費米能表示0K時金屬基態系統電子所占有的能級最高的能量。物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）的名字，費米能是凝聚態物理學的核心概念之一。
基本介紹
在固體物理學中，一個由無相互作用的費米子組成的系統的費米能（E）表示在該系統中加入一個粒子引起的基態能量的最小可能增量。費米能亦可等價定義為在絕對零度時，處于基態的費米子系統的化學勢，或上述系統中處于基態的單個費米子的最高能量。費米能是凝聚態物理學的核心概念之一。
雖然嚴格來說，費米能級是指費米子系統在趨于絕對零度時的化學位；但是在半導體物理和電子學領域中，費米能級則經常被當做電子或空穴化學勢的代名詞。一般來說，“費米能級"這個術語所代表的含義可以從上下語境中判斷。
恩里科·費米能以提出此概念的美籍意大利裔物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）的名字命名。
解釋
根據量子力學理論，具有半奇數自旋量子數（通常為1/2）的費米子，如電子，遵循泡利不相容原理，即一個量子態只能被一個粒子所占據。因此，費米子在能級中的分布遵循費米-保羅·狄拉克分布。一個由無相互作用的費米子組成的系統的基態模型可按照如下的方法構造：從無粒子系統開始，將粒子逐個填入現有而未被占據的最低能量的量子態，直到所有粒子全部填完。此時，系統的費米能就是最高占據分子軌道（highest occupied molecular 軌道科學公司，縮寫為HOMO）的能量。在導電材料中，HOMO與最低未占據分子軌道（lowest unoccupied molecular orbital，縮寫為LUMO）是等價的。但在其它材料中，上述兩個軌道的能量會相差2-3電子伏。事實上這一能隙在導體中也存在，只是小得可以忽略而已。
自由電子氣
自由電子氣是借用理想氣體模型描述費米子系統性質的量子力學模型。該模型中，粒子所處的量子態可用它們具有的動量來表征。自由電子氣的費米面是一個球面；周期體系中的費米面則通常是扭曲面。費米面包圍的體積決定了系統中的電子數，而費米面的拓撲結構則與金屬的各種傳導性質（如電導率）直接相關。對費米面的研究有時被稱為“費米學”。自由電子氣的恩里科·費米能與化學勢之間存在一定的關系，當溫度遠低于費米溫度時，系統的化學勢與費米能近似相等。這在應用上是一個重要的結論，因為費米-狄拉克分布的表達式中出現的是化學勢，而不是費米能。
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