9 : physique de la matière condensée
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Dans ce chapitre, nous examinons les applications de la mécanique quantique à des systèmes plus complexes, tels que les molécules, les métaux, les semi-conducteurs et les supraconducteurs. Nous passons en revue et développons les concepts des chapitres précédents, y compris les fonctions des ondes, les orbitales et les états quantiques. Nous introduisons également de nombreux nouveaux concepts, notamment la liaison covalente, les niveaux d'énergie de rotation, l'énergie de Fermi, les bandes d'énergie, le dopage et les paires de Cooper.
- 9.1 : Prélude à la physique de la matière condensée
- Depuis des siècles, les solides cristallins sont prisés pour leur beauté, notamment les pierres précieuses comme les diamants et les émeraudes, ainsi que les cristaux géologiques de quartz et de minerais métalliques. Mais les structures cristallines des semi-conducteurs tels que le silicium ont également rendu possible l'industrie électronique d'aujourd'hui. Dans ce chapitre, nous étudions comment les structures des solides leur confèrent des propriétés allant de la résistance et de la transparence à la conductivité électrique.
- 9.2 : Types de liaisons moléculaires
- Les molécules se forment par deux types principaux de liaisons : la liaison ionique et la liaison covalente. Une liaison ionique transfère un électron d'un atome à un autre, et une liaison covalente partage les électrons. Le changement d'énergie associé à la liaison ionique dépend de trois processus principaux : l'ionisation d'un électron d'un atome, l'acceptation de l'électron par le second atome et l'attraction coulombienne des ions résultants. Les liaisons covalentes impliquent des fonctions d'ondes symétriques dans l'espace.
- 9.3 : Spectres moléculaires
- Les molécules possèdent de l'énergie vibratoire et rotationnelle. Les différences d'énergie entre les niveaux d'énergie vibratoire adjacents sont plus importantes que celles entre les niveaux d'énergie de rotation. La séparation entre les pics d'un spectre d'absorption est inversement liée au moment d'inertie. Les transitions entre les niveaux d'énergie vibratoire et rotationnelle suivent les règles de sélection.
- 9.4 : Liaison dans des solides cristallins
- Les structures d'emballage des sels ioniques courants incluent le FCC et le BCC. La densité d'un cristal est inversement proportionnelle à la constante d'équilibre. L'énergie de dissociation d'un sel est importante lorsque la distance de séparation à l'équilibre est faible. Les densités et les rayons d'équilibre des sels communs (FCC) sont quasiment les mêmes.
- 9.5 : Modèle électronique libre des métaux
- Les métaux sont conducteurs d'électricité, et l'électricité est composée d'un grand nombre d'électrons qui entrent en collision aléatoire et d'électrons approximativement libres. Les états énergétiques autorisés d'un électron sont quantifiés. Cette quantification apparaît sous la forme de très grandes énergies électroniques, même à\(T = 0 \space K\). Les énergies autorisées des électrons libres dans un métal dépendent de la masse électronique et de la densité du nombre d'électrons du métal.
- 9.6 : Théorie des bandes pour les solides
- Les niveaux d'énergie d'un électron dans un cristal peuvent être déterminés en résolvant l'équation de Schrödinger pour un potentiel périodique et en étudiant les modifications de la structure énergétique des électrons lorsque les atomes sont rapprochés à distance. La structure énergétique d'un cristal est caractérisée par des bandes d'énergie continues et des écarts d'énergie. La capacité d'un solide à conduire l'électricité dépend de la structure énergétique du solide
- 9.7 : Semi-conducteurs et dopage
- La structure énergétique d'un semi-conducteur peut être modifiée en substituant un type d'atome par un autre (dopage). Le dopage de type N des semi-conducteurs crée et atteint de nouveaux niveaux d'énergie juste en dessous de la bande de conduction. Le dopage de type p des semi-conducteurs crée de nouveaux niveaux d'énergie juste au-dessus de la bande de valence. L'effet Hall peut être utilisé pour déterminer la charge, la vitesse de dérive et la densité du nombre de porteurs de charge d'un semi-conducteur.
- 9.8 : Dispositifs à semi-conducteurs
- Une diode est produite par une jonction n-p. Une diode permet au courant de se déplacer dans une seule direction. Dans une configuration à polarisation directe d'une diode, le courant augmente de façon exponentielle avec la tension. Un transistor est produit par une jonction n-p-n. Un transistor est une vanne électrique qui contrôle le courant dans un circuit. Un transistor est un composant essentiel des amplificateurs audio, des ordinateurs et de nombreux autres appareils.
- 9.9 : Supraconductivité
- Un supraconducteur se caractérise par deux caractéristiques : la conduction d'électrons sans résistance électrique et la répulsion des lignes de champ magnétique. Une température minimale est requise pour que la supraconductivité se produise. Un champ magnétique puissant détruit la supraconductivité. La supraconductivité peut être expliquée en termes de paires de Cooper.
Miniature : Structure du cristal diamanté. L'atome de carbone unique représenté par la sphère bleu foncé est lié de manière covalente aux quatre atomes de carbone représentés par les sphères bleu clair.