Metallisidos
Metallisidos on kiteen kollektiivinen koheesio, jossa valenssielektronit ovat delokalisoituneet monien atomikeskusten yli. "Elektronimeri" antaa hyvän intuition, mutta kaistateoria selittää tarkemmin johtavuuden, optiikan, magnetismin ja metallin eron puolijohteesta.
Delokalisaatio
Kun suuri määrä atomiorbitaaleja limittyy periodisessa hilassa, yksittäiset tasot jakautuvat hyvin tiheäksi joukoksi. Elektronit voidaan kuvata koko kiteeseen ulottuvina aaltotiloina.
Energiakaistat
Lähekkäiset tilat muodostavat kaistoja. Osittain täyttynyt kaista tai kaistojen päällekkäisyys antaa tyhjiä tiloja hyvin lähelle miehitettyjä tiloja ja mahdollistaa nopean vasteen sähkökenttään.
Fermi-taso
Alhaisessa lämpötilassa tilat täyttyvät Fermi-energian tienoille. Sähköiseen kuljetukseen osallistuvat erityisesti tämän rajan lähellä olevat elektronit ja vapaat tilat, eivät kaikki elektronit yhtä paljon.
Vastus
Kenttä muuttaa kantajien jakaumaa, mutta fononit, epäpuhtaudet ja hilavirheet sirottavat elektroniaaltoja. Tämän vuoksi todellisella metallilla on rajallinen resistiivisyys.
Muokattavuus
Metallisidos on verraten suuntaamaton. Dislokaatiot voivat liikkua ja atomitasot liukua ilman, että kaikki koheesio katoaa. Tämä auttaa selittämään metallien plastisuutta.
Optinen vaste
Johtavuuselektronit heijastavat monia taajuuksia tehokkaasti. Tarkka kaistarakenne voi kuitenkin aiheuttaa valikoivia absorptioita ja antaa kuparin tai kullan kaltaisia tunnusvärejä.
Lämpötila
Monissa metalleissa resistiivisyys kasvaa lämpötilan mukana, koska hilavärähtelyt lisäävät sirontaa. Hyvin matalissa lämpötiloissa osa aineista siirtyy suprajohtavaan kvanttitilaan.
Seokset
Vieraat atomit muuttavat sekä hilaa että elektronien sirontaa. Seos voi olla kovempi ja korroosionkestävämpi mutta sähköisesti heikommin johtava kuin puhdas metalli.
Metalli ja puolijohde
Ratkaiseva ero on Fermi-tason lähellä olevien sallittujen tilojen rakenne. Puolijohteessa pieni energiaväli voidaan ylittää lämpötilan tai dopingin avulla; eristeessä väli on suurempi.
Fermi-taso ja sähkönjohtavuus
Metallissa ratkaisevia ovat elektronit, joiden tilat ovat lähellä Fermi-tasoa. Sähkökenttä ei kiihdytä kaikkia sidoselektroneja samalla tavalla, vaan muuttaa hieman juuri näiden miehitettyjen ja vapaiden tilojen jakaumaa. Sironta fononeista, epäpuhtauksista ja hilavirheistä rajoittaa virran kulkua. Siksi seostaminen voi kasvattaa mekaanista lujuutta mutta samalla lisätä resistiivisyyttä. Johtavuus on siis sidoksissa sekä bändirakenteeseen että kiteen todelliseen mikrostruktuuriin.
Harjoitus
Miksi elektronimeri-malli on hyödyllinen mutta epätäydellinen?
Ratkaisu
Se kuvaa delokalisaation, mutta ei kaistoja, Fermi-tasoa eikä sirontamekanismeja, joita tarvitaan johtavuuden kvantitatiiviseen selitykseen.