PROPRIEDADES ELETRONICAS-OPTICAS-ELETRICAS DOS MATERIAIS

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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES ELETRÔNICAS, ÓPTICA E ELÉTRICA DOS MATERIAIS
SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL – PPGEI
MESTRADO PROFISSIONAL
Anderson Rogério Souza Linhares
Mestrando
Sumário
Propriedades ópticas
Introdução 
Interação da luz com os sólidos
Propriedades ópticas dos metais
Propriedades ópticas dos materiais não-metálicos
Opacidade e translucidez de materiais isolantes
Opacidade e translucidez de polímeros
Propriedades elétricas
Introdução
1° lei de ohm
2° lei de ohm
Condutividade elétrica
Classificação dos materiais em relação a propriedade elétrica
Propriedades eletrônicas
Introdução
Banda de energia nos sólidos
Estrutura de banda de energia
Estrutura de banda de energia materiais semicondutores;
Materiais isolantes
Estrutura de bando de energia dos metais
Semicondutores
Mobilidade eletrônica
Resistência elétrica dos metais 
Introdução
Os materiais respondem a estímulos externos;
Uma propriedade ótica seria a característica do material a responder a exposição de radiação eletromagnética, especialmente a luz visível
Para isso, temos que entender o que é RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA? E COMO ELA SE INTERAGEM COM A MATÉRIA?
Propriedades Óptica dos Materiais
Introdução
RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
É a propagação de energia em forma de ondas eletromagnéticas. Essas ondas que consistem em campos elétricos e magnéticos oscilantes com o tempo, são perpendiculares entre si e entre a direção de propagação.
Exemplos: Ondas de radar, ondas de rádio, raios-X, luz visível, entre outras. 
Características: frequência (ν), comprimento de onda (λ), velocidade (v), energia (E)
Propriedades Óptica dos Materiais
Introdução
RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
A luz visível se concentra numa pequena faixa do espectro eletromagnético, mais especificamente na que vai de 0,4µm a 0,7µm. Radiação próxima ao limite inferior, tem aparência violeta e radiação próxima ao limite maior tem aparência a vermelhada. A radiação eletromagnética, na perspectiva clássica (Maxwell), é vista como decorrente de campos elétricos e magnéticos oscilantes
Propriedades Óptica dos Materiais
Introdução
RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
Para Einstein, A velocidade de propagação no vácuo de qualquer tipo de radiação eletromagnética é igual a 3xm/s.
A radiação eletromagnética pode ser considerada como: 
1) um fenômeno ondulatório. Segundo essa abordagem, a velocidade de propagação de radiação eletromagnética num meio especifico é
Onde: C é a velocidade de radiação eletromagnética; l Comprimento de onda; e v é a frequência
Propriedades Óptica dos Materiais
2) constituída por pacotes de energia (mecânica quântica) chamados fótons. Os valores de energia possíveis dos fótons são definidos pela expressão:
E = hv = hc/ l
onde:
h é a constante de Planck (6.63x10-34J-s) e E é a energia de um fóton
INTERAÇÃO DA LUZ COM OS SÓLIDOS
Depende do comprimento de onda:
Propriedades Óptica dos Materiais
Quando a luz interage com um sólido, uma parte da radiação é transmitida através do meio, uma parte é absorvida e uma parte é refletida na interface.
Se tivermos um feixe com intensidade (em watts por metro quadrado) pode-se portanto escrever
IO= IT+ IA+ IR (unidades: W/m2)
 sendo IT a intensidade transmitida, IA a intensidade absorvida e IR a intensidade refletida.
Se dividirmos a equação acima por I0, obteremos a relação fundamental
T + A + R = 1
Onde T é a transmissividade, A é a absortividade e R é a refletividade.
PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS
(i) Ao incidirem na superfície de um metal (~ 1 μm), os fótons são absorvidos.
(ii) A absorção de fótons é acompanhada de excitação de elétrons que passam de níveis energéticos preenchidos para níveis não preenchidos (de maior energia).
(iii) Os elétrons excitados voltam para os níveis de menor energia (níveis preenchidos), reemitindo fótons.
(iv) Transições eletrônicas de absorção e emissão de fótons são processos conservativos (isto é, a energia se conserva).
(v) 90 a 95 % dos fótons incidentes são refletidos e a energia restante é dissipada na forma de calor.
Propriedades Óptica dos Materiais
PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS
Propriedades Óptica dos Materiais
(a) O elétron excitado passa para um nível energético não preenchido. A variação de energia desse elétron, ΔE, é igual à energia do fóton. 
(b) Passagem de um elétron de um nível de alta para um nível de baixa energia e consequente reemissão de um fóton.
PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS METAIS
Propriedades Óptica dos Materiais
Uma vez que os metais são opacos e altamente refletivos, a cor percebida é determinada pela distribuição de comprimentos de onda da radiação que é refletida e não absorvida.
Os metais brancos (Ag, Pt, Al, Zn) refletem aproximadamente o mesmo número de fótons com as mesmas frequências encontradas no feixe de luz incidente.
Nos metais vermelhos e amarelos, tais como Cu e Au, os fótons com pequeno comprimento de onda são absorvidos e a radiação refletida é composta preferencialmente de fótons com comprimentos de onda maiores.
Tanto mais efetiva é a absorção quanto mais denso for o material.
Tanto maior a refletividade quanto mais polida for a superfície
PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
Propriedades Óptica dos Materiais
(i) Ao incidirem na superfície de um material não-metálico, somente alguns fótons são absorvidos, pois há um poço de energia que separa as bandas preenchidas das bandas não preenchidas.
(ii) Os fótons não absorvidos (os que possuem uma energia menor que a do poço de energia) são transmitidos.
(iii) Os fótons absorvidos são refletidos de forma similar aos metais.
(iv) No caso das cerâmicas, onde o poço de energia é grande, domina a transmitância.
(v) Para os materiais semicondutores, o poço de energia é pequeno e domina a refletividade.
PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
Propriedades Óptica dos Materiais
Os fótons da radiação visível possuem energias entre 1,8 eV (vermelho) e 3,1 eV (violeta).
Os materiais semicondutores que têm poço de energia menor que 1,8 eV são sempre opacos à luz e possuem um “aspecto metálico”.
Os materiais que têm poço de energia entre 1,8 e 3,1 eV são transparentes à luz. Esses materiais são, entretanto, coloridos devido à absorção dos fótons de maior energia.
Os materiais não-metálicos com valores de energia de poço muito altos (maiores que 3,1 eV) são transparentes e incolores para todo o espectro da luz visível.
OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ DE MATERIAIS ISOLANTES
Propriedades Óptica dos Materiais
Muitos materiais dielétricos transparentes podem ser translúcidos ou opacos em razão da reflexão interna e da refração do feixe transmitido. Isso ocorre devido a múltiplos eventos de espalhamento durante interação da luz:
(i) com contornos de grão
(ii) com partículas finas dispersas na matriz
(iii) com a porosidade
(iv) em materiais com índice de refração anisotrópico
OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ DE MATERIAIS ISOLANTES
Propriedades Óptica dos Materiais
Três amostras de alumina de diferentes transmitâncias. Da esquerda para direita: 
monocristal de safira – transparente; 
policristal denso (não poroso) - translúcido e 
policristal com aproximadamente 5% de porosidade - opaco.
OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ DE POLÍMEROS
Propriedades Óptica dos Materiais
Nos polímeros, o grau de translucidez é determinado principalmente pelo grau de cristalinidade. O espalhamento da luz visível ocorre nos contornos entre as regiões cristalina e amorfa.
(i) Em polímeros de alta cristalinidade, os fenômenos de espalhamento são intensos, tornando-os translúcidos ou opacos.
(ii) Os polímeros amorfos são completamente transparentes.
Por exemplo, o polietileno de alta densidade (de alto grau de cristalinidade) é opaco e o polietileno de baixa densidade (amorfo) é transparente.
Introdução
Alguns materiais precisam ser altamente condutores e outros isolantes:
Ex materiais condutores: fios de conexão elétrica.
Ex materiais isolantes: encapsulamentodos fios.
Propriedades Elétrica dos Materiais
1° lei de Ohm
Para fios condutores a 1° lei de ohm pode ajudar, calculando as importantes grandezas físicas como tensão, corrente e resistência elétrica de diversos elementos a natureza. Vamos relembrar:
Propriedades Elétrica dos Materiais
Onde, 
I é a intensidade da corrente elétrica, que percorre um circuito é diretamente proporcional à força eletromotriz (voltagem) V aplicada e inversamente proporcional à resistência total do circuito R.
1° Lei de Ohm
Onde I é a intensidade de corrente elétrica, medida em ampère – A (C/s) , V é a tensão elétrica aplicada, medida em volt – V (J/C) e R a resistência elétrica do circuito, medida em ohm - (V/A).
Propriedades Elétrica dos Materiais
2° Lei de ohm
Se refere a resistividade elétrica dos materiais, apesar de independente da geometria da amostra está relacionada a R :
Onde 
l é a distância entre os dois pontos onde é medida a voltagem;
A é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente e 
ρ é expresso em [Ω.m]. 
Propriedades Elétrica dos Materiais
Condutividade elétrica:
Para se especificar a natureza elétrica de um material, muitas vezes usa-se a condutividade elétrica, que nada mais é do que o inverso da resistividade ou seja:
Propriedades Elétrica dos Materiais
INTENSIDADE DO CAMPO ELÉTRICO
DENSIDADE DA CORRENTE
S – área da seção reta do condutor;
E – campo elétrico aplicado ao condutor
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS EM RELAÇÃO A PROPRIEDADE ELÉTRICA:
CONDUTORES: Condutividade da ordem de (Ωm)^(-1).
SEMICONDUTORES: condutividade entre e (Ωm)^(-1);
ISOLANTES: condutividade entre e (Ωm)^(-1) .
Propriedades Elétricas dos Materiais
Introdução
O número de elétrons varia de material para material. Com isto existe uma variação no número de elétrons da última camada (camada de valência);
No interior da maioria dos materiais sólidos uma corrente tem origem a partir do escoamento de elétrons – condução eletrônica. Uma propriedade importante para materiais utilizados para sistemas elétricos.
Resultado do movimento de partículas eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a partir de um campo elétrico aplicado externamente
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Banda de energia nos sólidos
A medida que átomos se agrupam na formação ordenada, cristalina de um sólido, os átomos sentem a ação dos elétrons e núcleos dos átomos adjacentes.
Esta influência é tal que cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados eletrônicos proximamente espaçados, para formar o que é conhecido como banda de energia eletrônica.
Quatro tipos de estruturas de banda são possíveis a uma temperatura de 0 K.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Estrutura de banda de Energia
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Energia de Fermi – estado energético preenchido de maior energia.
Banda de condução - banda de energia vazia ou parcialmente preenchida
Banda de valência – banda de energia vazia ou parcialmente preenchida com elétrons de maiores estados energéticos
Estrutura de banda de Energia
Somente elétrons que possuem energia maior do que a energia de Fermi podem sentir a ação e serem acelerados na presença de um campo elétrico. São chamados de elétrons livres.
Nos semicondutores e isolantes uma entidade eletrônica conhecida como buraco também participa da condução elétrica e tem energia menor que a energia de Fermi.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Estrutura de banda de Energia Materiais Semicondutores
Banda de valência que está completamente preenchida está separada da banda de condução vazia entre elas por um espaçamento entre bandas de energia (GAP);
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Condutores
SemiCondutores
A energia de Fermi está localizada dentro do espaçamento (gap de energia).
Materiais Isolantes e Semicondutores
O número de elétrons tecnicamente excitados (através de energia térmica) para a banda de energia depende da largura do espaçamento e da temperatura.
Quanto maior o espaçamento entre as bandas, para uma dada temperatura, menor a condutividade elétrica.
Material isolante – ligação iônica ou fortemente covalente.
Material semicondutor – ligação predominantemente covalente e relativamente fraca.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Semicondutores
A energia necessária para superar o gap de energia pode ser de natureza térmica ou luminosa.
A probabilidade de que um elétron salte da banda de valência para a banda de condução é (-Eg/2kT) onde Eg corresponde a energia do “gap”.
Quando um elétron é promovido para a banda de condução, deixa na banda de valência, um buraco, de carga positiva, que também pode participar da condução.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Estruturas de banda de energia dos Metais
Nos metais, a banda de valência encontra-se parcialmente preenchida ou há uma super posição de bandas.
A condução ocorre pela elevação dos “estados” condutores, acima do nível de Fermi.
A energia associado a presença do campo elétrico é suficiente para excitar os elétrons
Existem altos valores de condutividade
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Cu
Mg
Mobilidade Eletrônica
Ao se aplicar um campo elétrico, é esperado que todos elétrons livres sejam acelerados enquanto durar este campo, dando origem a uma corrente elétrica que aumenta ao longo do tempo. No entanto isto não ocorre, a corrente elétrica atinge um valor constante no instante em que o campo é aplicado, indicando que existem forças que contrapõem esse campo.
Essas forças resultam do espalhamento dos elétrons pelas imperfeições no retículo cristalino, incluindo os átomos de impurezas, lacunas, átomos intersticiais, discordância e vibrações térmicas, fazendo com que o átomo perca energia cinética e mude de direção. No entanto, existe um movimento líquido dos elétrons na direção oposta ao campo – a corrente elétrica.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Mobilidade Eletrônica
O espalhamento é manifestado como uma resistência à passagem de uma corrente.
Para descrevê-lo, usa-se a velocidade de arraste Ve, proporcional ao campo elétrico e a mobilidade eletrônica - uma constante de proporcionalidade, onde
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
A constante de proporcionalidade indica a frequência de eventos de espalhamentos em [m2 /V.s].
Para maioria dos materiais a condutividade é proporcional ao número de elétrons e a mobilidade, podendo ser expressa por:
Onde n é o número de elétrons livres e é a magnitude absoluta da carga elétrica de um elétron, 1,6 x 10-19 C. 
Mobilidade Eletrônica
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Resistividade elétrica dos metais
Em função dos metais possuírem alta condutividade, discute-se esta em termos da resistividade.
Defeitos cristalinos servem como centros de espalhamento. A concentração das imperfeições depende da temperatura, da composição e do grau de deformação a frio.
Os mecanismos de espalhamento atuam de forma independente um do outro, assim, a resistividade é a soma das parcelas que contribuem.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Resistividade elétrica dos metais
Materiais elétricos metálicos mais utilizados, são:
Cobre: barato, abundante, alta ρ, porém macio. São empregas ligas endurecidas por precipitação: ligas Cu-Be
Alumínio: apresenta valores de condutividade 50% do valor da ρ do cobre, porém apresentam resistência a corrosão bem superior.
Elementos de aquecimento: altos valores de resistividade e boa resistência a oxidação em altas temperaturas
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Semicondutores
Os materiais semicondutores são materiais que possuem resistividade intermediária entre a dos materiais condutores e isolantes. Os principais materiais semicondutores utilizados na eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), sendo este último o mais utilizado.
Nos materiais semicondutores, a camada de valência possui 4 elétrons, como o material tende a possuir oito elétrons na camada de valência,e o elemento semicondutor só possui quatro, este acomoda os seus átomos, simetricamente entre si, constituindo uma estrutura cristalina, através de ligações covalentes.
Semicondutores intrínsecos – aqueles em que o comportamento elétrico está baseado na estrutura eletrônica inerente ao metal puro.
Semicondutores extrínsecos – são aqueles cujo as características elétricas são devidas aos átomos de impurezas.
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Semicondutores
Dispositivos semicondutores
Diodos
Propriedades Eletrônicas dos Materiais
Transistores
Capacitores
Referências
CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.
CARLOS A.G.de Moura Branco Mecânica dos Materiais. Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1985.
Van Vlack, L. -Princípios de Ciência dos Materiais, 3aed
PROPRIEDADES ELETRÔNICAS, ÓPTICA E ELÉTRICA DOS MATERIAIS