Metais de transição Condutores, isolantes e semicondutores

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Metais de transição 
Condutores, isolantes e semicondutores 
1° semestre 2015 
 Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
 Departamento de Química 
 
Profa. Alessandra Stevanato 
O PAPEL DA QUÍMICA NA ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
Ciência dos materiais: envolve a investigação das relações que existem entre as 
estruturas e as propriedades dos materiais. 
Engenharia de materiais: com base nas correlações estrutura-propriedade, 
produz um conjunto predeterminado de propriedades. 
 
Funções: 
Cientista de materiais: desenvolver ou sintetizar novos materiais. 
Engenheiro de materiais: cria novos produtos ou sistemas usando materiais 
existentes e/ou para desenvolver técnicas para o o processamento de materiais. 
 
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho 
LIGAÇÃO METÁLICA 
Orbitais Moleculares em Sólidos- BANDAS 
N=1 
N=2 
N=3 
N=4 
N= 
Sólido unidimensional- fila de atomos contribuindo com um orbital s 
"BANDA S" - N orbitais moleculares 
L 
AL 
L 
AL 
NL 
L 
AL 
L 
AL 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Uma banda consiste de um número finito porém contínuo de níveis de energia. 
• Uma banda formada pela sobreposição de orbitais s é denominada banda s. Se houver 
orbitais p disponíveis, então pode se formar uma banda p, e assim por diante. 
 
Níveis eletrônicos com energia 
próxima 
Região de energia onde não 
existem orbitais 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Devido à maior energia dos orbitais 
p em relaçao aos orbitais s, há 
frequentemente um espaço de 
energia entre as duas bandas. Este 
espaço é chamado de band gap. 
• O nível de Fermi: 
• Quando T=0, os elétrons ocupam os 
orbitais individuais da banda de 
acordo com o pricípio da 
construção. Por exemplo, para N 
átomos fornecendo um elétron 
cada, a T=0 os N/2 orbitais de 
menor energia estarão ocupados. O 
orbital de maior energia que é 
ocupado a T=0 é chamado de Nível 
de Fermi. 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Metais: material no qual a 
banda que contém elétrons 
está parcialmente preenchida. 
Isso permite aos elétrons se 
moverem através de orbitais 
que estão desocupados e 
próximos em energia ao nível 
de Fermi. 
• Exemplos: Cu, Ti, Sn, Fe, etc... 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Usando as bandas, pode-se 
correlacionar os tipos de sólidos com 
as estruturas tipicas das bandas e 
gaps de energia: 
– Isolante: material no qual a banda 
está completamente preenchida e 
existe um intervalo (gap) 
significante entre os níveis 
ocupados e a banda vazia. 
– Exemplos: NaCl sólido, diamante, 
AlN3 
– Semicondutor Intrínseco: 
material em que o gap é menor do 
que o de um isolante, de forma 
que a distribuição de Fermi 
resulta na ocupação da banda 
vazia por alguns elétrons 
– Exemplos: silício, germânio, GaAs, 
InAs 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Semicondutores Extrínsicos 
• Alguns materiais que apresentam band 
gaps grandes (isolante) ou médios 
(semicond. intrínsecos) podem ser 
transformados em semicondutores através 
do processo de dopagem → introdução de 
pequenas quantidades de impurezas: 1 
átomo de dopante para cada 109 átomos-
hospedeiros. 
Semicondutores tipo n: se Si puro é 
dopado com pequenas quantidades 
de As, os elétrons excedentes do As 
podem ser termicamente excitados 
de forma a ocuparem os orbitais 
vazios de átomos de Si adjacentes. 
Neste caso, os portadores de carga 
serão os elétrons negativos (a banda 
de doação é devida aos átomos de As 
mais eletronegativos). 
 
 
Semicondutores do tipo p: se 
doparmos Si com pequenas 
quantidades de Ga, diz-se que 
estamos introduzindo “buracos” 
no sistema. Isso resulta na 
formação de uma banda 
aceptora muito delgada com 
energia muito próxima à da 
banda preenchida, e a excitação 
térmica resulta em fluxo de 
elétrons. Neste caso, os 
portadores de carga são os 
buracos positivos (a banda 
aceptora é devida aos átomos de 
gálio). 
A Teoria de Orbitais Moleculares em Sólidos 
• Supercondutores: supercondutores de baixa 
temperatura → conhecidos desde 1911: abaixo 
de 4,2K, a resistência do mercúrio cai a zero. 
Muitas ligas apresentam supercondutividade a 
baixas temperaturas. Ex: Nb3Ge, com Tc=23,3K. 
O mecanismo pelo qual ocorre a supercondutividade abaixo de certa Tc ainda é 
motivo de estudo. Uma das teorias mais antigas envolve o conceito de pares de 
Cooper → pares de elétrons que resultam da distorção local da rede cristalina 
devido ao excesso de carga positiva. Um elétron do par é a causa do excesso de 
carga positiva, e o outro elétron do par é atraído por ele, e o conjunto se move 
como um par. Quando a temperatura ultrapassa Tc os movimentos da rede são 
suficientes para romper as distorções locais, e o movimento do par de Cooper é 
subitamente interrompido. 
SUPERCONDUÇÃO – “levitação” 
 
Trem bala 
Junções p-n 
Transistores, LED's, Lasers de semicondutores