7.1.3: Tendencias Periódicas - Metales, Semiconductores y Aisladores

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Al considerar tendencias periódicas en las propiedades electrónicas de los materiales, es importante revisar algunas de las tendencias clave de vinculación que hemos aprendido en capítulos anteriores:

Bajando por la tabla periódica, los átomos en los sólidos tienden a adoptar estructuras con mayores números de coordinación.
La segunda fila de la tabla periódica es especial, con fuerte hibridación s-p y enlace π entre átomos.
Los electrones en las capas cuánticas superiores están menos fuertemente unidos, por lo que la diferencia de energía entre los orbitales de enlace y antienlace se vuelve más pequeña para los átomos más pesados.

También sabemos que la mayoría de los elementos de la tabla periódica son metales, pero los elementos en la esquina superior derecha son aislantes en condiciones ordinarias (1 atm. presión) y tienden a obedecer la regla del octeto en sus compuestos.

3 gráficas de energía vs densidad de estados. Aislante metálico, semimetal y semiconductor.

En la transición entre metales y no metales en la tabla periódica encontramos un cruce en las propiedades electrónicas, así como en otras propiedades como la acidez de los óxidos (ver Ch. 3). El grupo de elementos en el borde se conoce vagamente como los metaloides. Varios de estos elementos (como C, Sn y As) pueden existir como diferentes alótropos que pueden ser metales, aislantes o algo intermedio.

Se puede hacer una delineación más rigurosa de las propiedades electrónicas de estos elementos (y de muchos compuestos) considerando sus estructuras de banda y la dependencia de la temperatura de la conductividad electrónica. Como ya hemos comentado anteriormente, los metales han llenado parcialmente bandas de energía, lo que significa que el nivel de Fermi se cruza con una banda parcialmente llena. Con el aumento de la temperatura, los metales se vuelven conductores más pobres porque las vibraciones de la red (que se llaman fonones en la literatura física) dispersan los electrones de valencia móvil. En contraste, los semiconductores y aisladores, que tienen bandas llenas y vacías, se convierten en mejores conductores a mayor temperatura, ya que algunos electrones se excitan térmicamente a la banda vacía más baja. La distinción entre aisladores y semiconductores es arbitraria, y desde el punto de vista de las transiciones metal-aislantes, todos los semiconductores son aislantes. Normalmente llamamos a un aislador semiconductor si su banda prohibida (E _gap) es menor que aproximadamente 3 eV. Un semimetal es un material que tiene un espacio de banda cercano a cero, ejemplos son láminas individuales de carbono unido a sp ² (grafeno) y Bi elemental. Al igual que un semiconductor de hueco estrecho, un semimetal tiene mayor conductividad a mayor temperatura.