thumb|Gráfica que representa la densidad de estados frente a la energía para un gas de electrones libres tridimensional. La densidad de estados (DOS) en un sistema físico caracteriza el número existente de estados por cada intervalo de energía. En un sistema cuántico finito (partícula en un pozo) existe un número discreto de estados posibles de la energía, de modo que la densidad de estados será una distribución discreta; en cambio en sistemas infinitos las energías accesibles forman un continuo de modo que la densidad de estados formará también un continuo. La densidad de estados depende esencialmente del tipo de interacción del sistema (ya que es esta la que determina la cuantización de las energías). Es un concepto central en física estadística ya que el comportamiento de la densidad de estados marca el comportamiento del sistema.
En física de estado sólido y física de materia condensada, la densidad de estados (DOS del inglés "Density of states") de un sistema describe la cantidad de estados que se pueden ocupar en cada nivel de energía.
La densidad de estados se define como el número de estados del sistema () cuyas energías toman los valores comprendidos entre E y .
Matemáticamente se representa como una función de distribución de densidad de probabilidad, y generalmente es un promedio de los dominios de espacio y tiempo de los distintos estados ocupados por el sistema. La densidad de estados está directamente relacionada con las relaciones de dispersión de las propiedades del sistema. Una DOS (densidad de estados) alta en un nivel de energía específico quiere a decir que hay muchos estados disponibles para ser ocupados.
En general, la DOS de la materia es continua. Sin embargo, en sistemas aislados, como en el caso de los átomos o moléculas en fase gaseosa, la distribución de densidad es discreta. Las variaciones locales, generadas generalmente por distorsiones del sistema original, se conocen con el nombre 'densidad local de estados (LDOS).
Introducción En mecánica cuántica, las ondas, o partículas con comportamiento similar, pueden ocupar modos o estados con longitudes de onda y direcciones de propagación dictadas por el sistema. Por ejemplo, en algunos sistemas, el espacio inter atómico y la carga atómica de un material podrían permitir que solo existan electrones de ciertas longitudes de onda. En otros sistemas, la estructura cristalina de un material podría permitir que las ondas se propaguen en una dirección, evitando la propagación en otra dirección. A menudo, solo se permiten estados específicos. Por lo tanto, puede suceder que haya muchos estados disponibles para la ocupación en un nivel de energía determinado, mientras que no haya estados disponibles en niveles de energía diferentes.
Todos los estados de las bandas inferiores, conocidas como bandas de valencia, son ocupados por portadores de carga. En consecuencia, los estados de la banda de energía superior, conocida como capa de conducción, puede estar parcialmente ocupada. Estas bandas están separadas por una banda de energía prohibida cuyo valor mínimo es llamado gap.
Al observar la densidad de los estados de los electrones en el borde del gap en un semiconductor, para un electrón en la banda de conducción, un aumento de la energía electrónica hace que haya más estados disponibles para ser ocupados. Alternativamente, la densidad de estado es discontinua para un intervalo de energía, lo que significa que no hay estados disponibles para que los electrones ocupen dentro del intervalo de banda del material. Esta condición también significa que un electrón en el borde de la banda de conducción debe perder al menos la energía de separación de banda del material para pasar a otro estado en la banda de valencia.
Esto determina si el material es un aislante o un metal en la dimensión de la propagación. Conocer el número de estados en una banda también es útil para predecir las propiedades de conducción. En una estructura cristalina unidimensional, un número impar de electrones por átomo da como resultado una banda superior medio llena, de manera que hay electrones libres en el nivel de Fermi y, por lo tanto, un comportamiento propio en un metal. Por otro lado, un número par de electrones llena exactamente ciertos estados en las bandas, dejando el resto vacío. Si el nivel de Fermi se encuentra en un intervalo de banda ocupado, el material será un aislante o un semiconductor.
Dependiendo del sistema mecánico cuántico, la densidad de estados se puede calcular para electrones, fotones o fonones, y se puede dar en función de la energía o del vector de onda k. Para convertir entre el DOS (densidad de estados) como función dependiendo de la energía y el DOS como función dependiente del vector de onda, se debe conocer la relación de dispersión de energía específica del sistema entre E y k.
En general, las propiedades topológicas del sistema, como la estructura de las bandas, tienen un impacto importante en las propiedades de la densidad de estados. Los sistemas más conocidos, como el neutronio en las estrellas de neutrones y los gases de electrones libres en los metales (ejemplos de materia degenerada y gas de Fermi), tienen una topología euclidiana tridimensional. Los sistemas como los gases de electrones bidimensionales (2DEG) en capas de grafito y el efecto Hall cuántico en dispositivos tipo MOSFET, tienen una topología euclidiana bidimensional. Los nanotubos de carbono, el alambre cuántico y el líquido Luttinger, en cambio, tienen topologías unidimensionales. Es probable que los sistemas con topologías 1D y 2D se vuelvan más comunes, suponiendo que continúen los desarrollos en nanotecnología y ciencia de materiales.
Definición La densidad de estados es por definición la distribución cuya integral entre dos energías da el número existente de estados.
siendo D(E) la densidad de estados y N(E) el número de estados con energía menor o igual que E.
En general, la densidad de estados relacionada con el volumen V y, definiendo
,
considerando el cambio más pequeño permitido de k para una partícula en una caja de dimensión (), viene dada por:
siendo d la dimension espacial del sistema considerado, la distribución delta de Dirac, y k el vector de onda (vector del espacio recíproco). De esta manera, se obtiene, para una, dos y tres dimensiones respectivamente:
De manera equivalente, la densidad de estados también puede entenderse como la derivada de la función de partición microcanónica (es decir, el número total de estados con energía menor que E) con respecto a la energía:
El número de estados con energía (grado de degeneración) viene dado por:
donde la última igualdad solo se aplica cuando el teorema del valor medio para integrales es válido.
Simetría
Algunos sistemas de materia condensada poseen una simetría de su estructura en su escala microscópica que simplifica los cálculos de su densidad de estados. En los sistemas esféricamente simétricos, las integrales de la función son unidimensionales porque todas las variables en el cálculo dependen solo del parámetro radial de la relación de dispersión. Los fluidos, vidrios o sólidos amorfos son ejemplos de un sistema simétrico cuyas relaciones de dispersión tienen una simetría rotacional.
El estudio de las medidas en polvos o muestras policristalinas requieren funciones de evaluación y cálculo e integrales en todo el dominio, generalmente la zona de Brillouin, de las relaciones de dispersión del sistema. Si la simetría del sistema es alta, la forma de las funciones que describen las relaciones de dispersión del sistema aparecen muchas veces en todo el dominio de la relación de dispersión. En tales casos, el cálculo de la DOS se puede limitar a una zona reducida o dominio fundamental.
En la primera zona de Brillouin de la red FCC, un octaedro truncado, se muestra una alta simetría, de 48 veces del grupo de puntos con simetría octaédrica completa. Esta configuración significa que la integración en todo el dominio de la zona de Brillouin se puede reducir a una 48.ª parte de toda la zona de Brillouin. Los elementos con una estructura cristalina FCC, como el diamante, el silicio y el platino y sus zonas de Brillouin y sus relaciones de dispersión, tienen una simetría comparable a la zona de Brillouin de la red cúbica (FCC).
Otras dos estructuras cristalinas familiares son la red cúbica centrada (BCC) y las estructuras empaquetadas cerradas hexagonales (HCP) con redes cúbicas y hexagonales, respectivamente. La estructura BCC tiene la simetría de gran icosaedro (o piritoédrica) de 24 veces del grupo de puntos . La estructura HCP tiene la simetría diédrica prismática de 12 veces del grupo de puntos . Se puede encontrar una lista completa de las propiedades de simetría de un grupo de puntos en las tablas de caracteres del grupo de puntos.
En general, es más fácil calcular un DOS cuando la simetría del sistema es mayor y el número de dimensiones topológicas de la relación de dispersión es menor. El DOS de las relaciones de dispersión con simetría rotacional a menudo se puede calcular analíticamente. En sistemas anisotrópicos de materia condensada, como un solo cristal de un compuesto, la densidad de estados podría ser diferente en una dirección cristalográfica que en otra. Esto hace que la densidad anisotrópica de los estados sea más difícil de visualizar, y puede requerir métodos como calcular el DOS solo para puntos o direcciones particulares, o calcular la densidad proyectada de estados (PDOS) para una orientación de cristal particular.
Topologías del espacio k La densidad de los estados depende de los límites dimensionales del objeto mismo. En un sistema descrito por tres dimensiones (3D), las unidades de DOS son unidades de energía y volumen , mientras que en un sistema bidimensional las unidades de DOS son de energía y área . Finalmente, en un sistema unidimensional las unidades de DOS son de energía y longitud .
El espacio encerrado por la superficie de energía constante del sistema deriva a través de una relación de dispersión que relaciona E con k. La dimensionalidad del sistema limita el impulso de las partículas dentro del sistema.
Densidad de estados del vector de onda (volumen esférico) Primero se deben conocer los N estados permitidos en cierta k contenidos en el intervalo [k, k + dk] dentro del volumen del sistema. Este procedimiento se realiza diferenciando todo el volumen del espacio de k () en n dimensiones. El volumen, área o longitud, dependiendo si el sistema esta en tres, dos o una dimensiones respectivamente, de los espacios k esféricos se expresan mediante:
donde las constantes están determinadas topológicamente: , , para funciones lineales, de disco y de forma simétrica esférica en espacios k euclidianos de una, dos y tres dimensiones respectivamente.
De acuerdo con este esquema, la densidad de estados del vector de onda N se puede expresar como:
de tal manera que se obtiene y como densidad de estados del vector de onda para una línea, disco o esfera en una, dos y tres dimensiones respectivamente.
Un estado es lo suficientemente grande como para contener partículas que tienen una longitud de onda , que se relaciona con k a través de .
En un sistema cuántico, dependerá de un espaciamiento característico del sistema L que limita las partículas. Finalmente, la densidad de los estados N se multiplica por un factor , donde s es un factor de degeneración constante que explica los grados internos de libertad debido a fenómenos físicos como el giro (espín) o la polarización. Si no existe tal fenómeno, entonces . es el volumen en el espacio k cuyos vectores de onda son más pequeños que los vectores de onda más pequeños posibles decididos por el espaciado característico del sistema.
Densidad de estados de energía Para finalizar el cálculo para DOS, es importante también conocer el número de estados por unidad de volumen de muestra para una energía dentro de un intervalo . La forma general de DOS de un sistema se da como