Física del estado sólido

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La física del estado sólido estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos utilizando disciplinas tales como la mecánica cuántica, la cristalografía, el electromagnetismo y la metalurgia física. Forma la base teórica de la ciencia de materiales y su desarrollo ha sido fundamental en el campo de las aplicaciones tecnológicas de microelectrónica al posibilitar el desarrollo de transistores y materiales semiconductores.

[editar] Introducción

Los cuerpos sólidos están formados por átomos densamente empaquetados con intensas fuerzas de interacción entre ellos. Los efectos de interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos.

Una característica importante de la mayoría de los sólidos es su estructura cristalina. Los átomos están distribuidos en posiciones regulares que se repiten regularmente de manera geométrica. La distribución específica de los átomos puede deberse a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos sólidos como el cloruro de sodio o sal común se mantienen unidos por enlaces iónicos debidos a la interacción electrostática entre los iones que componen el material. En otros, como el diamante, los átomos comparten electrones, lo que da lugar a los llamados enlaces covalentes.

Las sustancias inertes, como el neón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de unas fuerzas de atracción conocidas como fuerzas de Van der Waals, así llamadas en honor al físico holandés Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre moléculas o átomos neutros como resultado de la polarización eléctrica. Los metales, por su parte, se mantienen unidos por lo que se conoce como gas electrónico, formado por electrones libres de la capa atómica externa compartidos por todos los átomos del metal y que definen la mayoría de sus propiedades.

[editar] Estructura cristalina

Explicar porque se forma la estructura, incluyendo fuerzas actuantes, etc.

[editar] Comportamiento electrónico en los cristales

El comportamiento de los electrones está regido por las leyes de la mecánica cuántica, por lo tanto:

• Los electrones no pueden tener cualquier nivel de energía: los estados de energía están cuantificados. A un conjunto de niveles de energía muy cerca entre sí se lo denomina banda de energía y se la considera continua.
• No todas las bandas se ocupan uniformemente, sino que algunas son más probables de ser ocupadas que otras, incluso hay bandas totalmente desocupadas, o sea que la probabilidad de que un eléctrón tenga ese nivel de energía es nula o muy cercana a cero.

[editar] Modelo simple

Poner un nombre más adecuado y hacer el artículo correspondiente. ¿Modelo de los enlaces covalentes?

Usualmente, se presenta este esquema basado en el modelo atómico de Bohr y el principio de exclusión de Pauli. Supóngase una red cristalina formada por átomos de silicio. Cuando los átomos están aislados, el orbital s (2 estados con dos electrones) y el orbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrán una cierta energía E_s y E_p respectivamente (punto A). A medida que disminuye la distancia interatómica comienza a observarse la interacción mutua entre los átomos, hasta que ambos orbitales llegan a formar, por la distorsión creada, un sistema electrónico único. En este momento se tienen 8 orbitales híbridos sp³ con cuatro electrones y cuatro vacantes (punto B).

Si se continúa disminuyendo la distancia interatómica hasta la configuración del cristal, comienzan a interferir los electrones de las capas internas de los átomos, formándose bandas de energía (punto C). Las tres bandas de valores que se pueden distinguir son:

1. Banda de Valencia. 4 estados, con 4 electrones.
2. Banda Prohibida. No puede haber electrones con esos valores de energía en el cristal.
3. Banda de Conducción. 4 estados, sin electrones.

[editar] Distribución probabilísitica de los electrones en las bandas

Los electrones no se distribuyen uniformementes en las diferentes bandas, sino que algunas son más probables a ser ocupadas que otras. La probabilidad de ocupación de las bandas está dada por la estadística de Fermi-Dirac, y el parámetro más importante es la energía de Fermi.

[editar] Conductividad eléctrica

La conducción eléctrica en un sólido se presenta en las bandas casi llenas o casi vacías.

Ecuación de transporte de Boltzman.

[editar] Véase también

• Metalografía