Кіріспе
Қатты дене физикасында тығыз байланыс моделі (немесе TB моделі) – әрбір атомдық орында орналасқан жеке атомдардың толқындық функцияларының суперпозициясына негізделген, электрондық жолақты құрылымды есептеуге арналған жуықталған толқындық функциялар жиынтығын қолданатын тәсіл. Бұл тәсіл химияда қолданылатын LCAO әдісімен (атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациясы әдісі) тығыз байланысты. Тығыз байланыс модельдері әртүрлі қатты денелерге қолданылады. Көп жағдайда бұл модель жақсы сапалық нәтижелер береді және тығыз байланыс моделінің жеткіліксіз болған жағдайларында жақсы нәтижелер беретін басқа модельдермен үйлестірілуі мүмкін. Тығыз байланыс моделі бір электронды модель болғанымен, беттік күйлерді есептеу, әртүрлі көп денелік проблемаларға және квазибөлшектерді есептеуге қатысты одан да күрделі есептеулер үшін негіз болып табылады.
In solid state physics, the tight binding model (or TB model) is an approach to the calculation of electronic band structure using an approximate set of wave functions based upon superposition of wave functions for isolated atoms located at each atomic site. The method is closely related to the LCAO method (linear combination of atomic orbitals method) used in chemistry. Tight binding models are applied to a wide variety of solids. The model gives good qualitative results in many cases and can be combined with other models that give better results where the tight binding model fails. Though the tight binding model is a one electron model, the model also provides a basis for more advanced calculations like the calculation of surface states and application to various kinds of many body problem and quasiparticle calculations.
Кіріспе
Бұл электрондық жолақтың құрылымы үлгісінің "тығыз байланыс" атауы осы кванттық механикалық модельдің қатты денеде тығыз байланысқан электрондардың қасиеттерін сипаттайтынын көрсетеді. Бұл модельдегі электрондар өздеріне тиесілі атомға тығыз байланысқан болуы керек және қатты денедегі айналадағы атомдардың күйлерімен және потенциалдарымен өзара әрекеттесуі шектелуі керек. Нәтижесінде, электронның толқындық функциясы оған тиесілі еркін атомның атомдық орбиталына ұқсас болады. Электронның энергиясы да еркін атомдағы немесе иондағы электронның иондану энергиясына өте жақын болады, себебі көрші атомдардағы потенциалдармен және күйлермен өзара әрекеттесуі шектеулі. Бір бөлшектік тығыз байланыс гамильтонианының математикалық формуласы көзға ұшында күрделі көрінсе де, модель мүлдем күрделі емес және оны интуитивті түрде оңай түсінуге болады. Теорияда маңызды рөл атқаратын үш түрлі матрицалық элемент бар. Осы үш элементтің екеуі нөлге жақын болуы керек және көбінесе ескерілмейді. Модельдегі ең маңызды элементтер – атомдық аралық матрицалық элементтер, оларды химиктер байланыс энергиясы деп атайды. Жалпы, модельге бірнеше атомдық энергия деңгейлері мен атомдық орбитальдар қатысады. Бұл әртүрлі нүктелік топтарға жататын орбитальдардың нәтижесінде күрделі жолақтық құрылымдарға алып келуі мүмкін. Өзара торап және Бриллуэн аймағы көбінесе қатты дене кристаллынан өзге кеңістіктік топқа жатады. Бриллуэн аймағындағы жоғары симметриялы нүктелер әртүрлі нүктелік топтарға жатады. Элементтердің немесе қарапайым қосылыстардың торларын зерттегенде, жоғары симметриялы нүктелердегі меншікті күйлерді талдау арқылы есептеу көбінесе қиын болмайды. Сондықтан тығыз байланыс моделі топтар теориясын тереңдетуді қалайтындар үшін жақсы мысалдар бере алады. Тығыз байланыс моделінің ұзақ тарихы бар және оның көптеген мақсаттармен және әртүрлі нәтижелермен көптеген қолданыс алалары бар. Модель өздігінен тұра алмайды. Модельдің бөліктерін басқа есептеулер мен модельдермен, мысалы, дерлік еркін электрон моделімен толықтыруға немесе кеңейтуге болады. Модельдің өзі немесе оның бөліктері басқа есептеулердің негізі ретінде қызмет ете алады. Мысалы, өткізгіш полимерлерді, органикалық жартылай өткізгіштерді және молекулалық электрониканы зерттеуде, бастапқы тұжырымдамадағы атомдардың рөлі конъюгацияланған жүйелердің молекулалық орбитальдарымен алмастырылатын және атомдық аралық матрицалық элементтер молекулалық немесе ішкімолекулалық секіру және туннельдеу параметрлерімен алмастырылатын тығыз байланыс сияқты модельдер қолданылады. Бұл өткізгіштердің көпшілігінде өте анизотроптық қасиеттер бар және кейде дерлік бір өлшемді болады.
Тарихи негіздер
1928 жылға қарай молекулалық орбиталь туралы идеяны Роберт Мулликен жетілдірді, оған Фридрих Хундтың еңбектері зор әсер етті. Молекулалық орбитальдарды жуықтау үшін LCAO әдісін 1928 жылы Б.Н. Финклштейн мен Г.Е. Хоровиц енгізді, ал қатты денелер үшін LCAO әдісін Феликс Блох 1928 жылы докторлық диссертациясының бір бөлігі ретінде, LCAO MO тәсілімен бір уақытта және тәуелсіз түрде дамытты. Электрондық жолақтың құрылымын, әсіресе өтпелі металдардың d жолақтарын жуықтау үшін әлдеқайда қарапайым интерполяциялық схема – бұл 1954 жылы Джон Кларк Слейтер мен Джордж Фред Костердің ойлап тапқан параметрленген тығыз байланыс әдісі.
Қатты байланысты матрица элементтері
Элементтер – көршілес атомдардың потенциалынан туындаған атомдық энергияның өзгеруі. Бұл термин көп жағдайда салыстырмалы түрде кішкентай. Егер ол үлкен болса, көршілес атомдардың потенциалдары орталық атомның энергиясына күшті әсер етеді. Келесі термин класы – жақын атомдардың m және l атомдық орбиталдары арасындағы атомдық матрицалық элемент. Ол сондай-ақ байланыс энергиясы немесе екіорталық интеграл деп аталады және тығыз байланыс моделіндегі ең маңызды термин болып табылады. Терминдердің соңғы класы жақын атомдардың m және l атомдық орбиталдары арасындағы жабысу интегралдарын көрсетеді. Бұл да әдетте кішкентай; егер кішкентай болмаса, Паулидің тебілу күші орталық атомның энергиясына елеулі әсер етеді.