02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

71
7/23/2019 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos http://slidepdf.com/reader/full/02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1/71 Modelo del electrón libre Marzo, 2012 O. Morán Departamento de Física, Universidad Nacional de colombia, sede Medellín

Transcript of 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

Page 1: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 171

Modelo del electroacuten libre

Marzo 2012

O MoraacutenDepartamento de Fiacutesica UniversidadNacional de colombia sede Medelliacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 271

Metales

Propiedades fiacutesicas comunes

bull dureza fiacutesica gtgtbull σ and K gtgtbull densidad gtgt

bull reflectividad oacuteptica gtgt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 371

Na (gas)

Nanuacutecleo

11 e-

1s22s22p63S1

aacutetomos libres

2 primeras capas llenasrArrestructura estable1 e- valenciararrcapa 3

r ~19 Aring

e- de conduccioacuten

e- de conduccioacuten

core

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 471

core

solapamiento deorbitales 3S

e- 3Srarrdelocalizado

Na metaacutelico rArr rarrbcc

vecinos +proacuteximos 37 Aring

aacutetomo libre e- 3Srarr e- de valencia

soacutelido e- 3Srarr e- de conduccioacuten

reacciones quiacutemicas Na cede e-rArrNa+ Ej Na+Cl-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 571

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 2: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 271

Metales

Propiedades fiacutesicas comunes

bull dureza fiacutesica gtgtbull σ and K gtgtbull densidad gtgt

bull reflectividad oacuteptica gtgt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 371

Na (gas)

Nanuacutecleo

11 e-

1s22s22p63S1

aacutetomos libres

2 primeras capas llenasrArrestructura estable1 e- valenciararrcapa 3

r ~19 Aring

e- de conduccioacuten

e- de conduccioacuten

core

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 471

core

solapamiento deorbitales 3S

e- 3Srarrdelocalizado

Na metaacutelico rArr rarrbcc

vecinos +proacuteximos 37 Aring

aacutetomo libre e- 3Srarr e- de valencia

soacutelido e- 3Srarr e- de conduccioacuten

reacciones quiacutemicas Na cede e-rArrNa+ Ej Na+Cl-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 571

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 3: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 371

Na (gas)

Nanuacutecleo

11 e-

1s22s22p63S1

aacutetomos libres

2 primeras capas llenasrArrestructura estable1 e- valenciararrcapa 3

r ~19 Aring

e- de conduccioacuten

e- de conduccioacuten

core

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 471

core

solapamiento deorbitales 3S

e- 3Srarrdelocalizado

Na metaacutelico rArr rarrbcc

vecinos +proacuteximos 37 Aring

aacutetomo libre e- 3Srarr e- de valencia

soacutelido e- 3Srarr e- de conduccioacuten

reacciones quiacutemicas Na cede e-rArrNa+ Ej Na+Cl-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 571

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 4: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 471

core

solapamiento deorbitales 3S

e- 3Srarrdelocalizado

Na metaacutelico rArr rarrbcc

vecinos +proacuteximos 37 Aring

aacutetomo libre e- 3Srarr e- de valencia

soacutelido e- 3Srarr e- de conduccioacuten

reacciones quiacutemicas Na cede e-rArrNa+ Ej Na+Cl-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 571

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 5: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 571

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 6: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 671

e- conduccioacuten rArrvalencia and ρ

Na rarre- conduccioacuten = aacutetomosK Cu Ag Au rarrmonovalentes

Be Mg Zn Ca rarrdivalentes

e-

conduccioacuten =2 aacutetomos

rArr

ρ equiv densidadrArr( ρ M )NAequivconcentracioacuten aacutetomica (N )

M equivpeso aacutetomicoN Aequiv Avogadro

N= (Z v ρ NA) M N= (Z v ρ NA) M Z v equivvalencia

grcm3 grmol)aacutetomos =aacutetomosmol cm3

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 7: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 771

Gas de e- libres

e- rarrcompleta libres excepto por φx

U vaciacuteometal

φ

φrarrconfina e- en el interior del cristalmodelo e- libre e- conduccioacuten mueven sin

colisiones (excepto reflexioacuten en la superficie)e- libresequivmoleacuteculas gas ideal

rArrgas de e- libres

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 8: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 871

fuerte rArre-rarr colisiones frecuentesrArr gas e- equivgas no ideal

alternativamente

e-

vdarr

InteraccioacutenequivU Coulomb apantallado de corto alcance

r gtgt

r gtgtrArrinteraccioacutenrarrdeacutebil

Interaccioacuten e--ioacuten e--e-deacutebil

ioacuten e-F F

e- e-

rArr

mecaacutenica cuaacutenticararrU repulsivorArr iteraccioacuten Coulomb

U netorarr seudopotencialrarrdeacutebil (ltlt en metal Alcalinos)

ioacutenU

probabilidad gt

xxrsquo e-

e-

ioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 9: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 971

Interaccioacuten e--e- deacutebil

Razones1 Principio de exclusioacuten de Pauli d dgtgt

d dgtgt

Minimizar E si dltlt rArr e--e-rarr cerca rArrU gtgt

sistema e- menor E posible rArr

2 Principio de E miacutenima

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 10: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1071

e-hueco de Fermi (deficiencia de e-)

r

Matemaacuteticamente

r asymp1 Aring valor exacto = f(concentracioacuten e-)

E ne 0

mtoconjunto e-+hueco

e-

r

e-

r

e-

r e-

r

e- r

e-r

e-r

e-r

e- r 1 2

apantallan interaccioacuten entre 1 and2 rArr

Interaccioacuten ltlt

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 11: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1171

Gas de e- =gas ordinario

gas ordinario N asymp1025 moleacuteculasm-3

gas e- N asymp1029 e- m-3

e- rarr16x10-19 c rArrgas e- rarrplasma

gas ordinario q =0 rArr gas neutro

gas e-

libres en metalequiv plasma densogas e-

libres en metalequiv plasma denso

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 12: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1271

Conductividad eleacutectrica (modelo de Drude)

L

A

I = V R J = I A EL=V R = ρL A σ = 1 ρ

Relaciones macroscoacutepicas

J = σ E rarrley de Ohm

I V 2 V 1

V=V 2-V 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 13: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1371

σ un fenoacutemeno microscoacutepico

colisioacuten e-rarr resto del medio

qE F minus=τ

vmF friccioacuten

~ minus

τrarr tiempo de colisioacuten

vmeE

dt

dvm

minusminus=

mrarrmasa efectiva (interaccioacuten e-rarrred)

ecuacioacuten dinaacutemica para los e-

rArrI ne0E ne0rArr

vrarr velocidad del e-

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 14: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1471

Teoriacutea cineacutetica colisioacutenrarrevento instantaneo rArr

cambio abrupto de v e-

solucioacuten en estado estacionario dv dt=0

m

E ev

minus=rArr rarrv e- en estado estacionario

e- de deriva

E

V

vd equiv v de deriva

=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 15: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1571

vd rarr superpuesta a vr (v aleatoria)

p

E =kBT vr

E =0 I =0vr gtgt vd

E ne0rarrvr exist

centros de dispersioacuten

I ne0

pero v neta ne0=v d rArr

dispersioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 16: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1671

Caacutelculo de J netaCaacutelculo de J neta

(-Ne-

)rarrcargaV moviendose con vd rArr J || vd

( ) ( ) E m

e N

m

E e

Nev Ne J d

2

τ τ

=

minus

minus=minus=

minusminus

N (vddt )A equiv e- cruzando A perp flujo

en dt rarre- recorren ℓ =vddt en direccioacuten vd rArr

N e- vdAdt equiv carga cruzando A en dt

rArr

2

m

Ne

E J

τ

σ σ =rArr=

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 17: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1771

τ equiv t de relajacioacutenequiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ gtgt rArr e- acelerado por E durante t gt rArrvd gt

τ equiv t de relajacioacuten E aplicado durante un t 0 rArr vd0

en t E =0 rArr τ vmeE

dt dvm minusminus=

τ

vm

dt

dvm minus=rArr

τ

0)(

t

d d evt v

minus

=

vdvd0

t

τsim 10-14 s

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 18: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1871

τ equiv t entre 2 colisiones sucesivas

τ = ℓ vr

rArr

r vm

Ne

2l

=rArrσ

ℓ equiv distancia entre 2 colisiones sucesivasℓ equiv camino libre medio

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 19: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 1971

107x107 46 X1028 09 x10-14 13 x 106 110 47 37 12

211 25 31 11 350 31 25 12

139 13 43 085 370 21 19 11

08 11 275 08 220 18

05 085 075 160 15

588 845 27 16 420 7 7 1

621 585 41 14 570 55

455 59 29 14 410 55169 131 182 94 11 085

138 928 162 75

01

365 1806 202 116 118067 153 191 103

114 115 174 86

)( 11 minusminusΩ mσ )(

3minusm N )(sτ ) ( smV

F )( Al )(ev E

F vF E obs E )(0

m

mm =

LiNa

K

Rb

Cs

Cu

Ag

AuZnCd

Hg

AlGa

In

~300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 20: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2071

Metales σ m asymp 5 x 107Ω-1m-1

SC σ SC asymp 1 Ω-1m-1

Solucioacuten

Metales N asymp 1029

m-3

rarr V r asympV Fasymp106

ms-1

SC N asymp 1020 m-3 rarrV r asymp104 ms-1

Magnitudes de V r y V dV r asympV Fasymp106 ms-1

rArr== 2 )2 3( 2vmT k E B

2 1

3

=m

T k v B

r

lowastminus=m

E evd τ e- ~10-19 C

τ ~10-14 sm asymp10-30 kg

E ~10 Vm

rArrvd ~10-2 ms

vd vr ~10-8 ms

m asympm 0 5

SC

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 21: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2171

Efecto Joule

W disipadaasympW absorbida (e- del E )

W absorbida =Fv

2

2

)( E m

nem E eeE N NFvW d esistemaabs

τ τ =

minusminus==

lowastminus

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 22: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2271

τ hArr F friccioacuten

rArr ℓ gt20 a

Origen de τ

colisioacuten e--red

P e- darrExperimento

Asmsvl r 21614 101010 asymptimesasymp= minusminusτ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 23: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2371

e- ondas de materia

M cuaacutenticar

e

vm

hlowast=minusλ

dispersioacuten

iones absorben E de la ondarArr radiaacuten nueva

direccioacuten intensidad no modificadas

red perioacutedica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 24: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2471

red regular no dispersadifracta la onda(Rx n0 e-)

excepto cuando condicioacuten Bragg se cumple

red perioacutedica de iones no dispersa e-conduccioacuten

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 25: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2571

En una red cristalina perfecta

experimentalmenteperiodicidad perfecta de la red

983139983137983157983155983137983155983098 983158983145983138983154983137983139983145983283983150 983156983273983154983149983145983139983137983084

983145983149983152983141983154983142983141983139983139983145983151983150983141983155 983145983149983152983157983154983141983162983137983155

rArr infinequivrArrinfin=rarrinfin=rArr σ l

deg

Α210~l

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 26: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2671

s14

10minus

asymprArrτ

Na

τ

ρ 1

2

Ne

m=

Comportamiento lineal

equiv300 K

rarrexist 1014

colisiones s

equivτ

1probabilidad e- sea dispersadot

Na

f li i i f i d l d

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 27: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2771

e- rarrsufre colisioneshArr imperfecciones de la red

Desviaciones de la perfeccioacuten de la red cristalina Vibraciones de la red (fonones)

Imperfecciones estaacuteticas (impurezas defectoscristalinos )

τ τ τ impureza fonon

111+=

)(1

T f

fonon

)(11

2

2

T

fonon

Ne

m

imp

Ne

m fononimp ρ ρ ρ

τ τ +=+=rArr

)(1

T f

impu

=

τ

Mecanismos

independientes

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 28: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2871

equivimp ρ

equiv fonon ρ

00 cteK T imp fonon fonon ==rArrrarrrArrinfinrarrrArrrarr ρ ρ

uarruarrrArr )(T T fonon ρ

)(T fonon ρ ρ asymp

equiv+= )(T fononimp ρ ρ ρ

T T fonon prop)( ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 29: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 2971

Expresiones para τ i τ ph

1Colisioacuten con impurezas e-rarr

seccioacuten eficaz de dispersioacuten equivaacuterea del aacutetomo

Teoriacutea cineacutetica de gases

r

ii

v

l=rArr τ

equivΩrArr i

ii

i N Ω

= 1

l

1=Ω iii N l

r ii

iiv N Ω

=rArrΑΩ 1

1~ 2 τ

ii N ~ ρ

i

i

i Ne

m

τ ρ 1

2

=

esfera

riacutegida

reemplazando τ i en rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 30: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3071

Caacutelculo de τ ph

asymp 983265983154983141983137 983140983141983148 983145983283983150

r

ph

phν

τ l=

1=Ω ionion ph N l

ionΩ

rarrbullminuse uarr

darr

Ωion

2 xion π asympΩrArr

ionion

ph

N Ω

= 1

l

xrarrequilibrio

T k B seccioacuten transversal de dispersioacuten

Calc lo de 2

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 31: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3171

Calculo de

Ioacuten equivoscilador armoacutenico

Introduciendo

sustituyendo

2 x

12

1 2

minus

=Ε =rArrT k Be

α h

h

E D or= E B E k θ =h

( )1

1 minusT ph

E eT

θ α ρ

( ) ( ) T T T

T T ph

E

ph E ~~ ρ θ

ρ θ rArrrArrgtgt

phion

phe N

m

τ ρ

12

= rArr

m equivM (masa del ioacuten)

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 32: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3271

T ltltExperimento RazoacutenMEinsteinrarrmto de iones vecinos

Solucioacuten modelo de Debyeexist desviaciones regla de MattiessenEj Efecto Kondo

Dispersioacuten adicional de e- por

( ) T

E

eT ph

θ

ρ

minus

~~

5T T darr

Fe

FeimpCu +

Independiente

ρ ρ

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 33: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3371

desviaciones regla de Mattiessen

particularidades en la estructura de bandasde e- de conduccioacuten

rArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 34: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3471

Capacidad caloriacutefica de los e- de conduccioacuten

cumplen leyes claacutesicas

modelo e- libre rArr e- rarrpartiacuteculas libres

1 Mecaacutenica

2 Magnetismo3 M Estadiacutestica

Colisiones en el modelo e- libre hArrQMCapacidad caloriacutefica e- de conduccioacuten

rArr

Caacutel l d l id d l iacutefi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 35: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3571

Modelo Drude-Lorentz

TCgases partiacutecula libre en equilibrio a T T k E B2

3gt=lt

RT T k N E B A2

3

2

3=

=

molK cal RT E C e 323 ][ asymp=partpart=minus

minus+=

e ph

C C C

molK cal R R RC T 954

2

33 asymp=+=gtgtrArr

Caacutelculo de la capacidad caloriacutefica

rArrmol

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 36: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3671

Experimento

Explicacioacuten QMrarrE e-rarr cuantizada

2

3 RC e ltminus

= minusminus RC e

2

310 2

molK cal RC 63 asympasymp

eV E F 5~

equiv

gt

lt==

F

F

T E E

E E E f

0

1)( 0

Mediciones exactas rArr

1

P E Pauli

T =0

prob el nivel con E

ocupado por 1 e-

E F

T =0 K

T ne0 K

f(E )

E

E F

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 37: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3771

T gt 0 K rArr e- son excitados

E teacutermica absorbida x 1 e-~kBT asymp25 meVltltE F

rArr

E no compartida igualmente x todos e-

tratamiento claacutesico

ne

e- con E ltlt E Frarrno absorben E

a 300 K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 38: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3871

proacuteximos a

DiracFermi De

E f T k E E BF

minusequiv+

= minus 1

1)(

)(

excitados E F rarrminusthere4 e

1 )( gtgtminusrArrgtgt T k E E E E BF F

T k E T k E T k E B B BF Ceee E f

)( minusminus

==

distribu Maxwell-Boltzman

Evaluacioacuten de la E teacutermica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 39: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 3971

e- dentro de kBT de E Frarrexcitados

fraccioacuten e- afectados equiv (kBT E F)

rArr

Cada e- absorbe en promedio kBT

rArr e- excitadosmol= NAkBT E F

rArr

F

B A

E

T k N E

2_ )(=rArr

Evaluacioacuten de la E teacutermica

kBT

E F

f(E )

E

k2_

part

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 40: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4071

F

B

e

E

T Rk

T

E C

2=

part

part=minus

C e-darr en kBT E F

Si E F=5 eV T =300 KrArrkBT E F=1200

E F=kBT FrArr C e-=2RT T F

E F=5 eVrArrT Fsim60000 KE F=5 eVrArrT Fsim60000 K

rArr C e- =C e- claacutesicohArrT =T F

R RC T T T

T RC eF

F e 2

322 asymp=rArr=rArr= minusminus

C e-claacutesico=32RasympRrArr

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 41: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4171

Nota C e- sim T (funcion lineal)

C red sim cte (T gtgt)C red sim T 3 (T ltlt)

Caacutelculo exacto

F

B

e E

T Rk C

2

2π asympminus

Superficie de Fermi

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 42: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4271

Superficie de Fermi

e- equiv partiacuteculas libres E = (12)mv 2

Espacio de velocidades ejes v x v y v z

v x

v y

v F

v

esfera de FermiT =0

E F = (12)m v F2

V uacutenica

V direccioacuten

superficie de Fermi (E F)

SF no afectadaT pocos e- excitados

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 43: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4371

SF no afectadaT pocos e excitados

SFrArridentidad permanente independiente

SFrArrcaracteriacutestica fiacutesica real del metal

( ) )(32

3 22

2

N f E N m

E F F asymprArr= π h

N ~1023

cm3

rArrE Fasymp5 eV

16

2 1

2

102 minusasymp

= ms

m

E v F

F

h SF vF=f(T )

C d ti id d leacute t i

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 44: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4471

Conductividad eleacutectrica

v x

v

v xv

v xy

v yE=0 E ne 0

I =0

e- no

compensadosrArr I ne0 rArr

Interaccion e--red rArrSF esfeacuterica

v d =- (e-τ m )E

0

v dltlt v r rArr desplazamiento ltlt

Estimacioacuten de J

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 45: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4571

Estimacioacuten de J

v d =- (e-τ m )E

v d v F equiv fraccioacuten de e- no compensada

N (v d v F ) equiv concentracioacuten de e-

Cada e- rarrv F rArr J =- e- N (v d v F )(v F )=-N e- v d

J =(N e-2 τ F m)E

σ = N e-2 τ F m )σ = N e-2

τ F m

)

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 46: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4671

Modelo real de conduccioacuten eleacutectrica

Todos e-rArrmueven con v d (ltlt)

I rArrpocos e-

con v asympv F (gtgt)

2 aproximacionsrArrigual resultad

σ = N e-2 τ F m )

(1)

(2)

(2)rArr+ precisa conceptual

τ F=l F v F σ = N e-2 l F (T ) m v F

Claacutesica

Cuantica

Metal (300 K) l F asymp100 Aring

Relevancia de FS en fenoacutemenos de transporte

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 47: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4771

a a s a sp

I rArre- cercanos a FS

Transporte e-hArrpropiedades forma de FS

Modelo claacutesico y cuaacutentico rArrresultado similar

e- internosrArrirrelevantes

rArrprocedimiento claacutesicorArruacutetil

(τ = τ F)

Conductividad teacutermica en metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 48: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4871

Experimento

E F

T 2 T 1T 2 gtT 1

dx

dT K J Q minus=

K=K e-+K phMetales K phasymp10-2K e-

I e-=I e-

T 2 T 1EgtE E netarArrderecha

J netane0

(n e-gtgt)

Evaluacioacuten de K

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 49: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 4971

vlC K v3

1

=

F F

F

B

v E

T Nk

K l

=

22

23

1 π

F

Bve E

T Rk C 2

2

π =minus

R=NkB

v rarrv Fl rarr l F

τ F=l F v F

E F = (12)mv F2

F B T Nk m

K τ π 2

2

3

1=

Por unidad de V

R l d l K 50 l k

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 50: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5071

Reemplazando valores K asymp50 calmks

σ = N e-2 τ F m )

Le

k

T

K B equiv

=2

3

1 π

σ Nuacutemero de Lorenz

L= 58x10-9 calΩ sK2

ElementoElementoElementoElemento NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu AlAlAlAl CdCdCdCd NiNiNiNi FeFeFeFe

K [calmKs] 33 94 100 71 50 24 14 16

L[calΩ sK2] x10-9 58 54 56 59 47 63 37 55

Igual forall metales

Di i l l d L

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 51: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5171

Discrepancia en el valor de L

1 Uso de un modelo simplificado (e- libre)

2 Tramiento simplificado para calcular σ y K

Tratamiento refinado L=L(metal)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 52: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5271

e-

e-

ω

α

ω ωω ω C= e- B m ν C = ω ωω ω C 2π =28xB GHz

m equiv m e- libre

1 Resonancia ciclotroacutenica

[B]= kG

B

Si B= 1kGrArrν C = 28 GHz equiv Microondas

αequivcoef Absor

F = -e(v xB ) E =0

ωc

1 Resonancia ciclotroacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 53: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5371

e-

e-

B

Sentildeal e m

e- absorben energiacutea de E

ω ωω ω = ω ωω ω C

ω

Maacutexima

hArr

e- mueven sincronizados con oem

e- absorben durante todo el cicloe- resonancia ciclotroacutenicaω ωω ω = ω ωω ω C

ne

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 54: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5471

ω ωω ω neω ωω ω C e- absorben durante parte del ciclo

resto del ciclo e- fuera de fase

Energiacutea retorna a la oem

ω ωω ω Cτ gtgt1α

ω

bien definido hArr

e- hace varios ciclos en τ ωc

ω ωω ω Cτ asymp 1

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 55: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5571

ω ωω ω C no es uacutenica

ω ωω ω Cτ gtgt1Experimentalmente

ω ωω ω C uarrrArr B ~5 Tτ uarrrArr T ~5 K

R ciclotroacutenicarArrmedicioacuten de me- en metales y SC

ω ωω ω C= e- B m Precisioacuten de m =f(precisioacuten de ω ωω ω C y B)

Movimiento de e- de un metal en B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 56: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5671

2 Efecto Hall

x

+ + + + + +

- - - - - - - -

Bz

z

y

e-

e- J x

E Hv

Bz

E H

J x and

F L= q (vxB ) genera defleccioacuten de e-

[F L]= e- v xB direccioacuten -y

[F H]= e- E

H

direccioacuten +y

Estado estacionarioFH=FL e- EH= e- v B

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 57: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5771

Estado estacionarioF H= F L e E H= e v xB

E H= v xB equiv Campo Hall

En teacuterminos de cantidades medibles J x= N(-e-)v x E H= -(1Ne-)J xB

E H J xB= -(1Ne-)=RH equiv constante Hall

RH de metales comunes

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 58: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5871

ElementoElementoElementoElemento LiLiLiLi NaNaNaNa CuCuCuCu AgAgAgAg AuAuAuAu ZnZnZnZn CdCdCdCd AlAlAlAl

RH (RT)x10-10

[Vm3 AxWeber]-17 -25 -055 -084 -072 +03 +06 -03

R ( ) conduccioacuten por huecos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 59: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 5971

RH (+)rArrconduccioacuten por huecos

J x = J x ( B)rArr R = R ( B) hArr metales comunes

metales de transicioacuten R = R ( B)

Efecto de F L cancelado por F H rArre- fluyen horizontalf(B)

MRne0

Emisioacuten termoioacutenica

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 60: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6071

E F

φ

vacio

metal

e-

Funcioacuten trabaj

x

E termoioacutenica choques con partiacuteculas vecinas

E fotoeleacutectrico choques con fotones

n

W

W

Funciones trabajo de algunos metales

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 61: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6171

ElementoElementoElementoElemento WWWW TaTaTaTa NiNiNiNi AgAgAgAg CsCsCsCs PtPtPtPt

φ [eV] 45 42 46 48 18 53

Funciones trabajo de algunos metales

E de traslacioacuten teacutermica media= T k B2

3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 62: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6271

ltlt desprender 1 e-eV K E 21073)300( minustimes=

auacuten al rojo incandescente

E

f (E)

a cada T exist e- con E ~1 eV

rArr e- viajando desde dentro acercandose a lasuperficie pueden alcanzar φ

2

T uarrrArrfraccioacuten de e- en disposicioacuten de salir

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 63: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6371

T uarrrArrfraccioacuten de e en disposicioacuten de salir(en equilibrio) equiv T k Ben

φ minusprop uarr

rArr Ej que fraccioacuten de e- de una peliacutecula de Cssobre W estaacuten en condicioacuten de abandonar lasuperficie a 300 y 1000 K

φ W =136 eV = 22x10-19 J

)1000(1041

)300(1014

20

21

K eV T k

K eV T k

B

B

minus

minus

times=

times=

)1000(1051

)300(105

7

24

K e

K e

T k

T k

B

B

minusminus

minusminus

times=

times=φ

φ

rArr

Factor de Boltzman

en condicioacuten de no equilibrio teacutermico

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 64: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6471

A

C

U

j

j

U

T 1

T 2gt T 1

rArrpozo infinito cuadrado paradescribir e- en metales

φ =minus F vacio E E

rArrpozo de potencialrarraltura de barrera finita

e- con P grandeperpsuperficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 65: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6571

pueden abandonar el metal rArr

contribuyen a j s

Evaluacioacuten de J x(T )

d nev J =Si v d es homogenea rArr

generalizando al caso v d = v d (k )

( ) intsumgt

+gt

==

0)(

3 )(

2)(

k v

E E

x

k

x x

x

F

dk k ve

k vV

e J

φ π

Modelo del e - libre

densidad de estados en k rarrV (2π)3

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 66: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6671

( ) ])([

2

2

min3

T k E f k dk dk dk m

e J

xk x x z y x intint

infininfin

infinminus=

π

h

T k E

k

T mk k

x x

T mk k

z

T mk k

y x

BF

x

B x

B z B y

eek dk

edk edk m

e J

2

2 2

3

min

22

2222

4

int

intintinfin minus

infin

infinminus

minusinfin

infinminus

minus

times

=

h

hhh

π

intsum and x

ocupadosestados

x dk k v )(estados ocupados

rArr

rArr F Fermi-Dirac

x x k mv h=

rArrgtgt T k Bφ F Fermi-Diracrarr E Maxwell-Boltzman

rArr

T k E T k E B BF ee E f

)( minus=

IIIe

J timestimes=h

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 67: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6771

32134 I I I

m J x timestimes=

π

T k E

k

T mk k

x x BF

x

B x eek dk I 2

3min

22

intinfin minus= h

21 I I =

α π α == intint

infininfinminus

minusinfininfinminus

minus 222 2 y B y k y

T mk k y edk edk h

T mk B2

2h

Liacutemites de integracioacutenv yv z (-infininfin)

[(12) 2 ge E φ]

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 68: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6871

T k E

m E

T mk k

x

T k E

k

T mk k

x x

BF

F

B x BF

x

B x

eedk eek dk

] 2)[(

2 2 2

2 12

22

min

22

2

1

intint

infin

+

minusinfin minus

= h

hh

φ

g

v x[(12)mv 2 ge E

F+φ ]

m

k

m

p E x

F 22

)(222

hlele+φ

rArr

rArr T k BT k E

k

T mk k

x B BF

x

B x eT mk

eedk

2

2

min

22 φ minusinfin minus =int h

h

( ) T k

Bs BeT k

me J

2

3

4 φ π minus=h

Ecuacioacuten de Richardson-Dushman

3

24

h

Bmek A

π = A=120 Acm2K2factor universal

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 69: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 6971

h

m

k E x

F

2

)(22

hle+φ e- con rarr100 P escapar del soacutelido

auacuten para el gas de e- libres

φe-

MQ

E= φ rArr P transmisioacuten = 0

( ) 2 1) ( φ π +F B E T k rArr Efecto del escaloacuten introducir

J s darr

suposicioacuten para el caacutelculosobrela superficie

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 70: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7071

expuarrrArrgtgt x B J T k φ T ltT fusion

200 400 600 800 100012000

5x107

1x108

2x108 D ExpGro1 fit of Data1_D

J s [ A

c m

2 ]

T [K]

Fallas del modelo del e - libre

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red

Page 71: 02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos

7232019 02 Teoriacutea Del Electroacuten Libre en Soacutelidos

httpslidepdfcomreaderfull02-teoria-del-electron-libre-en-solidos 7171

RH (+) Be Zn Cd

σ = N e-2 τ F m )rArrσ ~N (1)

(2)

(3) FSrArrno esfeacuterica

Solucioacuten teoriacutea mas sofisticada

Interaccioacuten e--red