Metais. Ligação Metálica. Condutores, Semicondutores e Isolantes
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- William Gameiro Galvão
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1 Metais Ligação Metálica Condutores, Semicondutores e Isolantes 1
2 Metais Propriedades Gerais Sólidos cristalinos Compostos apenas por átomos do mesmo elemento Interações puramente eletrostáticas Número de vizinhos mais próximos pode chegar a átomos (tipicamente 8, 12) Ligações covalentes localizadas Tipicamente possuem altos pontos de fusão Interações fracas (~supramoleculares, e.g. van der Waals) Maleáveis e dúcteis Pouco comum em substâncias iônicas ou covalentes» Condutividade elétrica elétrons fracamente ligados 2
3 Ligação Metálica Sejam três metais típicos: Na (Z = 11), Fe (Z = 26), Ag (Z = 47) Exercício: dê as distribuições eletrônicas Na: [Ne] 10 3s 1 Fe: [Ar] 18 3d 6 4s 2 Ag: [Kr] 36 4d 10 5s 1 Elétrons s externos: difusos, facilmente ionizáveis, baixa densidade eletrônica, grandes volumes Na 1.57 Å Na Å Cernes iônicos imersos nas nuvens eletrônicas dos OA s Formação de um orbital molecular gigante estendendo-se por todo o cristal (os elétrons s são compartilhados pelos cernes) Modelo do mar de elétrons 3
4 Formação das bandas de energia Lembrando da formação de orbitais moleculares... N átomos N orbitais moleculares (níveis) Se N é muito grande»» BANDAS DE ENERGIA Capacidade de acomodar elétrons: N capacidade dos níveis discretos originais Ex.: átomos banda 2p pode acomodar elétrons Sobreposição de bandas é possível Como fica o preenchimento dos elétrons? 4
5 Bandas de energia em metais A banda eletrônica fica semi-preenchida Elétrons altamente móveis ( OM gigante pertence ao cristal) Aplicação de uma voltagem CORRENTE ELÉTRICA! (há deslocamento de e - ) Sólido é um CONDUTOR ELETRÔNICO Diagrama das bandas de energia Definir: BV e BC 5
6 Bandas de energia em metais Sobreposição das bandas OA s originalmente próximos em energia Condutividade nos metais Z = 11 Sódio (Z = 11) 6
7 Condutores, semicondutores, isolantes E se a BV estiver completamente preenchida? Elétrons agora perdem a mobilidade Faixa de energia proibida (bandgap) para os elétrons (comparar com moléculas e OM s) Sólido é um ISOLANTE ou SEMICONDUTOR Se o bandgap for relativamente pequeno, elétrons podem ser termicamente promovidos Semicondutor Intrínseco 7
8 Condutores, semicondutores, isolantes E se a BV estiver completamente preenchida? Elétrons agora perdem a mobilidade Faixa de energia proibida para os elétrons (comparar com moléculas e OM s) Sólido é um ISOLANTE ou SEMICONDUTOR 8
9 Condutores, semicondutores, isolantes Em resumo: Bandgap (ΔE) << kt (ou 0) condutor ΔE >> kt isolante ΔE kt semicondutor intrínseco 9
10 Condutores, semicondutores, isolantes Em resumo: Bandgap (ΔE) << kt (ou 0) condutor ΔE >> kt isolante ΔE kt semicondutor intrínseco Semicondutores extrínsecos: Dopagem com impurezas ou defeitos que introduzem níveis ocupados próximos à banda de condução semicondutores tipo n; Dopagem com impurezas ou defeitos que introduzem níveis desocupados próximos à banda de valência semicondutores tipo p. Diagrama de bandas para semicondutores extrínsecos 10
11 Condutores, semicondutores, isolantes Em resumo: Bandgap (ΔE) << kt (ou 0) condutor ΔE >> kt isolante ΔE kt semicondutor intrínseco Semicondutores extrínsecos: Semicondutor tipo n: impureza com mais elétrons externos que o átomo formador do sólido Ex: As ou P em Si Semicondutor tipo p: impureza com menos elétrons externos que o átomo formador do sólido Ex: B em Si, Ga em Ge 11
12 Condutores, semicondutores, isolantes Formação de uma liga metálica Mistura de dois ou mais metais (solução sólida) Pode ser homogênea ou heterogênea distribuição uniforme fases cristalinas distintas Elementos do bloco-d têm raios similares Substitucional Intersticial R soluto < 0,6 R solvente Compostos Intermetálicos Exemplos de ligas metálicas Aço Latão Solda Peltre Bronze Ouro (<24q) NaK Amálgama 12
13 Alguns exercícios EE
14 Referências A.L. Companion, Ligação Química, Edgard Blucher /Band_theory;... /Extrinsic_semiconductor;... ng/metalic_bonding Notas ou slides de aula dos professores Walter Mendes, Arnóbio Gama, AC Pavão, João Bosco, et al. 14
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