Si, Ge, SiO 2, ZnS, etc. PF s e dureza elevados Insolúveis Isolantes (ou semicondutores)

Transcrição

1 Sólidos covalentes C, diamante C, grafite Si, Ge, SiO 2, ZnS, etc. PF s e dureza elevados Insolúveis Isolantes (ou semicondutores)

2 Sólidos covalentes TEV: rede 3D de ligações covalentes C, diamante (sp 3 ) 1 (sp 3 ) 1 (sp 3 ) 1 (sp 3 ) 1 C, grafite (sp 2 ) 1 (sp 2 ) 1 (sp 2 ) 1 p 1 Forças de van der Waals ressonância

3 Sólidos covalentes TEV: rede 3D de ligações covalentes Deslizamento de planos: propriedades lubrificantes C, grafite

4 Sólidos covalentes TEV: rede 3D de ligações covalentes Mobilidade dos e - s π: condução anisotrópica Conduz ao longo dos planos C, grafite Não conduz na direcção perpendicular

5 Sólidos covalentes Novas formas alotrópicas de carbono Fulerenos Nanotubos Grafeno (Nobel da Física 2010, Geim e Konstantin) "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" C 60 (Nobel da Química 1996, Curl Jr., Kroto e Smalley) Nanocones "for their discovery of fullerenes"

6 Sólidos covalentes Novas formas alotrópicas de carbono

7 Sólidos covalentes Novas formas alotrópicas de carbono Preparação Redução com etilenodiamina Remoção do solvente Tratamento com micro-ondas Óxido de grafeno Gel ultra-leve de grafeno H. Hu, Z. Zhao, W. Wan, Y. Gogotsi, J. Qiu; Adv. Mater. 2013, 25,

8 Sólidos covalentes Novas formas alotrópicas de carbono Gel ultra-leve de grafeno Ultra Light Graphene Aerogel (ULGA) Estrutura altamente porosa (99.8%!!!) Muito compressível 500 µm 50 µm (Microscopia Electrónica de Varrimento - SEM)

9 Sólidos covalentes Novas formas alotrópicas de carbono ULTRA leve! Aerogel de grafeno 1 m 3 = 160 g Água 1 m 3 = 1000 kg = 1 ton Ouro 1 m 3 = kg = 19,3 ton

10 Sólidos covalentes banda de condução, vazia E (níveis antiligantes) bandas proibidas banda de valência, completamente preenchida (níveis ligantes) níveis completamente ocupado por electrões Elemento C (diamante) Si Ge Sn (cinzento) E / ev 5,5 1,1 0,7 0,1 Ligação enfraquece ao longo do grupo (orbitais mais difusas)

11 Condutividade / Ω -1 m -1 Sólidos covalentes Cobre e ouro Ferro Chumbo Condutores 10 0 Bismuto Elemento C (diamante) E / ev 5,5 Silício e Germânio com impurezas Si 1, Ferrites Silício Semicondutores Ge Sn (cinzento) 0,7 0, Cloreto de sódio Vidro E Diamante Isolantes Sílica fundida Poliestireno

12 Semicondutores intrínsecos Condução por e - s (níveis acessíveis) e - E e - Promoção de e - s da banda de valência para a de condução (termocondutividade ou fotocondutividade) Condução por lacunas (alguns níveis ficaram acessíveis) Condução por lacunas etc.

13 Semicondutores intrínsecos Banda de condução (e - s: transportadores n) E Banda de valência (lacunas: transportadores p)

14 Semicondutores intrínsecos Condutividade eléctrica - σ n Concentração de transportadores de carga (n e p) E 1 1 ( nµ n + pµ ) e Ω σ = m p p Mobilidade (livre percurso médio) (µ n e µ p ) Semicondutores intrínsecos: n i = n = p 1 1 ( µ + ) e Ω σ = n m i n µ p

15 Semicondutores intrínsecos Condutividade: σ n µ E 3 n kt i = CT 2 e 2 Concentração de transportadores de carga (n i ) aumenta exponencialmente com T Semicondutor intrínseco Portadores de carga Mobilidade (µ) a 300 K / cm 2 V -1 s -1 Dependência aproximada da mobilidade com a temperatura electrões (n), na banda de condução , T -2,5 ( K) Si lacunas (p), na banda de valência 480 2, T -2,7 ( K) electrões (n), na banda de condução , T -1,88 ( K) Ge lacunas (p), na banda de valência , T -2,3 ( K) µ livre percurso médio choques com iões positivos da rede varia inversamente com T ( T -3/2 )

16 σ = > T n µ = CT logσ = 3 2 e E kt T E logc 2k = C e 1 T E 2kT Semicondutores: Condutividade / Ω -1 cm -1 Cu 10 9 σ quando T (prevalece o aumento de n i ) 10 8 Metais: σ quando T -n i constante - prevalece a diminuição de µ Definição de condutor metálico

17 Semicondutores extrínsecos (com impurezas) Tipo N: dopados com impurezas de valência superior (Ge com As, p.e.) banda de condução (vazia) ~0,01 ev nível da impureza (preenchido) banda de valência (preenchida) átomo de germânio átomo de arsénio níveis interiores (preenchidos) As:Ge de 1:10 6 σ sobe 100!

18 log σ condução intrínseca (coef. ang. E/2k) Semicondutores extrínsecos tipo N σ = n µ condução por impurezas (coef. ang. E c -E d /2k) 1/T tipo n Ec Ed n = Ce 2kT (baixas T) µ quando T banda de condução (vazia) log σ condução intrínseca ~0,01 ev E E c E d nível da impureza (preenchido) influência da variação da mobilidade condução por impurezas banda de valência (preenchida) níveis interiores (preenchidos) 1/T

19 Semicondutores extrínsecos tipo P Tipo P: dopados com impurezas de valência inferior (Ge com In, p.e.) banda de condução (vazia) ~0,01 ev nível da impureza (vazio) banda de valência (preenchida) log σ condução intrínseca influência da variação da mobilidade condução por impurezas 1/T tipo p (lacunas na banda de valência) a E E p = Ce 2kT v níveis interiores (preenchidos)

20 Supercondutividade Resistividade T c Temperatura Resistência 0 (σ = ), abaixo de T c!!!!

21 103 Lr 102 No 101 Md 100 Fm 99 Es 98 Cf 97 Bk 96 Cm 95 Am 94 Pu 93 Np 92 U 91 Pa 90 Th 89 Ac 71 Lu 70 Yb 69 Tm 68 Er 67 Ho 66 Dy 65 Tb 64 Gd 63 Eu 62 Sm 61 Pm 60 Nd 59 Pr 58 Ce 57 La 118 Uuo 116 Uuh 114 Uuq 112 Uub 111 Uuu 110 Uun 109 Mt 108 Hs 107 Bh 106 Sg 105 Db 104 Rf Ac-Lr 88 Ra 87 Fr 86 Rn 85 At 84 Po 83 Bi 82 Pb 81 Tl 80 Hg 79 Au 78 Pt 77 Ir 76 Os 75 Re 74 W 73 Ta 72 Hf La-Lu 56 Ba 55 Cs 54 Xe 53 I 52 Te 51 Sb 50 Sn 49 In 48 Cd 47 Ag 46 Pd 45 Rh 44 Ru 43 Tc 42 Mo 41 Nb 40 Zr 39 Y 38 Sr 37 Rb 36 Kr 35 Br 34 Se 33 As 32 Ge 31 Ga 30 Zn 29 Cu 28 Ni 27 Co 26 Fe 25 Mn 24 Cr 23 V 22 Ti 21 Sc 20 Ca 19 K 18 Ar 17 Cl 16 S 15 P 14 Si 13 Al 12 Mg 11 Na 10 Ne 9 F 8 O 7 N 6 C 5 B 4 Be 3 Li 2 He 1 H Supercondutividade Metais (T c < 10 K)

22 Efeito de Meissner Supercondutividade Levitação de magnetos Supercondutores deflectem campos magnéticos (T < T c )

23 Supercondutividade Em 1986, Bednorz e Müller (IBM, Zurich) descobrem que cerâmicas isolantes à temperatura ambiente tornam-se supercondutoras com T c elevadas (30 K): La 2-x Ba x CuO 4

24 T c / K Temperatura mais baixa registada à superfície da Terra (1983) -100ºC Supercondutividade ºC HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Mai Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Fev Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 Jan Corrida por supercondutores com T c crescente durante os anos 80 e 90! 100 YBa 2 Cu 3 O 7 Fev N 2 líquido -200ºC La 2-x Ba x CuO Dez Dez Ne líquido Abr Jan Nb-Al-Ge Nb 3 Ge Ba 0.6 K 0.4 BiO 3 20 H 2 líquido NbN Nb 3Sn Nd 2-x Ce x CuO 4 He líquido Hg Pb NbO A x WO 3 Nb SrTiO 0 3-x BaPb 0.75 Bi 0.25 O 3 LiTi 2 O ano Sólidos elementares Compostos intermetálicos La 1.6 Sr 0.4 CaCu 2 O 6 Óxidos supercondutores Aplicações: Supermagnetos (NMR)

25 Estrutura Óxidos com camadas de cuprato CuO 2 Supercondutividade triplas duplas Cu simples O Tl 2 Ba 2 CuO 6 Tálio Cálcio Bário Cobre Oxigénio Tl 2 CaBa 2 Cu 2 O 8 Tl 2 Ca 2 Ba 2 Cu 3 O 10