Estrutura Eletrônica de Sólidos Inorgânicos

A estrutura eletrônica de sólidos inorgânicos é descrita por bandas de orbitais formadas através do cristal, cujo preenchimento e lacunas distinguem isolantes, semicondutores e metais.

Definition

A estrutura eletrônica de sólidos inorgânicos é a descrição das energias e ocupação dos estados eletrônicos em um cristal estendido como bandas contínuas derivadas de orbitais atômicos, que determinam as propriedades ópticas e elétricas.

Scope

Este tópico abrange a visão química da estrutura eletrônica em sólidos estendidos: a formação de bandas a partir de orbitais atômicos sobrepostos, largura de banda e densidade de estados, a banda proibida (band gap) e a classificação de isolantes, semicondutores e metais, semicondutividade intrínseca e extrínseca (dopada), e os limites da imagem de banda em óxidos de metais de transição correlacionados onde surge o comportamento isolante de Mott. Ele trata da visão da ligação química; a física detalhada do estado sólido da teoria de bandas é abordada na física da matéria condensada.

Core questions

• Como os orbitais atômicos se combinam em bandas em um sólido?
• O que determina se um sólido é um isolante, semicondutor ou metal?
• Como a dopagem cria semicondutores do tipo n e do tipo p?
• Por que alguns óxidos de metais de transição isolam apesar das bandas parcialmente preenchidas?

Key concepts

• Bandas de energia e largura de banda
• Densidade de estados
• Banda proibida (Band gap)
• Isolantes, semicondutores e metais
• Dopagem e tipo de portador
• Isolantes de Mott e correlação

Key theories

Formação de bandas a partir da sobreposição de orbitais

À medida que os orbitais atômicos se sobrepõem em um sólido periódico, seus níveis discretos se ampliam em bandas; a largura da banda reflete a força da sobreposição e a densidade de estados descreve como os níveis eletrônicos são distribuídos em energia.

Bandas proibidas e classes de condutividade

Uma banda de valência preenchida separada de uma banda de condução vazia por uma grande lacuna (gap) resulta em um isolante, uma pequena lacuna resulta em um semicondutor, e uma banda parcialmente preenchida resulta em um metal, classificando os sólidos por seu comportamento elétrico.

Correlação eletrônica e isolantes de Mott

Em alguns óxidos de metais de transição, a forte repulsão elétron-elétron localiza os elétrons e abre uma lacuna mesmo em uma banda nominalmente meio preenchida, produzindo isolantes de Mott que o modelo de banda simples não consegue explicar.

Clinical relevance

A compreensão da estrutura eletrônica de sólidos inorgânicos sustenta o projeto de semicondutores, fotovoltaicos, condutores transparentes, catalisadores e os óxidos de metais de transição funcionais usados em eletrônicos e materiais energéticos.

History

A teoria de bandas surgiu do tratamento de Bloch de 1928 de elétrons em potenciais periódicos e foi aplicada à química através da ligação de imagens de orbitais moleculares e de estado sólido, articulada para químicos por Hoffmann. O trabalho de Mott sobre óxidos correlacionados e os estudos de Goodenough sobre óxidos de metais de transição revelaram onde o modelo de banda simples falha.

Key figures

• Felix Bloch
• Nevill Mott
• John Goodenough
• Roald Hoffmann

Seminal works

• hoffmann1987
• west2014
• cox2010

Frequently asked questions

Como uma banda é como um diagrama de orbital molecular?

Uma banda é o limite de um diagrama de orbital molecular para um número enorme de átomos: à medida que mais átomos contribuem com orbitais, os níveis discretos de ligação e antiligação se aglomeram em uma faixa de energias quase contínua, a banda.

Por que uma pequena banda proibida (band gap) torna um material semicondutor?

Quando a lacuna entre a banda de valência preenchida e a banda de condução vazia é pequena, a energia térmica pode promover alguns elétrons através dela, deixando buracos móveis para trás; ambos os portadores conduzem, então o material conduz modestamente e crescentemente com a temperatura.