Sorgente:Test di autovalutazione di Fisica dei Solidi 21/6/2021
aggiornato 2026-06-21
Testo (dati)
Reticolo bidimensionale monoatomico quadrato di passo a, 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 s di valenza per atomo; la base
è ortonormale e gli unici elementi di matrice non nulli dell’hamiltoniana sono:
termine diagonaleε0=−0,05 a.u.;
termine di accoppiamento fra atomi primi vicini −t(a)=−e−a/a0, con a0=1 a.u.
(a dipende dalla matricola: a=2, 3 oppure 4 a.u.)
Espressione analitica della banda ε(k); valore minimo εmin
e k in cui lo si raggiunge; analogamente per il massimo εmax.
Prima zona di Brillouin; porzione occupata dagli elettroni a T=0.
Sviluppo di Taylor di ε(k) attorno al minimo fino al secondo ordine;
forma delle curve ε(k)=cost nelle vicinanze.
Profilo di ε(k) lungo Γ→X→M→Γ con il
livello di Fermi.
1) La banda ε(k)
🧮Costruzione della banda
Base ortonormale ∣R⟩ (orbitale s centrato sul sito R), con
⟨R∣H∣R⟩=ε0 e ⟨R∣H∣R′⟩=−t solo per primi vicini
(R′−R=±ax^,±ay^). L’autostato di Bloch
∣k⟩=N1∑Reik⋅R∣R⟩ diagonalizza H:
Minimo della somma dei coseni =2, in kx=ky=0:
εmin=ε0−4t in Γ=(0,0).
Massimo della somma =−2, in kxa=kya=π:
εmax=ε0+4t nei 4 punti M=(±aπ,±aπ).
L’ampiezza di banda è W=εmax−εmin=8t.
🧩Caso $a=2$ a.u.
t=e−2=0,1353 a.u., dunque
εmin=−0,05−0,541=−0,591 a.u.,
εmax=−0,05+0,541=+0,491 a.u.,
W=8t=1,08 a.u. ≈29 eV. (Per a=3: W=0,40 a.u.; per a=4: W=0,15 a.u.:
all’aumentare del passo il salto t e l’ampiezza di banda calano esponenzialmente.)
💡Perché il legante sta in $\Gamma$
L’accoppiamento −t abbassa l’energia quando le funzioni d’onda dei siti vicini sono in
fase (k=0, combinazione totalmente legante); la alza quando sono in opposizione
di fase (nodo fra ogni coppia di vicini, k=M). È la versione a rete del legame
σg (legante) vs σu∗ (antilegante) di H2+.
2) Zona di Brillouin e riempimento a T=0
🔑Prima zona di Brillouin
−aπ≤kx,ky≤+aπ(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 ε−ε0
(che scambia elettroni e lacune, cos→−cos sotto k→k+(π/a,π/a)),
il riempimento a metà corrisponde a
εF=ε0,coskxa+coskya=0.
La condizione coskxa+coskya=0 è un quadrato ruotato di 45° (losanga) i cui
vertici toccano la zona di Brillouin nei punti X=(±aπ,0) e (0,±aπ).
A T=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 nestingQ=(π/a,π/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 cosu≃1−u2/2 attorno a Γ:
🔑Approssimazione parabolica al minimo
ε(k)≃ε0−4t+ta2(kx2+ky2)=εmin+ta2k2
Confrontando con l’elettrone libero ε=k2/(2m\*) si legge la massa efficace
(in unità atomiche, me=1):
m\*=2ta21(in a.u.).
🧩Massa efficace per $a=2$ a.u.
m\*=1/(2⋅0,1353⋅4)=0,92 a.u. ≈me: vicino al minimo l’elettrone è
quasi libero. Una banda larga (t grande) → massa piccola → elettrone mobile; banda
stretta (t piccolo, a grande) → massa grande → elettrone pesante.
Finché lo sviluppo è una buona approssimazione (ka≪1), le curve
ε(k)=cost sono circonferenze (disperzione isotropa,
tipo elettrone libero). Attorno al massimo M vale lo stesso risultato per le lacune
(mbuca\*=1/(2ta2), curvatura opposta).
4) Profilo della banda Γ→X→M→Γ
Punti notevoli della zona di Brillouin: Γ=(0,0), X=(π/a,0), M=(π/a,π/a).
🔑Energie nei punti notevoli
ε(Γ)=ε0−4t,ε(X)=ε0,ε(M)=ε0+4t
(X=(π/a,0): cosπ=−1, cos0=1 → somma nulla → ε0.)
Il profilo lungo il cammino Γ→X→M→Γ è quindi:
Γ→X: da εmin a ε0 (monotono, kx cresce da 0 a π/a);
X→M: da ε0 a εmax (ky cresce da 0 a π/a);
M→Γ: da εmax a εmin (entrambi i coseni tornano a +1).
Il livello di FermiεF=ε0 attraversa la banda proprio in X (e,
lungo la diagonale M→Γ, nel punto medio) — consistente con la losanga del punto 2.
Monovalente → mezza banda → εF=ε0; superficie di Fermi = losanga per coskxa+coskya=0
Massa efficace al minimo: m\*=1/(2ta2) (a.u.); curve ε=cost → circonferenze
Sintesi
Grandezza
Espressione
Valore per a=2 a.u.
Hopping t
e−a/a0
0,1353 a.u.
Banda ε(k)
ε0−2t(coskxa+coskya)
—
εmin (Γ)
ε0−4t
−0,591 a.u.
εmax (M)
ε0+4t
+0,491 a.u.
Ampiezza W
8t
1,08 a.u. ≈ 29 eV
Livello di Fermi
ε0 (mezza banda)
−0,05 a.u.
Superficie di Fermi
losanga nei punti X
—
Massa efficace m\*
1/(2ta2)
0,92 me
💡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” e “antilegante al bordo di BZ”.