02 Teoría Del Electrón Libre en Sólidos
-
Upload
juan-pablo-madrigal-cianci -
Category
Documents
-
view
222 -
download
0
Transcript of 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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
=τ
)(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
xω
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
=α
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
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
xω
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
=α
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
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
xω
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
=α
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
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
xω
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
=α
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
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
xω
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
=α
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
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
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
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
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