Estructura electrónica de sólidos inorgánicos
La estructura electrónica de los sólidos inorgánicos se describe mediante bandas de orbitales formadas a través del cristal, cuyo llenado y brechas distinguen aislantes, semiconductores y metales.
Definition
La estructura electrónica de los sólidos inorgánicos es la descripción de las energías y la ocupación de los estados electrónicos en un cristal extendido como bandas continuas derivadas de orbitales atómicos, que determinan las propiedades ópticas y eléctricas.
Scope
Este tema abarca la visión química de la estructura electrónica en sólidos extendidos: la formación de bandas a partir de orbitales atómicos superpuestos, el ancho de banda y la densidad de estados, la brecha de banda y la clasificación de aislantes, semiconductores y metales, la semiconducción intrínseca y extrínseca (dopada), y los límites de la imagen de banda en óxidos de metales de transición correlacionados donde aparece el comportamiento aislante de Mott. Trata la visión del enlace químico; la física detallada del estado sólido de la teoría de bandas se cubre en la física de la materia condensada.
Core questions
- ¿Cómo se combinan los orbitales atómicos en bandas en un sólido?
- ¿Qué determina si un sólido es un aislante, un semiconductor o un metal?
- ¿Cómo crea el dopaje semiconductores de tipo n y de tipo p?
- ¿Por qué algunos óxidos de metales de transición aíslan a pesar de tener bandas parcialmente llenas?
Key concepts
- Bandas de energía y ancho de banda
- Densidad de estados
- Brecha de banda
- Aislantes, semiconductores y metales
- Dopaje y tipo de portador
- Aislantes de Mott y correlación
Key theories
- Formación de bandas a partir de la superposición de orbitales
- A medida que los orbitales atómicos se superponen a través de un sólido periódico, sus niveles discretos se ensanchan en bandas; el ancho de banda refleja la fuerza de la superposición y la densidad de estados describe cómo se distribuyen los niveles electrónicos en energía.
- Brechas de banda y clases de conductividad
- Una banda de valencia llena separada de una banda de conducción vacía por una gran brecha da un aislante, una pequeña brecha da un semiconductor, y una banda parcialmente llena da un metal, clasificando los sólidos por su comportamiento eléctrico.
- Correlación electrónica y aislantes de Mott
- En algunos óxidos de metales de transición, la fuerte repulsión electrón-electrón localiza los electrones y abre una brecha incluso en una banda nominalmente semillena, produciendo aislantes de Mott que la imagen de banda simple no puede explicar.
Clinical relevance
La comprensión de la estructura electrónica de los sólidos inorgánicos sustenta el diseño de semiconductores, fotovoltaicos, conductores transparentes, catalizadores y los óxidos de metales de transición funcionales utilizados en electrónica y materiales energéticos.
History
La teoría de bandas surgió del tratamiento de Bloch de 1928 de los electrones en potenciales periódicos y se aplicó a la química mediante la vinculación de las imágenes de orbitales moleculares y de estado sólido, articulada para los químicos por Hoffmann. El trabajo de Mott sobre óxidos correlacionados y los estudios de Goodenough sobre óxidos de metales de transición revelaron dónde falla el modelo de banda simple.
Key figures
- Felix Bloch
- Nevill Mott
- John Goodenough
- Roald Hoffmann
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Seminal works
- hoffmann1987
- west2014
- cox2010
Frequently asked questions
- ¿Cómo se parece una banda a un diagrama de orbitales moleculares?
- Una banda es el límite de un diagrama de orbitales moleculares para un número enorme de átomos: a medida que más átomos aportan orbitales, los niveles discretos de enlace y antienlace se agrupan en un rango de energías casi continuo, la banda.
- ¿Por qué una pequeña brecha de banda convierte un material en semiconductor?
- Cuando la brecha entre la banda de valencia llena y la banda de conducción vacía es pequeña, la energía térmica puede promover algunos electrones a través de ella, dejando huecos móviles; ambos portadores conducen, por lo que el material conduce modestamente y cada vez más con la temperatura.