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Argomento

Reticolo 2D quadrato: banda tight-binding, zona di Brillouin e superficie di Fermi

math-checked
Sorgente: Test di autovalutazione di Fisica dei Solidi 21/6/2021
aggiornato 2026-06-21

Testo (dati)

Reticolo bidimensionale monoatomico quadrato di passo aa, con un atomo monovalente per cella e condizioni periodiche al bordo. La banda di valenza è descritta da un modello LCAO-tight-binding a primi vicini con un solo orbitale ss di valenza per atomo; la base è ortonormale e gli unici elementi di matrice non nulli dell’hamiltoniana sono:

  • termine diagonale ε0=0,05\varepsilon_0=-0{,}05 a.u.;
  • termine di accoppiamento fra atomi primi vicini t(a)=ea/a0-t(a)=-e^{-a/a_0}, con a0=1a_0=1 a.u.

(aa dipende dalla matricola: a=2a=2, 33 oppure 44 a.u.)

  1. Espressione analitica della banda ε(k)\varepsilon(\mathbf{k}); valore minimo εmin\varepsilon_{\min} e k\mathbf{k} in cui lo si raggiunge; analogamente per il massimo εmax\varepsilon_{\max}.
  2. Prima zona di Brillouin; porzione occupata dagli elettroni a T=0T=0.
  3. Sviluppo di Taylor di ε(k)\varepsilon(\mathbf{k}) attorno al minimo fino al secondo ordine; forma delle curve ε(k)=cost\varepsilon(\mathbf{k})=\text{cost} nelle vicinanze.
  4. Profilo di ε(k)\varepsilon(\mathbf{k}) lungo Γ ⁣ ⁣X ⁣ ⁣M ⁣ ⁣Γ\Gamma\!\to\!X\!\to\!M\!\to\!\Gamma con il livello di Fermi.

1) La banda ε(k)\varepsilon(\mathbf{k})

Costruzione della banda

Base ortonormale R|R\rangle (orbitale ss centrato sul sito RR), con RHR=ε0\langle R|H|R\rangle=\varepsilon_0 e RHR=t\langle R|H|R'\rangle=-t solo per primi vicini (RR=±ax^, ±ay^R'-R=\pm a\hat x,\ \pm a\hat y). L’autostato di Bloch k=1NReikRR|\mathbf k\rangle=\frac{1}{\sqrt N}\sum_R e^{i\mathbf k\cdot R}|R\rangle diagonalizza HH:

ε(k)=kHk=ε0+δp.v.(t)eikδ=ε02t(coskxa+coskya).\varepsilon(\mathbf k)=\langle\mathbf k|H|\mathbf k\rangle =\varepsilon_0+\sum_{\delta\,\text{p.v.}}(-t)\,e^{i\mathbf k\cdot\delta} =\varepsilon_0-2t\bigl(\cos k_x a+\cos k_y a\bigr).
Banda tight-binding del reticolo quadrato
ε(kx,ky)=ε02t(coskxa+coskya),t=ea/a0>0\varepsilon(k_x,k_y)=\varepsilon_0-2t\bigl(\cos k_x a+\cos k_y a\bigr),\qquad t=e^{-a/a_0}>0

Estremi. Ciascun coseno vale [1,1]\in[-1,1]:

  • Minimo della somma dei coseni =2=2, in kx=ky=0k_x=k_y=0: εmin=ε04t\boxed{\varepsilon_{\min}=\varepsilon_0-4t} in Γ=(0,0)\Gamma=(0,0).
  • Massimo della somma =2=-2, in kxa=kya=πk_xa=k_ya=\pi: εmax=ε0+4t\boxed{\varepsilon_{\max}=\varepsilon_0+4t} nei 4 punti M=(±πa,±πa)M=(\pm\tfrac{\pi}{a},\pm\tfrac{\pi}{a}).

L’ampiezza di banda è W=εmaxεmin=8tW=\varepsilon_{\max}-\varepsilon_{\min}=8t.

Caso $a=2$ a.u.

t=e2=0,1353t=e^{-2}=0{,}1353 a.u., dunque εmin=0,050,541=0,591\varepsilon_{\min}=-0{,}05-0{,}541=-0{,}591 a.u., εmax=0,05+0,541=+0,491\varepsilon_{\max}=-0{,}05+0{,}541=+0{,}491 a.u., W=8t=1,08W=8t=1{,}08 a.u. 29\approx 29 eV. (Per a=3a=3: W=0,40W=0{,}40 a.u.; per a=4a=4: W=0,15W=0{,}15 a.u.: all’aumentare del passo il salto tt e l’ampiezza di banda calano esponenzialmente.)

Perché il legante sta in $\Gamma$

L’accoppiamento t-t abbassa l’energia quando le funzioni d’onda dei siti vicini sono in fase (k=0\mathbf k=0, combinazione totalmente legante); la alza quando sono in opposizione di fase (nodo fra ogni coppia di vicini, k=M\mathbf k=M). È la versione a rete del legame σg\sigma_g (legante) vs σu\sigma_u^* (antilegante) di H2+H_2^+.


2) Zona di Brillouin e riempimento a T=0T=0

Prima zona di Brillouin
πakx,ky+πa(quadrato)-\frac{\pi}{a}\le k_x,k_y\le +\frac{\pi}{a}\qquad\text{(quadrato)}
Livello di Fermi: riempimento a metà banda

Atomo monovalente, 1 elettrone/cella. La banda ospita 2 elettroni/cella (con lo spin), quindi l’elettrone la riempie per metà. Per la simmetria εε0\varepsilon-\varepsilon_0 (che scambia elettroni e lacune, coscos\cos\to-\cos sotto kk+(π/a,π/a)\mathbf k\to\mathbf k+(\pi/a,\pi/a)), il riempimento a metà corrisponde a

εF=ε0,coskxa+coskya=0.\varepsilon_F=\varepsilon_0,\qquad \cos k_x a+\cos k_y a=0.

La condizione coskxa+coskya=0\cos k_x a+\cos k_y a=0 è un quadrato ruotato di 45° (losanga) i cui vertici toccano la zona di Brillouin nei punti X=(±πa,0)X=(\pm\frac{\pi}{a},0) e (0,±πa)(0,\pm\frac{\pi}{a}). A T=0T=0 è occupato l’interno di tale losanga.

Nesting e instabilità

A metà riempimento la superficie di Fermi è una losanga perfetta: le sue facce parallele sono connesse dal vettore di nesting Q=(π/a,π/a)\mathbf Q=(\pi/a,\pi/a). In materiali reali questa condizione favorisce instabilità del ground state (onda di densità di carico/spin, antiferromagnetismo). È il motivo per cui il modello a un solo orbitale, pur semplice, è didatticamente prezioso.


3) Sviluppo attorno al minimo e massa efficace

Sviluppando cosu1u2/2\cos u\simeq 1-u^2/2 attorno a Γ\Gamma:

Approssimazione parabolica al minimo
ε(k)ε04t+ta2(kx2+ky2)=εmin+ta2k2\varepsilon(\mathbf k)\simeq \varepsilon_0-4t+t\,a^2(k_x^2+k_y^2)=\varepsilon_{\min}+t\,a^2 k^2

Confrontando con l’elettrone libero ε=k2/(2m\*)\varepsilon=k^2/(2m^\*) si legge la massa efficace (in unità atomiche, me=1m_e=1):

m\*=12ta2(in a.u.).m^\*=\frac{1}{2t\,a^2}\quad\text{(in a.u.)}.
Massa efficace per $a=2$ a.u.

m\*=1/(20,13534)=0,92m^\*=1/(2\cdot0{,}1353\cdot 4)=0{,}92 a.u. me\approx m_e: vicino al minimo l’elettrone è quasi libero. Una banda larga (tt grande) → massa piccola → elettrone mobile; banda stretta (tt piccolo, aa grande) → massa grande → elettrone pesante.

Finché lo sviluppo è una buona approssimazione (ka1ka\ll1), le curve ε(k)=cost\varepsilon(\mathbf k)=\text{cost} sono circonferenze (disperzione isotropa, tipo elettrone libero). Attorno al massimo MM vale lo stesso risultato per le lacune (mbuca\*=1/(2ta2)m^\*_{\text{buca}}=1/(2ta^2), curvatura opposta).


4) Profilo della banda ΓXMΓ\Gamma\to X\to M\to\Gamma

Punti notevoli della zona di Brillouin: Γ=(0,0)\Gamma=(0,0), X=(π/a,0)X=(\pi/a,0), M=(π/a,π/a)M=(\pi/a,\pi/a).

Energie nei punti notevoli
ε(Γ)=ε04t,ε(X)=ε0,ε(M)=ε0+4t\varepsilon(\Gamma)=\varepsilon_0-4t,\quad \varepsilon(X)=\varepsilon_0,\quad \varepsilon(M)=\varepsilon_0+4t

(X=(π/a,0)X=(\pi/a,0): cosπ=1\cos\pi=-1, cos0=1\cos 0=1 → somma nulla → ε0\varepsilon_0.)

Il profilo lungo il cammino ΓXMΓ\Gamma\to X\to M\to\Gamma è quindi:

  • ΓX\Gamma\to X: da εmin\varepsilon_{\min} a ε0\varepsilon_0 (monotono, kxk_x cresce da 00 a π/a\pi/a);
  • XMX\to M: da ε0\varepsilon_0 a εmax\varepsilon_{\max} (kyk_y cresce da 00 a π/a\pi/a);
  • MΓM\to\Gamma: da εmax\varepsilon_{\max} a εmin\varepsilon_{\min} (entrambi i coseni tornano a +1+1).

Il livello di Fermi εF=ε0\varepsilon_F=\varepsilon_0 attraversa la banda proprio in XX (e, lungo la diagonale MΓM\to\Gamma, nel punto medio) — consistente con la losanga del punto 2.


Formule chiave

  • Banda: ε(k)=ε02t(coskxa+coskya)\varepsilon(\mathbf k)=\varepsilon_0-2t(\cos k_xa+\cos k_ya), t=ea/a0t=e^{-a/a_0}
  • Estremi: εmin=ε04t\varepsilon_{\min}=\varepsilon_0-4t (Γ\Gamma); εmax=ε0+4t\varepsilon_{\max}=\varepsilon_0+4t (MM); ampiezza W=8tW=8t
  • Monovalente → mezza banda → εF=ε0\varepsilon_F=\varepsilon_0; superficie di Fermi = losanga per coskxa+coskya=0\cos k_xa+\cos k_ya=0
  • Massa efficace al minimo: m\*=1/(2ta2)m^\*=1/(2ta^2) (a.u.); curve ε=cost\varepsilon=\text{cost} → circonferenze

Sintesi

GrandezzaEspressioneValore per a=2a=2 a.u.
Hopping ttea/a0e^{-a/a_0}0,1353 a.u.
Banda ε(k)\varepsilon(\mathbf k)ε02t(coskxa+coskya)\varepsilon_0-2t(\cos k_xa+\cos k_ya)
εmin\varepsilon_{\min} (Γ\Gamma)ε04t\varepsilon_0-4t0,591-0{,}591 a.u.
εmax\varepsilon_{\max} (MM)ε0+4t\varepsilon_0+4t+0,491+0{,}491 a.u.
Ampiezza WW8t8t1,08 a.u. ≈ 29 eV
Livello di Fermiε0\varepsilon_0 (mezza banda)0,05-0{,}05 a.u.
Superficie di Fermilosanga nei punti XX
Massa efficace m\*m^\*1/(2ta2)1/(2ta^2)0,92 mem_e
Collegamenti
  • Teoria: modello tight-binding, stato di Bloch, superficie di Fermi (cap. 09), (cap. 10).
  • Esercizio gemello 11 (Sommerfeld per Au/Ag): il complemento “elettrone libero” di questo tight-binding — stessa zona di Brillouin ma dispersione parabolica: esame 11 — Sommerfeld.
  • Il trimero lineare (cap. 09) è il caso 1D di questo modello: stesse idee di “legante in Γ\Gamma” e “antilegante al bordo di BZ”.