Electron Band Structure

Die Elektronenbandstruktur beschreibt die erlaubten und verbotenen Energieniveaus von Elektronen in einem Festkörper. In einem Kristall sind die Elektronen nicht lokalisiert, sondern bewegen sich in einem Periodensystem von Potentialen, was zu einer diskreten Energieaufteilung führt. Die Bandstruktur ist entscheidend für das Verständnis von elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften von Materialien.

Ein Material kann in drei Hauptkategorien eingeteilt werden, basierend auf seiner Bandstruktur:

Leiter: Hier gibt es eine Überlappung zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, was den freien Fluss von Elektronen ermöglicht.
Halbleiter: Diese besitzen eine kleine Bandlücke ( $E_g$ ), die es Elektronen erlaubt, bei ausreichender Energie (z.B. durch Temperatur oder Licht) ins Leitungsband zu springen.
Isolatoren: Sie haben eine große Bandlücke, die eine Bewegung der Elektronen zwischen den Bändern stark einschränkt.

Die mathematische Beschreibung der Bandstruktur erfolgt häufig durch die Bloch-Theorie, die zeigt, wie sich die Energie eines Elektrons in Abhängigkeit von seinem Wellenvektor $k$ verändert.

Die Finite Volume Method (FVM) ist eine numerische Technik zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen, die häufig in der Strömungsmechanik und Wärmeübertragung angewendet wird. Bei dieser Methode wird das gesamte Berechnungsgebiet in eine endliche Anzahl von Kontrollvolumen unterteilt, in denen die Erhaltungsgesetze für Masse, Impuls und Energie angewendet werden. Die Hauptidee besteht darin, die Integrale dieser Erhaltungsgesetze über jedes Kontrollvolumen zu formulieren und sie in eine diskrete Form zu überführen, was zu einem System von algebraischen Gleichungen führt.

Ein wesentlicher Vorteil der FVM ist, dass sie die physikalische Erhaltung von Größen wie Masse und Energie gewährleistet, da die Flüsse an den Grenzen der Kontrollvolumen explizit berechnet werden. Die Methode ist besonders geeignet für Probleme mit komplexen Geometrien und in der Lage, mit nichtlinearen Effekten und starken Gradienten umzugehen. In der mathematischen Formulierung wird oft das allgemeine Transportgleichungssystem verwendet, das in Form von:

\frac{\partial}{\partial t} \int_{V_i} \phi \, dV + \int_{S_i} \phi \mathbf{u} \cdot \mathbf{n} \, dS = 0

dargestellt wird, wobei $\phi$ die

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