PIPE - Ciência dos Materiais. Prof. Dante Mosca ECMA7004

Transcrição

1 PIPE - ECMA7004 Ciência dos Materiais Prof. Dante Mosca Aulas adaptadas do livro Fundamentals of material science & engeneering (5rd Edition), W.D. Callister John Wiley & Sons Homepage:

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3 Electric charge and electrons

4 Condução Elétrica Lei de Ohm + E Portadores de carga Metais elétrons Semicondutores elétrons / lacunas Soluções iônicas / Cerâmicas íons Potencial Acelera os portadores Espalhamento Rede cristalina Moléculas / íons da solução Corrente Taxa de transporte de portadores de carga (C/s)

5 Resistência Dificuldade à passagem de corrente Provocada por espalhamento dos portadores no caminho Lei de OHM V RI - Resistividade e geometria R - Medida de resistividade (4 pontas) L A

6 Remark: α >> αt ~ 10-6 / Kelvin

7 Condutividade Inverso da resistividade Lei de Ohm (forma mais geral) 1 J E J densidade de corrente (A/m2) E Campo elétrico (V/m) E = V/L Mobilidade Eletrônica Mecânica quântica Elétrons acelerados (campo elétrico) não interagem com uma rede cristalina perfeita» Aumento contínuo da corrente que flui por um sólido (não ocorre) Elétrons atingem uma velocidade limite (velocidade de deriva ou arrasto ou drift ) Espalhamento por» Vacâncias» Impurezas» Vibração térmica da rede

8 Efeito de defeitos e vibração da rede Vibração da rede Defeitos e impurezas

9 Free electron model (metals)

10 Drude model Relaxation time, s K

11 Note:

12 Hall effect measuring number density and sign of the electrical carriers

13 Mobilidade eletrônica v D e E e mobilidade eletrônica m2 m m e Vs s V Neste caso a condutividade pode ser expressa como n e e Contribuições para a resistividade total termic impur deform obs. : probabilidades de eventos aleatórios independentes, ρ ~ τ - 1

14 Temperatura Metais resistividade aumenta com a temperatura termic 0 T Impurezas Impureza única formado solução sólida Depende da concentração de impureza c1 impur A.c1 (1 c1 ) onde A depende dos materiais e independe da proporção da mistura impur V V e são as fases que compõe a mistura Deformação plástica Deformação aumento de discordâncias 14

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16 Note: complex conductivity implies in defasing between current and voltage

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18 Formação das bandas de energia Número de átomos ~ 6 x / cm3

19 Elétrons em um átomo Na pictórico

20 Elétrons em uma rede cristalina unidimensional a

21 Bandas de energia

22 Banda de condução elétron s

23 Condutividade em função das bandas a) Metal (Ex.: Cobre) b) Metal (Ex.: Magnésio) superposição de bandas c) Isolante Gap > 2 ev (Ex.: Diamante) d) Semicondutor Gap < 2 ev (Ex.: Silício) 23

24 Estrutura de bandas

25 Estrutura de banda em metais e ligas i) ii) iii) iv) Os estados atômicos 4sp formam bandas sp largas em energia. Os estados d são bastante localizados e formam bandas d estreitas em energia. Em ferromagnetos as bandas d desdobram-se proporcional a sua magnetização. As bandas d e sp são incompletas e hibridizadas em regiões localizadas. Modelo mais simples da coesão metálica: a) despreza a interação elétron-elétron no gás de elétrons; b) desconsidera a hibridização do elétrons sp; c) o centro da banda d é assumido ser a mesma do estado atômico ; d) o no. de elétrons d (Nd) é o mesmo nos estados atômicos e metálicos; e) a energia de coesão EC é estimada como o ganho em energia ao passar do estado sólido metálico aos átomos constituintes infinitamente afastados: por definição a energia de sublimação S em 0 K.

26 Metal Insulator

27 Energia de coesão metálica : diagrama termodinâmico [ ]

28 Bandas de energia em metais de transição elétrons d

29 Energia de coesão versus ponto de fusão Nd Nd d2 d3 d2 d3 s1d5 d5 d4 d5 d6 d7 d8 d6 d7 d9

30 Nível de energia de Fermi (nível de Fermi) T=0K T>0K

31 Density of states of conduction electrons and Fermi-Dirac distribution function

32 Metais Gás de elétrons (elétrons livres) Isolantes e semicondutores Ativação térmica E k BT 8, , 0258 ev K

33 Semiconductors

34 Semicondutor Intrínseco

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36 Semicondutores intrínsecos Existe o mesmo número de elétrons e lacunas Formação de pares por fótons

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40 Condutividade intrínseca Dois portadores de carga elétrons / lacunas n e e p e h como n = p n e e h p e e h

41 Semicondutores Extrínsecos Semicondutor tipo-n Portador majoritário elétron Portador minoritário lacuna

42 Semicondutor tipo-p Portador majoritário lacuna Portador minoritário elétron

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44 Efeitos da temperatura da condutividade Intrínseco C constante independente de T Aumento de T Aumenta número de portadores n e p» Mais energia para transição Diminui as mobilidades e e h» Aumenta o espalhamento Extrínseco Aumento de T Aumento de excitação» Elétrons níveis de impureza (tipo-p)» Elétrons banda de condução (tipo-n)» Aumento da condutividade» Chega à saturação dos níveis de impureza Redução de mobilidade» Aumento do espalhamento» Diminuição da condutividade» No limite chega ao caso intrínseco 44

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46 p - n junction

47 Polarised p-n junction

48 Current change in AC voltage

49 Junção p-n - Diodo 49

50 Transistor Junções pnp ou npn

51 Transistor MOS-FET MOS (Metal Oxide Semiconductor) Estrutura Funcionamento Ao aplicar uma ddp na Porta Positiva» Atrai Elétrons» Repele Lacunas» Pode formar um canal de Elétrons» Pode fechar um canal de Lacunas Negativa» Atrai Lacunas» Repele Elétrons» Pode formar um canal de Lacunas» Pode fechar um canal de Elétrons

52 Condução em Cerâmicas Iônicas e Polímeros Portadores Cátions e anions e elétrons Transferência de cargas Migração Difusão Condutividade Contribuição Predominância depende de material, pureza e temperatura Mobilidade ni valência do íon (i) Di difusividade do íon As condutividades destes materiais é muito reduzida mesmo em elevadas temperaturas

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54 Cerâmicas Supercondutoras Efeito Meissner

55 Polímeros Condutores Exemplos de polímeros Poliacetileno Poliparafenileno Polipirrol Polianilina Portadores (depende do dopante) Tipo-n elétrons Tipo-p lacunas Dopantes não substituem moléculas do polímero Poliacetileno

56 Materiais dielétricos Polarização Polímeros Óxidos Cerâmicas O que ocorre quando um material destes é colocado entre as placas Polarização do dielétrico Surgimento de dipolos elétricos dentro do material 56

57 Ao surgir a polarização Surge um campo elétrico oposto ao campo elétrico aplicado Assim o campo elétrico efetivo dentro do capacitor é reduzido, podendo ser escrito como: σ E ef =E E pol= ε.ε0 Onde densidade de carga (Q/A) Assim quanto maior a polarização do dielétrico menor o campo dentro do capacitor e portanto maior a constante dielétrica relativa Mais carga pode ser armazenada no capacitor com a mesma diferença de potencial V = Eef d Q=CV 57

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59 Ruptura do dielétrico Quando o campo elétrico excede o valor máximo do material ocorre a ruptura do dielétrico Existem diversos fenômenos precursores associados à ruptura Descargas parciais Descarga corona (em bolhas do material) Aquecimento do dielétrico Material kv/mm Air 3 Quartz 8 Strontium titanate 8 Neoprene rubber 12 Nylon 14 Pyrex glass 14 Silicone oil 15 Paper 16 Bakelite 24 Polystyrene 24 Teflon 60

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61 Polarização Eletrônica Iônica Dipolos permanentes (água)

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63 Materiais Piezoelétricos Estresse mecânico induz diferença de potencial elétrico A aplicação de uma ddp induz mudança dimensional Piezoeletricidade é a capacidade de alguns materiais (cristais e materiais cerâmicos, incluindo certos osso) para gerar um potencial elétrico em resposta a um esforço mecânico aplicado. Ocorre devido a uma polarização em toda a rede A palavra é derivada do grego e significa apertar ou pressionar. stress-free with applied stress Cristais de quartzo

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