Квантовые точки: физическое содержание и интерпретация

с
, которая у ковалентных кристаллов достаточно велика (у углерода 
u
с
=3,68 эВ, у германия u
с
=2,32 эВ, у кремния и
с
=1,94 эВ).

---

О состоянии электронов в кристалле можно судить по величине 
потенциала ионизации и/или по величине электрической проводимости. 
Кристаллы углерода, германия и кремния имеют одинаковую тетраэдрическую 
структуру решетки, тем не менее, углерод (алмаз) относят к классу 
диэлектриков, а германий и кремний – к классу полупроводников. Такое не 
совсем обоснованное отнесение связано с наблюдаемой у кристаллов германия 
и кремния относительно высокой собственной проводимости. С другой 
стороны, достоверно установлено, что образование атомных соединений, 
молекул и кластеров осуществляется исключительно через посредство 
ковалентных связей, которые исключают возникновение в объеме вещества 
свободных зарядов. Этот вывод непосредственно следует из ковалентной 
структуры кристаллов. Критерием отсутствия в кристалле свободных зарядов 
могут служить высокие потенциалы ионизации кремния и германия в 
атомарном состоянии (Ge и Si), которые весьма незначительно изменяются при 
переходе к связанному молекулярному состоянию (Ge
2
и Si
2
) [1] и 
кристаллическому состоянию. Об этом также можно косвенно судить по 
имеющимся экспериментальным величинам работы выхода и
в
(у кремния и 
германия и
в 
≈4,8 эВ [14]). По этим показателям у твердых веществ не может 
быть свободных электронов даже в ничтожных количествах. С другой стороны, 
как уже было отмечено, германий и кремний имеют конечную собственную 
проводимость. Соответствующая наблюдаемой в эксперименте проводимости 
энергия активация и
а 
равна и
а
=0,78 эВ у германия и и
а
=1,1 эВ у кремния. 
Противоречие 
снимается 
в 
альтернативной 
модели 
электронной 
проводимости, основанной на гипотезе переноса электронов по межатомным и 
межмолекулярным связям. Наиболее просто такой механизм проводимости 
можно представить на примере атомных веществ с ковалентными связями. 
Благодаря пространственному перекрыванию электронных оболочек валентные 
электроны могут перескакивать с одной орбиты на другую, преодолевая 
соответствующий 
энергетический 
барьер [10]. 
Высота 
этого 
барьера 
определяется не энергией ионизации, а энергией связи между соседними 

---

электронными орбитами. У кристаллов углерода эта энергия достаточно велика 
и его проводимость исключительно низка. У кремния и последующих по 
IV группе атомов энергия существенно меньше углерода, что приводит к 
возникновению межсвязевой проводимости.
Идея переноса электронов по связям не нова; такой механизм выявлен у 
большинства биологических молекул [10]; установлено, что подвижность 
электронов по связям у них в ряде случаев оказывается даже большей, чем 
проводимость лучших металлов. Электронная проводимость обнаружена в 
углеродных структурах [16]. По-видимому, она является универсальной и 
применимой ко всем классам веществ. Данная модель является физически 
обоснованной и совместимой с хорошо разработанным прыжковым 
механизмом переноса заряда. Для описания явления проводимости применимы 
простые кинетические уравнения с характерной для активационных процессов 
экспоненциальной зависимостью энергии связи и
а
от температуры; эта энергия 
представляет активационный барьер, разделяющий между собой близлежащие 
орбиты валентных электронов. К этому следует добавить еще и то, что у атомов 
IV группы достаточно большая величина энергии сродства к электрону, которая 
обеспечивает формирование сигнала обратной связи в системе поддержания 
динамической устойчивости системы. Существенным для доказательства 
электронного переноса по связям представляется и тот факт, что энергия связи 
атомов в димерах, многочастичных кластерах и веществе остаются 
приблизительно на одном уровне [16], что свидетельствует об отсутствии 
каких-либо фазовых переходов в процессе формирования структуры вещества. 
Межсвязевый 
механизм 
проводимости 
атомов 
IV группы 
фактически 
подтверждается высокими величинами теплопроводности и теплоемкости [6]. 
Перенос электронов по связям близок по своей природе к движению 
электронов по замкнутым орбитам атомов и позволяет естественным образом 
объяснить сверхбольшие длины свободного пробега электронов [6, 3] у веществ 
с самой разной атомно-молекулярной структурой. В этом отношении и явление 
сверхпроводимости представляется не таким уж загадочным и может 

---

рассматриваться как бездиссипационное движение электронов по связям с 
нулевыми барьерами.
Т. о., для веществ с ковалентными связями характерны следующие 
энергетические величины: 1) энергия связи и
с
между атомами, которая 
характеризует механическую прочность и устойчивость вещества в целом; 2) 
энергия связи и
в
электронов с остовом атома (соответствующая измеряемой 
величине потенциала ионизации), которая характеризует степень локализации 
электронов на атомах и соответственно вероятность наличия в объеме 
кристалла свободных электронов; 3) энергия активации и
а 
межорбитальных 
барьеров, которая характеризует подвижность электронов на связях. Каждая из 
этих энергетических величин отвечает за разные аспекты взаимодействия 
каждого из электронов с его ближайшим окружением в кристалле. В рамках