Doutorado
  1. Química inorgânica  1.1. Química de coordenação  1.1.1. Teoria do campo dos ligantes  1.1.2. Teoria do campo cristalino  1.1.3. Teoria de Orbital Molecular para Compostos de Coordenação  1.1.4. Estabilidade de Compostos de Coordenação  1.1.5. Espectros eletrônicos de compostos de coordenação  1.1.6. Isomerismo em Compostos de Coordenação  1.1.7. Cinética e mecanismo das reações de coordenação  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos metálicos  1.2.2. Alquil e aril metálico  1.2.3. Carbonos de Fischer e Schrock  1.2.4. Adição Oxidativa e Eliminação Redutiva  1.2.5. Hidretos Metálicos  1.2.6. Catalysis by organometallic compounds  1.2.7. Metallocenos e Complexos Sanduíche  1.2.8. Ativação de CH  1.3. Química do estado sólido  1.3.1. Estruturas e Redes Cristalinas  1.3.2. Teoria de bandas e propriedades elétricas  1.3.3. Defeitos no cristal  1.3.4. Síntese de materiais de estado sólido  1.3.5. Propriedades magnéticas e ópticas dos sólidos  1.3.6. Supercondutividade  1.3.7. Íons em estado sólido  1.4. Química Bio-inorgânica  1.4.1. Metaloproteínas e enzimas  1.4.2. Transporte e armazenamento de íons metálicos  1.4.3. O papel dos metais na medicina  1.4.4. Catálise bioinspirada  1.4.5. Interações Metal-DNA  1.4.6. Complexos Metálicos na Ciência Médica  1.5. Lantanídeos e Actinídeos  1.5.1. Configuração eletrônica e estados de oxidação em lantanídeos e actinídeos  1.5.2. Propriedades Espectrais e Magnéticas em Lantanídeos e Actinídeos  1.5.3. Separação e Extração de Lantanídios e Actinídios  1.5.4. Química de coordenação dos elementos do bloco f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de compostos de boro  1.6.2. Química dos Compostos de Silício e Germânio  1.6.3. Química dos Compostos de Fósforo e Enxofre  1.6.4. Química de organossilício  1.6.5. Química dos Gases Nobres
  2. Química Orgânica  2.1. Mecanismo de reação  2.1.1. Reações de substituição nucleofílica  2.1.2. Reações de adição e substituição eletrofílica  2.1.3. Reações de eliminação  2.1.4. Reações de Rearranjo  2.1.5. Reações Radicais  2.1.6. Reações Pericíclicas  2.1.7. Reações fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidade e atividade óptica  2.2.2. Análise estrutural  2.2.3. Efeitos estereoeletrônicos  2.2.4. Síntese assimétrica  2.2.5. Estereoquímica Dinâmica  2.3. Química Organometálica na Síntese Orgânica  2.3.1. Reagentes de organolítio e organomagnésio  2.3.2. Reações de acoplamento catalisadas por metais de transição  2.3.3. Reações catalisadas por paládio  2.3.4. Metátese de Olefinas  2.3.5. Catálise de ouro e prata  2.4. Química de produtos naturais  2.4.1. Alcaloides e terpenoides  2.4.2. Esteróides e Flavonoides  2.4.3. Síntese total de produtos naturais  2.4.4. Biossíntese de produtos naturais  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química Hospedeiro-Convidado  2.5.2. Auto-organização e reconhecimento molecular  2.5.3. Catalise Supramolecular  2.5.4. Máquinas Moleculares
  3. Química Física  3.1. Termodinâmica  3.1.1. Leis da Termodinâmica  3.1.2. Potencial Químico e Equilíbrio  3.1.3. Termodinâmica Estatística  3.1.4. Termodinâmica de não equilíbrio  3.2. Química Quântica  3.2.1. Equação de Schrödinger e suas aplicações  3.2.2. Teoria do orbital molecular  3.2.3. Teoria do funcional da densidade  3.2.4. Post-Hartree–Fock methods  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoria da taxa de reação  3.3.2. Mecanismo e leis de velocidade  3.3.3. Catalise e cinética enzimática  3.3.4. Dinâmica de reações  3.4. Espectroscopia e estrutura molecular  3.4.1. Espectroscopia de Infravermelho  3.4.2. Espectroscopia UV-visível  3.4.3. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometria de Massa  3.4.5. Espectroscopia Raman  3.5. Química de Superfícies e Coloides  3.5.1. Absorção e Catálise  3.5.2. Tensioativos e micelas  3.5.3. Estabilidade Coloidal  3.5.4. Nanomateriais e Interfaces
  4. Química Analítica  4.1. Cromatografia  4.1.1. Cromatografia Gasosa  4.1.2. Cromatografia Líquida de Alta Performance  4.1.3. Cromatografia em Camada Delgada  4.1.4. Cromatografia Iônica  4.2. Técnicas Eletroanalíticas  4.2.1. Voltametria e Polarografia  4.2.2. Condutometria e potenciometria  4.2.3. Colometria  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopia de absorção atômica  4.3.2. Espectroscopia de Fluorescência  4.3.3. Difração de raios-X  4.3.4. Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica  4.4. Quimiometria  4.4.1. Processamento de dados e métodos estatísticos  4.4.2. Análise multidisciplinar  4.4.3. Aprendizado de Máquina em Química Analítica
  5. Química Teórica e Computacional  5.1. Simulação de dinâmica molecular  5.2. Métodos de química quântica  5.3. Design de fármacos computacional  5.4. Aprendizado de Máquina em Química  5.5. Dinâmica molecular ab initio
  6. Biofísica e Química Medicinal  6.1. Descoberta e Design de Medicamentos  6.2. Cinética enzimática e inibição  6.3. Abordagem de biologia química  6.4. Interações proteína-ligante  6.5. Química bio-ortogonal
  7. Química de materiais  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerização  7.1.2. Polímeros Funcionais  7.1.3. Polímero Biodegradável  7.1.4. Polímeros condutores e semicondutores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas e nanoestruturas  7.2.2. Nanomateriais à base de carbono  7.2.3. Pontos quânticos  7.3. Química Energética e Ambiental  7.3.1. Química de Baterias e Células a Combustível  7.3.2. Química verde e materiais sustentáveis  7.3.3. Fotocatálise

Doutorado → Química inorgânica → Química do estado sólido ↓


Teoria de bandas e propriedades elétricas


A teoria de bandas é um conceito importante na química e física do estado sólido, que ajuda a compreender o comportamento dos elétrons em materiais sólidos, particularmente metais, semicondutores e isolantes. Esta teoria fornece uma estrutura para explicar as propriedades elétricas desses materiais com base nos níveis de energia disponíveis para os elétrons e na forma como esses níveis de energia são populados.

Conceitos fundamentais

Orbitais atômicos e orbitais moleculares

Ao nível atômico, os elétrons orbitam ao redor do núcleo em regiões definidas conhecidas como orbitais atômicos, que são marcadas por níveis de energia discretos. Quando os átomos se combinam para formar um sólido, seus orbitais atômicos se sobrepõem, formando orbitais moleculares que se estendem por um grande número de átomos.

À medida que o número de átomos aumenta, o número de orbitais moleculares que estão muito próximos em energia também aumenta. Em sólidos com números muito grandes de átomos (geralmente na ordem do número de Avogadro), esses orbitais moleculares formam faixas de energia contínuas. Estas faixas são o foco da teoria de bandas.

Bandas de energia

Em um sólido, bandas de energia são formadas devido aos numerosos orbitais moleculares. Essas bandas podem acomodar elétrons, e as bandas mais importantes relacionadas às propriedades elétricas são a banda de valência e a banda de condução.

Banda de valência: É a faixa de energia que contém elétrons de valência. Esses elétrons são responsáveis pelas propriedades químicas da substância.

Banda de condução: Esta é a faixa de energia onde os elétrons podem se mover livremente através do material, o que contribui para a condutividade elétrica.

Classificação dos sólidos

Com base na teoria de bandas, os sólidos podem ser classificados em condutores, semicondutores e isolantes, dependendo da posição relativa das bandas de valência e condução.

Condutor

Em condutores como metais, a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem, ou a banda de condução está parcialmente preenchida mesmo a temperatura zero absoluto (0 K). Isso significa que os elétrons podem se mover facilmente da banda de valência para a banda de condução, proporcionando alta condutividade elétrica.

Energia ^ Banda de Condução Sobreposição da Banda de Valência

Isolante

Isolantes têm um grande gap de energia entre a banda de valência e a banda de condução. Este gap de energia, que é tipicamente maior que 3 eV, significa que os elétrons não podem facilmente se mover da banda de valência para a banda de condução, resultando em baixa condutividade elétrica.

Energia ^ Banda de Condução Grande Gap de Banda Banda de Valência

Semicondutores

Semicondutores têm um gap de energia menor do que isolantes, tipicamente menor que 3 eV. A energia térmica à temperatura ambiente pode excitar elétrons da banda de valência para a banda de condução, gerando condutividade moderada que pode ser facilmente controlada por fatores externos como temperatura, luz ou dopagem.

Energia ^ Banda de Condução Pequeno Gap de Banda Banda de Valência

Gap de banda e condutividade elétrica

A natureza do gap de banda desempenha um papel fundamental na determinação das propriedades elétricas do material. Vamos discutir isso em mais detalhes com exemplos:

Dependência da temperatura

A condutividade elétrica de semicondutores e isolantes é altamente dependente da temperatura. À medida que a temperatura aumenta, mais elétrons são excitados da banda de valência para a banda de condução, aumentando a condutividade. No entanto, os metais mostram uma diminuição na condutividade com o aumento da temperatura devido ao aumento da dispersão fonônica dos elétrons.

Dopagem de semicondutores

Dopagem é o processo de adicionar impurezas a um semicondutor para alterar suas propriedades elétricas. Existem dois principais tipos de dopagem:

  • Dopagem do tipo N: Isso envolve a adição de elementos com mais elétrons de valência do que o material hospedeiro, permitindo que mais elétrons entrem na banda de condução. Por exemplo, elementos como fósforo em silício.
  • Dopagem do tipo P: Isso envolve a adição de elementos com menos elétrons de valência, criando lacunas na banda de valência onde os elétrons podem se mover, contribuindo assim para a condução. Exemplo de elementos como boro em silício.

Massa efetiva e manobrabilidade

A massa efetiva de um elétron em um material sólido afeta a facilidade com que o elétron pode ser acelerado por um campo elétrico. A mobilidade do elétron, que define a velocidade de deriva por unidade de campo elétrico, é diretamente afetada pela massa efetiva e pelos processos de dispersão dentro do material.

Aplicações da teoria de bandas

Design de dispositivos semicondutores

Compreender a teoria de bandas é essencial para projetar e otimizar dispositivos semicondutores, como diodos, transistores e circuitos integrados. Ao controlar o gap de banda através da seleção de materiais e dopagem, propriedades elétricas específicas podem ser desenvolvidas.

Célula fotovoltaica

Células solares convertem energia luminosa em energia elétrica usando o efeito fotovoltaico. Quando fótons com energia maior que o gap de banda atingem um material semicondutor, pares de elétron-lacuna são produzidos, os quais contribuem para o fluxo de corrente quando conectados a um circuito externo.

Diodos emissores de luz (LEDs)

Os LEDs funcionam com base no princípio da recombinação de gap de banda. Quando elétrons na banda de condução se recombinam com lacunas na banda de valência, a energia é liberada na forma de luz. A cor da luz emitida depende do gap de banda do material usado.

Conclusão

A teoria de bandas fornece uma estrutura unificadora para compreender as propriedades elétricas dos materiais que vão desde condutores até isolantes. Analisando bandas de energia e gaps de banda, químicos e físicos podem prever e ajustar o comportamento dos elétrons em sólidos, levando a diversas aplicações em tecnologia e ciência dos materiais. À medida que a pesquisa continua, os limites do que pode ser alcançado com engenharia de bandas e design de materiais estão constantemente sendo ampliados.


Doutorado → 1.3.2


U
username
0%
concluído em Doutorado

← Anterior (1.3.1)
Estruturas e Redes Cristalinas
Próximo (1.3.3) →
Defeitos no cristal

Comentários 



Teoria de bandas e propriedades elétricas

https://www.chemistryelite.com/phd/1.3.2?ceal=pt