी मॉडल 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 एटॉमिक ऑर्बिटल्स का परिचय देते हैं $\varphi _{m}(\mathbf {r} )$, जो एक पृथक परमाणु के हैमिल्टनियन $H_{\rm {at}}$ के आइजनफंक्शन हैं। जब परमाणु को क्रिस्टल में रखा जाता है, तो यह परमाणु तरंग कार्य आसन्न परमाणु स्थलों को ओवरलैप करता है, और इसलिए क्रिस्टल हैमिल्टनियन के सच्चे प्रतिजन कार्य नहीं हैं। जब इलेक्ट्रॉन कसकर बंधे होते हैं तो ओवरलैप कम होता है, जो वर्णनकर्ता "तंग-बाध्यकारी" का स्रोत है। परमाणु क्षमता में कोई भी सुधार $\Delta U$ को सिस्टम के वास्तविक हैमिल्टनियन $H$ को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है, को छोटा माना जाता है:

$H(\mathbf {r} )=H_{\mathrm {at} }(\mathbf {r} )+\sum _{\mathbf {R_{n}} \neq \mathbf {0} }V(\mathbf {r} -\mathbf {R_{n}} )=H_{\mathrm {at} }(\mathbf {r} )+\Delta U(\mathbf {r} )\ ,$

यहाँ पर $V(\mathbf {r} -\mathbf {R_{n}} )$ साइट पर स्थित एक परमाणु की परमाणु क्षमता को $\mathbf {R} _{n}$ दर्शाया गया है, क्रिस्टल जाली में एक समाधान $\psi _{m}$ समय-स्वतंत्र एकल इलेक्ट्रॉन श्रोडिंगर समीकरण को परमाणु ऑर्बिटल्स के एक रैखिक संयोजन के रूप में अनुमानित किया गया है $\varphi _{m}(\mathbf {r-R_{n}} )$:

$\psi _{m}(\mathbf {r} )=\sum _{\mathbf {R_{n}} }b_{m}(\mathbf {R_{n}} )\ \varphi _{m}(\mathbf {r-R_{n}} )$,

यहाँ पर $m$ एम-टी परमाणु ऊर्जा स्तर को संदर्भित करता है।

ट्रांसलेशनल समरूपता और सामान्यीकरण

बलोच प्रमेय के अनुसार एक क्रिस्टल में तरंग फ़ंक्शन केवल एक चरण कारक द्वारा अनुवाद के तहत बदल सकता है:

$\psi (\mathbf {r+R_{\ell }} )=e^{i\mathbf {k\cdot R_{\ell }} }\psi (\mathbf {r} )\ ,$

यहाँ पर $\mathbf {k}$ तरंग फ़ंक्शन का वेव वेक्टर है। परिणामस्वरूप, गुणांक संतुष्ट करते हैं

$\sum _{\mathbf {R_{n}} }b_{m}(\mathbf {R_{n}} )\ \varphi _{m}(\mathbf {r-R_{n}+R_{\ell }} )=e^{i\mathbf {k\cdot R_{\ell }} }\sum _{\mathbf {R_{n}} }b_{m}(\mathbf {R_{n}} )\ \varphi _{m}(\mathbf {r-R_{n}} )\ .$

प्रतिस्थापित करके $\mathbf {R_{p}} =\mathbf {R_{n}} -\mathbf {R_{\ell }}$, हम देखतें है कि

$b_{m}(\mathbf {R_{p}+R_{\ell }} )=e^{i\mathbf {k\cdot R_{\ell }} }b_{m}(\mathbf {R_{p}} )\ ,$ (जहां आरएचएस (RHS) में हमने डमी इंडेक्स को बदल दिया है $\mathbf {R_{n}}$ साथ $\mathbf {R_{p}}$)

या

$b_{m}(\mathbf {R_{l}} )=e^{i\mathbf {k\cdot R_{l}} }b_{m}(\mathbf {0} )\ .$

एकीकृत तरंग फ़ंक्शन को सामान्य करने के लिए:

$\int d^{3}r\ \psi _{m}^{*}(\mathbf {r} )\psi _{m}(\mathbf {r} )=1$

$=\sum _{\mathbf {R_{n}} }b_{m}^{*}(\mathbf {R_{n}} )\sum _{\mathbf {R_{\ell }} }b_{m}(\mathbf {R_{\ell }} )\int d^{3}r\ \varphi _{m}^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )\varphi _{m}(\mathbf {r-R_{\ell }} )$

$=b_{m}^{*}(0)b_{m}(0)\sum _{\mathbf {R_{n}} }e^{-i\mathbf {k\cdot R_{n}} }\sum _{\mathbf {R_{\ell }} }e^{i\mathbf {k\cdot R_{\ell }} }\ \int d^{3}r\ \varphi _{m}^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )\varphi _{m}(\mathbf {r-R_{\ell }} )$

$=Nb_{m}^{*}(0)b_{m}(0)\sum _{\mathbf {R_{p}} }e^{-i\mathbf {k\cdot R_{p}} }\ \int d^{3}r\ \varphi _{m}^{*}(\mathbf {r-R_{p}} )\varphi _{m}(\mathbf {r} )\$

$=Nb_{m}^{*}(0)b_{m}(0)\sum _{\mathbf {R_{p}} }e^{i\mathbf {k\cdot R_{p}} }\ \int d^{3}r\ \varphi _{m}^{*}(\mathbf {r} )\varphi _{m}(\mathbf {r-R_{p}} )\ ,$

तो सामान्यीकरण सेट करता है $b_{m}(0)$जैसा

$b_{m}^{*}(0)b_{m}(0)={\frac {1}{N}}\ \cdot \ {\frac {1}{1+\sum _{\mathbf {R_{p}\neq 0} }e^{i\mathbf {k\cdot R_{p}} }\alpha _{m}(\mathbf {R_{p}} )}}\ ,$

जहां α_m('आर'_p ) परमाणु ओवरलैप इंटीग्रल हैं, जो अक्सर उपेक्षित होते हैं इसके परिणामस्वरूप

$b_{m}(0)\approx {\frac {1}{\sqrt {N}}}\ ,$

तथा

$\psi _{m}(\mathbf {r} )\approx {\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{\mathbf {R_{n}} }e^{i\mathbf {k\cdot R_{n}} }\ \varphi _{m}(\mathbf {r-R_{n}} )\ .$

तंग बंधन हैमिल्टनियन

तरंग फ़ंक्शन के लिए तंग बाइंडिंग फॉर्म का उपयोग किया जाता है, और केवल एम-टीएच (M-TH) परमाणु ऊर्जा स्तर मान लेना एम-टी ऊर्जा बैंड, बलोच ऊर्जा के लिए महत्वपूर्ण है $\varepsilon _{m}$ रूप के हैं तो इस प्रकार

$\varepsilon _{m}=\int d^{3}r\ \psi _{m}^{*}(\mathbf {r} )H(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} )$

$=\sum _{\mathbf {R_{n}} }b^{*}(\mathbf {R_{n}} )\ \int d^{3}r\ \varphi ^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )H(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} )\$

$=\sum _{\mathbf {R_{\ell }} }\ \sum _{\mathbf {R_{n}} }b^{*}(\mathbf {R_{n}} )\ \int d^{3}r\ \varphi ^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )H_{\mathrm {at} }(\mathbf {r-R_{\ell }} )\psi (\mathbf {r} )\ +\sum _{\mathbf {R_{n}} }b^{*}(\mathbf {R_{n}} )\ \int d^{3}r\ \varphi ^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )\Delta U(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} )\ .$

$\approx E_{m}+b^{*}(0)\sum _{\mathbf {R_{n}} }e^{-i\mathbf {k\cdot R_{n}} }\ \int d^{3}r\ \varphi ^{*}(\mathbf {r-R_{n}} )\Delta U(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} )\ .$

यहाँ पर परमाणु हैमिल्टन को शामिल करने वाली शर्तों के अलावा अन्य स्थानों पर जहां यह केंद्रित है, उसकी उपेक्षा की जाती है। ऊर्जा तो बन जाती है इसलिए

$\varepsilon _{m}(\mathbf {k} )=E_{m}-N\ |b(0)|^{2}\left(\beta _{m}+\sum _{\mathbf {R_{n}} \neq 0}\sum _{l}\gamma _{m,l}(\mathbf {R_{n}} )e^{i\mathbf {k} \cdot \mathbf {R_{n}} }\right)\ ,$

$=E_{m}-\ {\frac {\beta _{m}+\sum _{\mathbf {R_{n}} \neq 0}\sum _{l}e^{i\mathbf {k} \cdot \mathbf {R_{n}} }\gamma _{m,l}(\mathbf {R_{n}} )}{\ \ 1+\sum _{\mathbf {R_{n}\neq 0} }\sum _{l}e^{i\mathbf {k\cdot R_{n}} }\alpha _{m,l}(\mathbf {R_{n}} )}}\ ,$

जहां ई_m एम-वें परमाणु स्तर की ऊर्जा है, और $\alpha _{m,l}$, $\beta _{m}$ तथा $\gamma _{m,l}$ तंग बाइंडिंग आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व है जिसकी नीचे चर्चा की गई हैं।

तंग बाइंडिंग आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व

अवयव

$$\beta _{m}=-\int {\varphi _{m}^{*}(\mathbf {r} )\Delta U(\mathbf {r} )\varphi _{m}(\mathbf {r} )\,d^{3}r}{\text{,}}$$

पड़ोसी परमाणुओं पर क्षमता के कारण परमाणु ऊर्जा में बदलाव होता हैं। यह शब्द ज्यादातर मामलों में अपेक्षाकृत छोटा है। पर यदि इसकी अधिकता पाई जाती है तो इसका मतलब होता है कि पड़ोसी परमाणुओं पर क्षमता केंद्रीय परमाणु की ऊर्जा पर एक बड़ा प्रभाव पड़ा है।

शर्तों का अगला वर्ग

$$\gamma _{m,l}(\mathbf {R_{n}} )=-\int {\varphi _{m}^{*}(\mathbf {r} )\Delta U(\mathbf {r} )\varphi _{l}(\mathbf {r} -\mathbf {R_{n}} )\,d^{3}r}{\text{,}}$$

अंतरपरमाण्विक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका कुछ इस प्रकार है। इसे बॉन्ड एनर्जी या दो सेंटर इंटीग्रल भी कहा जाता है और यह तंग बाध्यकारी मॉडल में प्रमुख शब्द है।

शर्तों का अंतिम वर्ग

$$\alpha _{m,l}(\mathbf {R_{n}} )=\int {\varphi _{m}^{*}(\mathbf {r} )\varphi _{l}(\mathbf {r-R_{n}} )\,d^{3}r}{\text{,}}$$

आसन्न परमाणुओं पर परमाणु ऑर्बिटल्स M और L के बीच अधिव्यापन समाकलित को निरूपित करते हैं। ये आमतौर पर छोटे होते हैं और ऐसा न होने पर, पाउली प्रतिकर्षण का केंद्रीय परमाणु की ऊर्जा पर एक गैर-नगण्य प्रभाव पड़ता है।

आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों का मूल्यांकन

जैसा कि मूल्यों की जानकारी से पहले यहाँ उल्लेख किया गया है कि $\beta _{m}$-मेट्रिक्स तत्व आयनीकरण ऊर्जा की तुलना में इतने बड़े नहीं हैं ऐसा इसलिए हैं क्योंकि केंद्रीय परमाणु पर पड़ोसी परमाणुओं की संभावनाएं सीमित हैं। यदि $\beta _{m}$ अपेक्षाकृत छोटा न हों तो इसका मतलब यह होगा कि केंद्रीय परमाणु पर पड़ोसी परमाणु की क्षमता भी छोटी नहीं है। ऐसी स्थिति में यह एक संकेत है कि तंग बाइंडिंग मॉडल किसी कारण से बैंड संरचना के विवरण के लिए बहुत अच्छा मॉडल नहीं है। अंतरापरमाणुक दूरी बहुत छोटी हो सकती है तथा जाली में परमाणुओं या आयनों पर शुल्क उदाहरण के लिए गलत है।

अंतरापरमाणुक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व $\gamma _{m,l}$ यदि परमाणु तरंग कार्यों और क्षमता को विस्तार से जाना जाता है, तो सीधे गणना की जा सकती है। बार बार ऐसा नहीं होता है। इन आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों के लिए पैरामीटर प्राप्त करने के कई तरीके होते हैं। पैरामीटर रासायनिक बंधन ऊर्जा डेटा से प्राप्त किए जा सकते हैं। ब्रिलोइन ज़ोन में कुछ उच्च समरूपता बिंदुओं पर ऊर्जा और आइजन स्थिति का मूल्यांकन किया जा सकता है और आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों में अभिन्न मान अन्य स्रोतों से बैंड संरचना डेटा के साथ मिलाये जा सकते है।

अंतरापरमाणुक अधिव्यापन आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व $\alpha _{m,l}$ बल्कि छोटा या उपेक्षित होना चाहिए। यदि वे बड़े हैं तो यह फिर से एक संकेत है कि तंग बाध्यकारी मॉडल कुछ उद्देश्यों के लिए सीमित मूल्य का है। बड़े अधिव्यापन उदाहरण के लिए बहुत कम अंतरापरमाणुक दूरी के लिए एक संकेत की तरह होते हैं। धातुओं और संक्रमण धातुओं में व्यापक एस-बैंड या एसपी-बैंड को एक मौजूदा बैंड संरचना गणना के लिए बेहतर तरीके से फिट किया जा सकता है, जो अगली-निकट-पड़ोसी आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की शुरूआत और अधिव्यापन समाकलन द्वारा किया जा सकता है, लेकिन इस तरह से यह एक धातु के इलेक्ट्रॉनिक तरंग फ़ंक्शन के लिए फिट बैठता है। घने सामग्रियों में व्यापक बैंड लगभग एक मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल द्वारा बेहतर वर्णित होते हैं।

तंग बाइंडिंग मॉडल विशेष रूप से उन मामलों में अच्छी तरह से काम करता है जहां बैंड की चौड़ाई छोटी होती है और इलेक्ट्रॉनों को दृढ़ता से स्थानीयकृत किया जाता है, जैसे कि डी-बैंड और एफ-बैंड में। मॉडल भी डायमंड या सिलिकॉन जैसे खुले क्रिस्टल संरचनाओं के मामले में अच्छे परिणाम देता है, जहां पड़ोसियों की संख्या छोटी होती है। मॉडल को आसानी से एक हाइब्रिड एनएफई-टीबी मॉडल में लगभग मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल के साथ जोड़ा जा सकता है।

वानियर कार्यों के लिए कनेक्शन

बलोच के प्रमेय के अनुसार बलोच फ़ंक्शंस एक आवधिक क्रिस्टल जाली में इलेक्ट्रॉनिक राज्यों का वर्णन करते हैं। बलोच कार्यों को एक फूरियर श्रृंखला के रूप में दर्शाया जा सकता है

$\psi _{m}\mathbf {(k,r)} ={\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{n}{a_{m}\mathbf {(R_{n},r)} }e^{\mathbf {ik\cdot R_{n}} }\ ,$

जहाँ r _n एक आवधिक क्रिस्टल जाली में एक परमाणु साइट को दर्शाता है, के बलोच के फ़ंक्शन का वेव वेक्टर है, आर इलेक्ट्रॉन स्थिति है, एम बैंड इंडेक्स है, और योग सब खत्म हो गया है एन परमाणु साइटें।बलोच का कार्य एक ऊर्जा ई के अनुरूप एक आवधिक क्रिस्टल क्षमता में एक इलेक्ट्रॉन के तरंग फ़ंक्शन के लिए एक सटीक प्रतिजन समाधान है।_m ( k ), और पूरे क्रिस्टल वॉल्यूम में फैलता है।

फूरियर ट्रांसफॉर्म विश्लेषण का उपयोग करते हुए, एम के लिए एक स्थानिक रूप से स्थानीयकृत तरंग फ़ंक्शन-TH ऊर्जा बैंड का निर्माण कई बलोच के कार्यों से किया जा सकता है:

$a_{m}\mathbf {(R_{n},r)} ={\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{\mathbf {k} }{e^{\mathbf {-ik\cdot R_{n}} }\psi _{m}\mathbf {(k,r)} }={\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{\mathbf {k} }{e^{\mathbf {ik\cdot (r-R_{n})} }u_{m}\mathbf {(k,r)} }.$

ये वास्तविक अंतरिक्ष तरंग कार्य ${a_{m}\mathbf {(R_{n},r)} }$ वानियर फलन कहा जाता है, और परमाणु साइट R के लिए काफी निकटता से स्थानीयकृत हैं_n। यदि हमारे पास सटीक वानियर फलन हैं, तो सटीक बलोच फ़ंक्शंस को उलटा फूरियर ट्रांसफॉर्म का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

हालाँकि, सीधे बलोच के प्रमेय की गणना करना आसान नहीं है। बलोच फ़ंक्शंस या वानियर फ़ंक्शंस 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 फ़ंक्शन की पसंद का सुझाव देती है, जो कि वानियर फलन के लिए एक अनुमानित रूप के रूप में, तथाकथित तंग बाध्यकारी सन्निकटन है।

दूसरा परिमाणीकरण

टी-जे मॉडल और हबर्ड मॉडल जैसे इलेक्ट्रॉनिक संरचना की आधुनिक स्पष्टीकरण तंग बाध्यकारी मॉडल पर आधारित हैं। 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, तंग बाध्यकारी ढांचे में दूसरा परिमाणीकरण हैमिल्टनियन ऑपरेटर के रूप में लिखा जा सकता है:

$H=-t\sum _{\langle i,j\rangle ,\sigma }(c_{i,\sigma }^{\dagger }c_{j,\sigma }^{}+h.c.)$,

$c_{i\sigma }^{\dagger },c_{j\sigma }$ - सृजन और विनाश संचालक

$\displaystyle \sigma$ - स्पिन ध्रुवीकरण

$\displaystyle t$ - समाकलिन को रोकना

$\displaystyle \langle i,j\rangle$ - निकटतम पड़ोसी सूचकांक

$\displaystyle h.c.$ - अन्य शब्द (एस) का हर्मिटियन संयुग्म

यहाँ, अभिन्न अंग $\displaystyle t$ हस्तांतरण अभिन्न अंग के अनुरूप है $\displaystyle \gamma$ तंग बाध्यकारी मॉडल में।के चरम मामलों को ध्यान में रखते हुए $t\rightarrow 0$, एक इलेक्ट्रॉन के लिए पड़ोसी साइटों में आशा करना असंभव है।यह मामला पृथक परमाणु प्रणाली है।यदि होपिंग टर्म चालू है ($\displaystyle t>0$) इलेक्ट्रॉन अपनी गतिज ऊर्जा को कम करने वाली दोनों साइटों में रह सकते हैं।

दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन प्रणाली में, इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन पर विचार करना आवश्यक है।यह शब्द में लिखा जा सकता है

$\displaystyle H_{ee}={\frac {1}{2}}\sum _{n,m,\sigma }\langle n_{1}m_{1},n_{2}m_{2}|{\frac {e^{2}}{|r_{1}-r_{2}|}}|n_{3}m_{3},n_{4}m_{4}\rangle c_{n_{1}m_{1}\sigma _{1}}^{\dagger }c_{n_{2}m_{2}\sigma _{2}}^{\dagger }c_{n_{4}m_{4}\sigma _{2}}c_{n_{3}m_{3}\sigma _{1}}$

इस पारस्परिक क्रिया के परिणामस्वरूप हैमिल्टन में प्रत्यक्ष कूलम्ब का नियम शामिल है। इलेक्ट्रॉनों के बीच कूलम्ब पारस्परिक ऊर्जा और विनिमय पारस्परिक ऊर्जा।इस इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन पारस्परिक ऊर्जा से प्रेरित कई उपन्यास भौतिकी हैं, जैसे कि मेटल-विसंवाहक ट्रांज़िशन (MIT), उच्च-तापमान उच्च चालकता और कई क्वांटम चरण संक्रमण।

उदाहरण: एक-आयामी एस-बैंड

यहाँ टाइट बाइंडिंग मॉडल को परमाणुओं की एक स्ट्रिंग के लिए एक एस-बैंड मॉडल के साथ चित्रित किया गया है जिसमें एक एकल एस-ऑर्बिटल के साथ एक सीधी रेखा में परमाणु साइटों के बीच ए और बॉन्ड्स होते हैं।

हैमिल्टनियन के अनुमानित स्वदेशी राज्यों को खोजने के लिए, हम परमाणु कक्षकों के रैखिक संयोजन का उपयोग कर सकते हैं

$|k\rangle ={\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{n=1}^{N}e^{inka}|n\rangle$

जहां n = कुल साइटों की संख्या और $k$ के साथ एक वास्तविक पैरामीटर है $-{\frac {\pi }{a}}\leqq k\leqq {\frac {\pi }{a}}$। (यह तरंग फ़ंक्शन एकता के लिए एकता के लिए सामान्य किया जाता है 1/ofn बशर्ते परमाणु तरंग कार्यों के ओवरलैप को नजरअंदाज कर दिया जाता है।) केवल निकटतम पड़ोसी ओवरलैप मानते हुए, हैमिल्टन के केवल गैर-शून्य आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों को व्यक्त किया जा सकता है।

$\langle n|H|n\rangle =E_{0}=E_{i}-U\ .$

$\langle n\pm 1|H|n\rangle =-\Delta \$

$\langle n|n\rangle =1\ ;$ & nbsp; $\langle n\pm 1|n\rangle =S\ .$

ऊर्जा ई_i क्या चुने हुए परमाणु कक्षीय के अनुरूप आयनीकरण ऊर्जा है और यू पड़ोसी परमाणुओं की क्षमता के परिणामस्वरूप कक्षीय की ऊर्जा पारी है। $\langle n\pm 1|H|n\rangle =-\Delta$ H> तत्व, जिसमें अंतरपरमाण्विक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका, स्लेटर और कोस्टर इंटरटोमिक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व हैं, बॉन्ड ऊर्जा हैं $E_{i,j}$।इस एक आयामी एस-बैंड मॉडल में हमारे पास केवल है $\sigma$बांड ऊर्जा के साथ एस-ऑर्बिटल्स के बीच -बोंड्स $E_{s,s}=V_{ss\sigma }$। पड़ोसी परमाणुओं पर राज्यों के बीच ओवरलैप एस है। हम राज्य की ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं $|k\rangle$ उपरोक्त समीकरण का उपयोग करना:

$H|k\rangle ={\frac {1}{\sqrt {N}}}\sum _{n}e^{inka}H|n\rangle$

$\langle k|H|k\rangle ={\frac {1}{N}}\sum _{n,\ m}e^{i(n-m)ka}\langle m|H|n\rangle$& nbsp;$={\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n|H|n\rangle +{\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n-1|H|n\rangle e^{+ika}+{\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n+1|H|n\rangle e^{-ika}$& nbsp;$=E_{0}-2\Delta \,\cos(ka)\ ,$

उदाहरण के लिए, जहां

${\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n|H|n\rangle =E_{0}{\frac {1}{N}}\sum _{n}1=E_{0}\ ,$

तथा

${\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n-1|H|n\rangle e^{+ika}=-\Delta e^{ika}{\frac {1}{N}}\sum _{n}1=-\Delta e^{ika}\ .$

${\frac {1}{N}}\sum _{n}\langle n-1|n\rangle e^{+ika}=Se^{ika}{\frac {1}{N}}\sum _{n}1=Se^{ika}\ .$

इस प्रकार इस राज्य की ऊर्जा $|k\rangle$ ऊर्जा फैलाव के परिचित रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है:

$E(k)={\frac {E_{0}-2\Delta \,\cos(ka)}{1+2S\,\cos(ka)}}$।

• के लिये $k=0$ ऊर्जा है $E=(E_{0}-2\Delta )/(1+2S)$ और राज्य में सभी परमाणु ऑर्बिटल्स का योग होता है।इस राज्य को बॉन्डिंग ऑर्बिटल्स की श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है।
• के लिये $k=\pi /(2a)$ ऊर्जा है $E=E_{0}$ और राज्य में परमाणु ऑर्बिटल्स का एक योग होता है जो एक कारक हैं $e^{i\pi /2}$ चरण से बाहर।इस राज्य को गैर-बॉन्डिंग ऑर्बिटल्स की श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है।
• अंत में के लिए $k=\pi /a$ ऊर्जा है $E=(E_{0}+2\Delta )/(1-2S)$ और राज्य में परमाणु ऑर्बिटल्स का एक वैकल्पिक योग होता है।इस राज्य को एंटी-बॉन्डिंग ऑर्बिटल्स 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 वेक्टर स्थानों को केवल n a के स्थान पर पेश करके। इसी तरह, विधि को प्रत्येक साइट पर कई अलग -अलग परमाणु ऑर्बिटल्स का उपयोग करके कई बैंडों तक बढ़ाया जा सकता है।ऊपर दिए गए सामान्य सूत्रीकरण से पता चलता है कि इन एक्सटेंशन को कैसे पूरा किया जा सकता है।

इंटरटोमिक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की तालिका

1954 में जे.सी. स्लेटर और जी.एफ.कोस्टर प्रकाशित, मुख्य रूप से संक्रमण धातु डी-बैंड की गणना के लिए, इंटरटोमिक आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों की एक तालिका:$E_{i,j}({\vec {\mathbf {r} }}_{n,n'})=\langle n,i|H|n',j\rangle$ जिसे क्यूबिक हार्मोनिक ऑर्बिटल्स से भी सीधे तौर पर लिया जा सकता है।तालिका आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों को दो क्यूबिक हार्मोनिक ऑर्बिटल्स, आई और जे, आसन्न परमाणुओं पर दो क्यूबिक हार्मोनिक ऑर्बिटल्स, आई और जे के बीच के कार्यों के रूप में व्यक्त करती है।बॉन्ड इंटीग्रल उदाहरण के लिए हैं $V_{ss\sigma }$, $V_{pp\pi }$ तथा $V_{dd\delta }$ सिग्मा, पीआई और डेल्टा बॉन्ड के लिए (ध्यान दें कि ये इंटीग्रल परमाणुओं के बीच की दूरी पर भी निर्भर होना चाहिए, अर्थात का एक कार्य है $(l,m,n)$, भले ही यह स्पष्ट रूप से हर बार नहीं कहा गया है।)।

इंटरटोमिक वेक्टर के रूप में व्यक्त किया जाता है

${\vec {\mathbf {r} }}_{n,n'}=(r_{x},r_{y},r_{z})=d(l,m,n)$

जहां डी परमाणुओं और एल के बीच की दूरी है, एम और एन पड़ोसी परमाणु के लिए दिशा कोसाइन हैं।

$E_{s,s}=V_{ss\sigma }$

$E_{s,x}=lV_{sp\sigma }$

$E_{x,x}=l^{2}V_{pp\sigma }+(1-l^{2})V_{pp\pi }$

$E_{x,y}=lmV_{pp\sigma }-lmV_{pp\pi }$

$E_{x,z}=lnV_{pp\sigma }-lnV_{pp\pi }$

$E_{s,xy}={\sqrt {3}}lmV_{sd\sigma }$

$E_{s,x^{2}-y^{2}}={\frac {\sqrt {3}}{2}}(l^{2}-m^{2})V_{sd\sigma }$

$E_{s,3z^{2}-r^{2}}=[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]V_{sd\sigma }$

$E_{x,xy}={\sqrt {3}}l^{2}mV_{pd\sigma }+m(1-2l^{2})V_{pd\pi }$

$E_{x,yz}={\sqrt {3}}lmnV_{pd\sigma }-2lmnV_{pd\pi }$

$E_{x,zx}={\sqrt {3}}l^{2}nV_{pd\sigma }+n(1-2l^{2})V_{pd\pi }$

$E_{x,x^{2}-y^{2}}={\frac {\sqrt {3}}{2}}l(l^{2}-m^{2})V_{pd\sigma }+l(1-l^{2}+m^{2})V_{pd\pi }$

$E_{y,x^{2}-y^{2}}={\frac {\sqrt {3}}{2}}m(l^{2}-m^{2})V_{pd\sigma }-m(1+l^{2}-m^{2})V_{pd\pi }$

$E_{z,x^{2}-y^{2}}={\frac {\sqrt {3}}{2}}n(l^{2}-m^{2})V_{pd\sigma }-n(l^{2}-m^{2})V_{pd\pi }$

$E_{x,3z^{2}-r^{2}}=l[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]V_{pd\sigma }-{\sqrt {3}}ln^{2}V_{pd\pi }$

$E_{y,3z^{2}-r^{2}}=m[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]V_{pd\sigma }-{\sqrt {3}}mn^{2}V_{pd\pi }$

$E_{z,3z^{2}-r^{2}}=n[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]V_{pd\sigma }+{\sqrt {3}}n(l^{2}+m^{2})V_{pd\pi }$

$E_{xy,xy}=3l^{2}m^{2}V_{dd\sigma }+(l^{2}+m^{2}-4l^{2}m^{2})V_{dd\pi }+(n^{2}+l^{2}m^{2})V_{dd\delta }$

$E_{xy,yz}=3lm^{2}nV_{dd\sigma }+ln(1-4m^{2})V_{dd\pi }+ln(m^{2}-1)V_{dd\delta }$

$E_{xy,zx}=3l^{2}mnV_{dd\sigma }+mn(1-4l^{2})V_{dd\pi }+mn(l^{2}-1)V_{dd\delta }$

$E_{xy,x^{2}-y^{2}}={\frac {3}{2}}lm(l^{2}-m^{2})V_{dd\sigma }+2lm(m^{2}-l^{2})V_{dd\pi }+[lm(l^{2}-m^{2})/2]V_{dd\delta }$

$E_{yz,x^{2}-y^{2}}={\frac {3}{2}}mn(l^{2}-m^{2})V_{dd\sigma }-mn[1+2(l^{2}-m^{2})]V_{dd\pi }+mn[1+(l^{2}-m^{2})/2]V_{dd\delta }$

$E_{zx,x^{2}-y^{2}}={\frac {3}{2}}nl(l^{2}-m^{2})V_{dd\sigma }+nl[1-2(l^{2}-m^{2})]V_{dd\pi }-nl[1-(l^{2}-m^{2})/2]V_{dd\delta }$

$E_{xy,3z^{2}-r^{2}}={\sqrt {3}}\left[lm(n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2)V_{dd\sigma }-2lmn^{2}V_{dd\pi }+[lm(1+n^{2})/2]V_{dd\delta }\right]$

$E_{yz,3z^{2}-r^{2}}={\sqrt {3}}\left[mn(n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2)V_{dd\sigma }+mn(l^{2}+m^{2}-n^{2})V_{dd\pi }-[mn(l^{2}+m^{2})/2]V_{dd\delta }\right]$

$E_{zx,3z^{2}-r^{2}}={\sqrt {3}}\left[ln(n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2)V_{dd\sigma }+ln(l^{2}+m^{2}-n^{2})V_{dd\pi }-[ln(l^{2}+m^{2})/2]V_{dd\delta }\right]$

$E_{x^{2}-y^{2},x^{2}-y^{2}}={\frac {3}{4}}(l^{2}-m^{2})^{2}V_{dd\sigma }+[l^{2}+m^{2}-(l^{2}-m^{2})^{2}]V_{dd\pi }+[n^{2}+(l^{2}-m^{2})^{2}/4]V_{dd\delta }$

$E_{x^{2}-y^{2},3z^{2}-r^{2}}={\sqrt {3}}\left[(l^{2}-m^{2})[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]V_{dd\sigma }/2+n^{2}(m^{2}-l^{2})V_{dd\pi }+[(1+n^{2})(l^{2}-m^{2})/4]V_{dd\delta }\right]$

$E_{3z^{2}-r^{2},3z^{2}-r^{2}}=[n^{2}-(l^{2}+m^{2})/2]^{2}V_{dd\sigma }+3n^{2}(l^{2}+m^{2})V_{dd\pi }+{\frac {3}{4}}(l^{2}+m^{2})^{2}V_{dd\delta }$

सभी अणु के बीच की आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व स्पष्ट रूप से सूचीबद्ध नहीं हैं। आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्व जो इस तालिका में सूचीबद्ध नहीं हैं, उन्हें तालिका में अन्य आव्यूह (मैट्रिक्स) तत्वों के सूचकांकों और कोसाइन दिशाओं के क्रमपरिवर्तन द्वारा निर्मित किया जा सकता है। ध्यान दें कि ऑर्बिटल इंडेक्स मात्रा का विनिमय करने के लिए $(l,m,n)\rightarrow (-l,-m,-n)$, अर्थात। $E_{\alpha ,\beta }(l,m,n)=E_{\beta ,\alpha }(-l,-m,-n)$। जैसे उदाहरण के लिए, $E_{x,s}=-lV_{sp\sigma }$

यह भी देखें

• इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना
• लगभग मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल
• बलोच के प्रमेय
• क्रोनिग-पेनी मॉडल
• फर्मी सतह
• Wannier फ़ंक्शन
• हबर्ड मॉडल
• टी-जे मॉडल
• प्रभावी द्रव्यमान (ठोस-राज्य भौतिकी) | प्रभावी द्रव्यमान
• एंडरसन का नियम
• विवर्तन का गतिशील सिद्धांत
• भौतिक विज्ञान की ठोस अवस्था
• परमाणु ऑर्बिटल्स आणविक कक्षीय विधि (LCAO) का रैखिक संयोजन (LCAO)
• होलस्टीन -हेरिंग विधि
• Peierls प्रतिस्थापन
• हेकल विधि

संदर्भ

• N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid State Physics (Thomson Learning, Toronto, 1976).
• Stephen Blundell Magnetism in Condensed Matter(Oxford, 2001).
• S.Maekawa et al. Physics of Transition Metal Oxides (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004).
• John Singleton Band Theory and Electronic Properties of Solids (Oxford, 2001).

अग्रिम पठन

• Walter Ashley Harrison (1989). Electronic Structure and the Properties of Solids. Dover Publications. ISBN 0-486-66021-4.
• N. W. Ashcroft and N. D. Mermin (1976). Solid State Physics. Toronto: Thomson Learning.
• Davies, John H. (1998). The physics of low-dimensional semiconductors: An introduction. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. ISBN 0-521-48491-X.
• Goringe, C M; Bowler, D R; Hernández, E (1997). "Tight-binding modelling of materials". Reports on Progress in Physics. 60 (12): 1447–1512. Bibcode:1997RPPh...60.1447G. doi:10.1088/0034-4885/60/12/001.
• Slater, J. C.; Koster, G. F. (1954). "Simplified LCAO Method for the Periodic Potential Problem". Physical Review. 94 (6): 1498–1524. Bibcode:1954PhRv...94.1498S. doi:10.1103/PhysRev.94.1498.

बाहरी संबंध

• Crystal-field Theory, Tight-binding Method, and Jahn-Teller Effect in E. Pavarini, E. Koch, F. Anders, and M. Jarrell (eds.): Correlated Electrons: From Models to Materials, Jülich 2012, ISBN 978-3-89336-796-2
• Tight-Binding Studio: A Technical Software Package to Find the Parameters of Tight-Binding Hamiltonian