Legame metallico, ionico e legami deboli + Teoria delle bande

Formazione delle bande di energia nei cristalli metallici

Aatomi di Litio che si combinano, ci saranno N orbitali molecolari. Ciò porta a concludere che la banda 2s del litio è occupata solo a metà. Si può osservare che in generale nel processo di formazione delle bande di energia in un cristallo metallico coinvolge tutti gli orbitali atomici di ciascun atomo isolato, cioè oltre alla banda 2s si hanno anche le bande 1s e 2p. Infine si può osservare che alcune bande si sovrappongono alla distanza R (si osservi la sovrapposizione della banda 2s con la 2p nel cristallo di litio). Quanto più distesi sono gli orbitali atomici che si considerano, tanto maggiore è la distanza intermolecolare alla quale la loro interazione trasforma i livelli energetici degli atomi isolati in bande; per questa ragione i livelli degli orbitali 2s e 2p si allargano in bande già per valori di R per i quali il livello dell'orbitale 1s non risulta essere perturbato.

le bande sono tanto più allargate, quanto più alta è la loro energia. La distribuzione degli elettroni nelle bande avviene cominciando dai livelli energetici più bassi, seguendo il principio di Pauli. Nel caso del Litio, gli elettroni interni degli orbitali 1s rimangono praticamente localizzati su di essi, dando origine a bande interne sature, mentre gli N elettroni di valenza degli orbitali 2s occupano i primi N/2 livelli dalla banda 2s che viene definita Banda di valenza. In aula abbiamo fatto l'esempio sul litio: vedi pg.1 e diagrammi sotto. Proprietà metalliche Si spiegano attraverso la Teoria delle Bande. Proprietà metalliche - conducibilità elettrica Un conduttore elettrico è un cristallo caratterizzato da: - bande elettroniche di valenza parzialmente piene - bande elettroniche di valenza piene a cui si sovrappongono bande vuote La situazione del Litio è quella con le bande 2s piene per metà -> analogo anche per gli

Altri metalli alcalini e per la famiglia del Rame (Cu, Ag, Au).

Se invece l'atomo è un metallo alcalino-terroso come il Berillio, esso possiede due elettroni e dunque la banda di valenza risulta completamente occupata, ma la banda formata dall'interazione degli orbitali np (Banda di conduzione) si sovrappone in questo caso alla banda di volume e quindi gli elettroni possono fluire liberamente da una banda all'altra.

Se si applica una ddp tra due punti di un metallo (Li o Be), gli elettroni delle bande di valenza possono quindi assumere valori energetici più elevati occupando così livelli vuoti della banda ns - np -> essi possono acquisire un'energia cinetica significativa e costituire, con il proprio movimento ordinato, una corrente elettrica.

Isolanti elettrici

Nel caso degli isolanti la banda di valenza è satura ed è separata dalla banda di valenza superiore da un dislivello energetico molto elevato (dell'ordine di...

1. 6eV) -> gap energetico dibanda(esempio -> il diamante è costituito da una struttura tetraedrica di atomi di carbonio)
2. Semiconduttori intrinseci

Hanno una struttura a bande simile a quella degli isolanti, con la differenza però che il gap energetico, tra la banda di valenza piena e quella di conduzione vuota è piuttosto ridotto.

Ad esempio il silicio ha un gap d’energia di circa 1,1 eV che permette un comportamento di semiconduzione.-> Per intrinseci si intendono semiconduttori puri, ossia materiali semiconduttori che non contengono aggiunte di altri elementi nelle loro strutture cristalline

Per schemi e grafici vedi file modulo5_2_isemiconduttori_Palmas_2014.pdf

Il meccanismo di conduzione elettrica nei semiconduttori intrinseci può essere così spiegato:

1. Si supera il gap energetico deltaE che si ha tra la banda di valenza e quella di conduzione che può avvenire mediante due procedure:
1. Fotoconduzione: irraggiamento con radiazione

1. Elettromagnetica di frequenza tale per cui h*f ΔE ≥ b.

2. Termoconduzione: fornendo calore.

3. Trasferimento di elettroni nella banda di conduzione -> restano delle lacune energetiche positive nella banda di valenza.

4. Si applica ddp e gli elettroni nella banda di conduzione, essendo carichi negativamente, si muovono verso le zone a potenziale elettrico più elevato.

5. Nella banda di valenza le lacune positive si muovono verso le zone a potenziale elettrico più basso.

Occorre osservare che il movimento delle buche, nella realtà localizzate sugli atomi nelle posizioni reticolari, è solo apparente. Infatti ciò che in realtà avviene è un movimento di e in senso opposto (sarà dimostrato dalla seguente figura) -> gli elettroni si spostano e creano le lacune che poi vengono riempite (se in presenza di ddp) da altri elettroni in spostamento.

Concludendo in tutte e 2 le bande si ha moto di elettroni -> conduzione di corrente elettrica:

banda di conduzione -> banda di tipo n banda di valenza -> banda di tipo p

Semiconduttori estrinseci

La maggior parte delle applicazioni tecnologiche riguarda questo tipo di semiconduttori detti drogati.

La conduzione elettrica del silicio puro può essere aumentata mediante drogaggio con piccole quantità (1/10 rapporto drogante/puro) di elementi appartenenti al gruppo 13 o 15 della tavola periodica come: Boro, Alluminio, Gallio, Tallio, Indio ecc…

L'effetto che si ottiene è quello di un solido di tipo sostituzionale -> atomi di un materiale drogante sostituiscono atomi del semiconduttore puro.

Semiconduttori estrinseci - tipo p (drogaggio positivo)

Introducendo atomi di Gallio (3e valenza) in un semiconduttore Silicio (4e valenza) otteniamo la seguente situazione.

Mediante la terna delle bande si trova che il livello energetico associato all'unico elettrone del legame Ga-Si non viene a far parte della banda di valenza -> costituisce un

ma possono essere facilmente eccitati dalla temperatura o da una tensione esterna, passando così alla banda di conduzione e contribuendo alla conduzione di corrente. Questo tipo di semiconduttore estrinseco è chiamato tipo n, in quanto gli elettroni liberi provenienti dal fosforo sono responsabili della conduzione negativa della corrente.

Bensì è sufficiente l'agitazione termica degli elettroni per permettere loro di passare dal livello donatore alla banda di conduzione determinando un incremento nella conduzione elettrica del semiconduttore puro.

Legame ionico -> dovuto fondamentalmente all'attrazione elettrostatica che si determina tra ioni di carica opposta. Un esempio di legame ionico si ha con NaCl; infatti un atomo di sodio, avendo bassa E^ion+, perde facilmente un elettrone formando Na+ -> Cl- acquista facilmente un elettrone formando Cl-. Gli ioni cloro e sodio stanno attaccati reciprocamente in quanto le loro cariche opposte si attraggono -> Legame ionico.

Legame ionico - teoria di Lewis. Un legame ionico si forma perché gli elementi che si combinano tra loro raggiungono una configurazione a gas nobile. Ad esempio NaCl. I ioni Na+ e Cl- hanno configurazione elettronica a guscio chiuso di un gas nobile.