Тайт-биндинг модель в физике твердого тела: расчет электронной структуры, волновая функция, комбинация атомных орбиталей. Качественные результаты и применение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Модель электронных зонных структур твердых тел
Model of electronic band structures of solids
В физике твердого тела модель сильной связи (или модель СС) — это подход к вычислению электронной зонной структуры, использующий приближенный набор волновых функций, основанный на суперпозиции волновых функций изолированных атомов, расположенных в каждом атомном узле. Этот метод тесно связан с методом ЛКАО (линейной комбинации атомных орбиталей), используемым в химии. Модели сильной связи применяются к широкому спектру твердых тел. Модель дает хорошие качественные результаты во многих случаях и может быть объединена с другими моделями, обеспечивающими более точные результаты там, где модель сильной связи оказывается недостаточной. Хотя модель сильной связи является одноэлектронной моделью, она также служит основой для более сложных расчетов, таких как вычисление поверхностных состояний и применение к различным многочастичным задачам и расчетам квазичастиц.
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.
Введение
Название "тесное связывание" этой модели структуры электронной полосы указывает на то, что эта квантово-механическая модель описывает свойства электронов, сильно локализованных в твердых телах. Электроны в этой модели должны быть прочно связаны с атомом, которому они принадлежат, и испытывать ограниченное взаимодействие с состояниями и потенциалами на окружающих атомах твердого тела. В результате волновая функция электрона будет весьма похожа на атомную орбиталь свободного атома, к которому он принадлежит. Энергия электрона также будет близка к энергии ионизации электрона в свободном атоме или ионе, поскольку взаимодействие с потенциалами и состояниями на соседних атомах ограничено. Хотя математическая формулировка одночастичного гамильтониана тесного связывания может показаться сложной на первый взгляд, модель на самом деле не сложна и может быть интуитивно понята довольно легко. В теории играет значительную роль всего три типа матричных элементов. Два из этих трех типов элементов близки к нулю и часто могут быть пренебрегнуты. Наиболее важными элементами в модели являются межатомные матричные элементы, которые химик просто назвал бы энергиями связи. В модели обычно участвует ряд атомных энергетических уровней и атомных орбиталей. Это может приводить к сложным структурам зон, поскольку орбитали принадлежат к различным неприводимым представлениям точечных групп. Взаимная решетка и зона Бриллюэна часто принадлежат к пространственной группе, отличной от пространственной группы кристалла твердого тела. Точки высокой симметрии в зоне Бриллюэна принадлежат к различным неприводимым представлениям точечных групп. При изучении простых систем, таких как решетки элементов или простых соединений, часто не очень сложно аналитически вычислить собственные состояния в точках высокой симметрии. Таким образом, модель тесного связывания может предоставить хорошие примеры для тех, кто хочет углубить свои знания в теории групп. Модель тесного связывания имеет долгую историю и применялась во многих областях с различными целями и результатами. Модель не является самодостаточной. Ее части могут быть дополнены или расширены другими типами расчетов и моделей, такими как модель почти свободных электронов. Сама модель или ее части могут служить основой для других расчетов. Например, при изучении проводящих полимеров, органических полупроводников и молекулярной электроники применяются модели, подобные тесному связыванию, в которых роль атомов в исходной концепции заменяется молекулярными орбиталями сопряженных систем, а межатомные матричные элементы заменяются параметрами меж- или внутримолекулярного перескока и туннелирования. Эти проводники почти все обладают сильно анизотропными свойствами и иногда практически одномерны.
The name "tight binding" of this electronic band structure model suggests that this quantum mechanical model describes the properties of tightly bound electrons in solids. The electrons in this model should be tightly bound to the atom to which they belong and they should have limited interaction with states and potentials on surrounding atoms of the solid. As a result, the wave function of the electron will be rather similar to the atomic orbital of the free atom to which it belongs. The energy of the electron will also be rather close to the ionization energy of the electron in the free atom or ion because the interaction with potentials and states on neighboring atoms is limited. Though the mathematical formulation of the one particle tight binding Hamiltonian may look complicated at first glance, the model is not complicated at all and can be understood intuitively quite easily. There are only three kinds of matrix elements that play a significant role in the theory. Two of those three kinds of elements should be close to zero and can often be neglected. The most important elements in the model are the interatomic matrix elements, which would simply be called the bond energies by a chemist. In general there are a number of atomic energy levels and atomic orbitals involved in the model. This can lead to complicated band structures because the orbitals belong to different point group representations. The reciprocal lattice and the Brillouin zone often belong to a different space group than the crystal of the solid. High symmetry points in the Brillouin zone belong to different point group representations. When simple systems like the lattices of elements or simple compounds are studied it is often not very difficult to calculate eigenstates in high symmetry points analytically. So the tight binding model can provide nice examples for those who want to learn more about group theory. The tight binding model has a long history and has been applied in many ways and with many different purposes and different outcomes. The model doesn't stand on its own. Parts of the model can be filled in or extended by other kinds of calculations and models like the nearly free electron model. The model itself, or parts of it, can serve as the basis for other calculations. In the study of conductive polymers, organic semiconductors and molecular electronics, for example, tight binding like models are applied in which the role of the atoms in the original concept is replaced by the molecular orbitals of conjugated systems and where the interatomic matrix elements are replaced by inter or intramolecular hopping and tunneling parameters. These conductors nearly all have very anisotropic properties and sometimes are almost perfectly one dimensional.
Исторический фон
К 1928 году Роберт Мулликен выдвинул идею молекулярной орбитали, испытав значительное влияние работ Фридриха Хунда. Метод LCAO для приближенного расчета молекулярных орбиталей был предложен в 1928 году Б. Н. Финклштейном и Г. Э. Хоровицем, а метод LCAO для твердых тел был разработан Феликсом Блохом в его докторской диссертации в 1928 году параллельно и независимо от подхода LCAO MO. Значительно более простая схема интерполяции для приближения электронной структуры зон, особенно d-зон переходных металлов, – это параметризованный метод сильных связей, разработанный в 1954 году Джоном Кларком Слейтером и Джорджем Фредом Костером.
By 1928, the idea of a molecular orbital had been advanced by Robert Mulliken, who was influenced considerably by the work of Friedrich Hund. The LCAO method for approximating molecular orbitals was introduced in 1928 by B. N. Finklestein and G. E. Horowitz, while the LCAO method for solids was developed by Felix Bloch, as part of his doctoral dissertation in 1928, concurrently with and independent of the LCAO MO approach. A much simpler interpolation scheme for approximating the electronic band structure, especially for the d bands of transition metals, is the parameterized tight binding method conceived in 1954 by John Clarke Slater and George Fred Koster,
Плотные элементы связывающей матрицы
Элементы – это сдвиг атомной энергии, вызванный потенциалом со стороны соседних атомов. Этот член обычно невелик в большинстве случаев. Если он велик, это означает, что потенциалы соседних атомов оказывают существенное влияние на энергию центрального атома. Следующий класс членов – межатомный матричный элемент между атомными орбиталями m и l на соседних атомах. Он также называется энергией связи или двухцентровым интегралом и является доминирующим членом в модели сильных связей. Последний класс членов обозначает интегралы перекрытия между атомными орбиталями m и l на соседних атомах. Они также, как правило, малы; в противном случае отталкивание Паули оказывает заметное влияние на энергию центрального атома.
The elements are the atomic energy shift due to the potential on neighboring atoms. This term is relatively small in most cases. If it is large it means that potentials on neighboring atoms have a large influence on the energy of the central atom. The next class of terms is the interatomic matrix element between the atomic orbitals m and l on adjacent atoms. It is also called the bond energy or two center integral and it is the dominant term in the tight binding model. The last class of terms denote the overlap integrals between the atomic orbitals m and l on adjacent atoms. These, too, are typically small; if not, then Pauli repulsion has a non negligible influence on the energy of the central atom.