Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 3: Khí electron tự do, mặt Fermi

Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 3: Khí electron tự do, mặt Fermi cung cấp cho học viên những kiến thức về khí electron cổ điển (mô hình Drude), mô hình Sommerfeld, nhiệt dung của khí electron, định luật Ohm, định luật Joule-Lenz,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 3: Khí electron tự do, mặt Fermi VẬT LÍ CHẤT RẮN Phạm Đỗ Chung Bộ môn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà NộiPHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Chương 3 Khí electron tự do, mặt Fermi 1. Khí electron cổ điển (mô hình Drude) 2. Khí electron lượng tử (mô hình Sommerfeld) 3. Nhiệt dung của khí electron, nhiệt dung của kim loại 4. Sự dẫn điện của electron, định luật Ohm 5. Sự dẫn nhiệt của electron, định luật Wiedemann FranzPHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 2 Khí electron tự do Electron Mạng không gian Mạng tinh thể Gốc Các cấu trúc xếp Gốc hình chặt Các loại tinh cầu cứng thể (ion,…) Gốc tương tác lẫn nhau Gốc dao động Dao động mạngPHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 3 Tính chất của kim loại Nêu các tính chất của kim loại??? Table 12.5, Callister 5e.PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 4 Khí electron cổ điển và lượng tử Mô hình Drude (1900): coi electron như các nguyên tử khí và tuân theo thống kê cổ điển Mô hình Sommerfeld (1920s): là sự kết hợp của mô hình Drude và thống kê Fermi-Dirac (thống kê lượng tử cho các hạt Fermion) 1. Quả cầu cứng 2. Chuyển động thẳng cho tới khi va chạm 3. Thời gian va chạm không đáng kể 4. Chỉ có tương tác khi va chạm 5. Không có thêm bất cứ lực tương tác nào giữa các hạtPHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 5 1. Khí electron cổ điển (mô hình Drude) Trong thuyết electron cổ điển (Drude (1900) & Lorentz (1905)) : • Giả thuyết là trong kim loại có khí electron tự do, tuân theo thống kê cổ điển. • Khi không có trường ngoài, electron chuyển động nhiệt hỗn loạn. • Khi có điện trường ngoài tác dụng, cùng với chuyển động nhiệt, còn có chuyển động có hướng, dẫn đến xuất hiện dòng điện. • Khi electron va chạm vào các ion ở nút mạng, nó nhường cho ion động năng mà nó thu được dưới tác dụng của trường ngoài.PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 6 Nhiệt dung của khí electron Lí luận tương tự trường hợp nhiệt dung của tinh thể. Ta biết rằng, thì năng lượng trung bình của một hạt tự do là: 3 E = k BT 2 Như vậy, đóng góp của mỗi electron vào nhiệt dung của khối khí gồm những hạt như nhau là: 3 C = kB 2PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 7 Định luật Ohm Mật độ dòng điện được xác định bởi công thức J = σ E (A/m2) σ: Ω-1 m-1, (R=1/σ), E: V/m 2 _ 3k BT vrms  v  me eE vd  me τ: Thời gian tự do trung bình của electronPHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 8 Định luật Ohm neAv d dt J  nevd Adt ne  2 J E me Mật độ dòng tỉ lệ thuận với điện trường ngoài (định luật Ohm)PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 9 Địn ...