 | Este artículo o sección necesitareferencias que aparezcan en unapublicación acreditada. Busca fuentes:«Física del estado sólido» –noticias ·libros ·académico ·imágenes Este aviso fue puesto el 12 de julio de 2019. |
Lafísica del estado sólido es la rama de lafísica de la materia condensada que se enfoca en el estudio de lossólidos, es decir, en lamateria rígida o semirrígida. Esta estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos, utilizando disciplinas tales como lamecánica cuántica, lacristalografía, elelectromagnetismo y lametalurgia física. Forma la base teórica de laciencia de materiales y su desarrollo ha sido fundamental en el campo de las aplicaciones tecnológicas demicroelectrónica al posibilitar el desarrollo detransistores y materialessemiconductores.
La mayor parte de la investigación en la teoría de la física de estado sólido se centra en loscristales, en gran parte porque la periodicidad de losátomos en un cristal, su característica definitoria, facilita el modelado matemático, y también porque los materiales cristalinos tienen a menudo característicaseléctricas,magnéticas,ópticas, omecánicas que pueden ser explotadas para los propósitos de laingeniería.
El marco de la mayoría de la teoría en la física de estado sólido es laformulación (de la onda) de Schrödinger de lamecánica cuántica norelativista. Un importante punto de partida para muchos análisis es elteorema de Bloch, que caracteriza lasfunciones de onda deelectrones en unpotencial periódico. Puesto que el teorema de Bloch se aplica solamente a los potenciales periódicos, y puesto que los incesantes movimientos al azar de los átomos en un cristal interrumpen la periodicidad, este uso del teorema de Bloch es solamente una aproximación, pero ha demostrado ser una aproximación enormemente valiosa, sin la cual la mayoría del análisis de la física de estado sólido serían insuperables. Las desviaciones de la periodicidad son tratadas por lateoría de perturbaciones de la mecánica cuántica.
Los cuerpossólidos 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 suestructura 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 elcloruro de sodio o sal común se mantienen unidos porenlaces iónicos debidos a lainteracción electrostática entre los iones que componen el material. En otros, como eldiamante, los átomos comparten electrones, lo que da lugar a los llamadosenlaces covalentes.
Las sustancias inertes, como elneón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de unas fuerzas de atracción conocidas comofuerzas de Van der Waals, así llamadas en honor al físico neerlandésJohannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre átomos neutros o moléculas como resultado de lapolarización eléctrica. Losmetales, se mantienen unidos por lo que se conoce comogas 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. también presenta características del estado sólido tales como:
Las propiedades físicas de los sólidos han sido objeto de investigación científica durante siglos, pero no surgió un campo independiente con el nombre de física del estado sólido hasta la década de 1940, en particular con la creación de la División de Física del Estado Sólido (DSSP) dentro de laAmerican Physical Society. La DSSP se dirigía a los físicos industriales, y la física del estado sólido se asoció con las aplicaciones tecnológicas que la investigación en sólidos hacía posibles. A principios de la década de 1960, la DSSP era la mayor división de la American Physical Society.[1][2]
También surgieron grandes comunidades de físicos del estado sólido enEuropa después de laSegunda Guerra Mundial, en particular enInglaterra,Alemania y laUnión Soviética.[3] En Estados Unidos y Europa, el estado sólido se convirtió en un campo destacado gracias a sus investigaciones sobre semiconductores, superconductividad,resonancia magnética nuclear y otros fenómenos diversos. Durante los primeros años de la Guerra Fría, la investigación en física del estado sólido a menudo no se limitaba a los sólidos, lo que llevó a algunos físicos en las décadas de 1970 y 1980 a fundar el campo de lafísica de la materia condensada, que se organizó en torno a técnicas comunes utilizadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas y otras materias complejas.[1] En la actualidad, la física del estado sólido se considera ampliamente como el subcampo de la física de la materia condensada, a menudo denominado materia condensada dura, que se centra en las propiedades de los sólidos con redes cristalinas regulares.
La física del estado sólido constituye una parte importante de lafísica cuántica. Con su ayuda podemos comprender las propiedades mecánicas, térmicas, eléctrico-magnéticas y ópticas propias de lossólidos.
La existencia de la materia en un estado u otro depende de las condiciones depresión ytemperatura en las que se formaron. De la misma forma, estos parámetros condicionan la formación de la estructura interna del sólido.
Cada elemento tiene sus propias curvas de cambio de fase, de manera que dependiendo del elemento se necesitarán unas condiciones u otras para la formación del sólido o para realizar cualquier otrocambio de fase. Dependiendo del alcance del orden espacial de la estructura interna en la materia y su distribución en la misma podemos distinguir entre:
En rigor, esta clasificación solo es aplicable a sustancias puras.
En un modelo de sólido en el que los átomos están conectados entre sí mediante una especie de «muelles» (los cuales representarían la energía potencial que los une), la energía interna del sólido se compone de energía potencial elástica y energía cinética de susátomos. La presión es una medida del grado de compresión de sus átomos y la temperatura una medida de la energía cinética interna del conjunto de los mismos. Esto nos permite determinar que de acuerdo con las características externas del medio en que se encuentre, permitirán al elemento en cuestión poder adoptar un estado u otro e incluso formar o no una estructura cristalina.
Sin embargo la formación de una estructura cristalina no es un proceso fijo en un mismoelemento, ya que incluso tratándose así las condiciones de formación del sólido podrían determinar dos estructuras cristalinas diferentes para un mismo elemento, la cual otorga las propiedades tanto físicas y eléctricas como ópticas al nuevo sólido formado. Por ejemplo, el carbono puede cristalizar engrafito en determinadas condiciones y en otras cristaliza en el diamante, sin duda las características de uno frente a otro difieren bastante para tratarse en ambos casos de carbono cristalizado.
Este proceso no sólo es dependiente de la presión y la temperatura en sí mismos, sino también del tiempo aplicado en cada uno de dichos factores. De esta forma se sabe que la formación de cristales requiere un calentamiento del material a alta temperatura, aproximadamente 200 °C, lo que se conoce como temperatura de cristalización, a partir de la cual el elemento se funde para posteriormente, después de un tiempo lo suficientemente largo, cristalice. Al añadir temperatura al material, realmente le estamos damos energía, permitiendo que las partículas que lo componen oscilen a mayor velocidad con una mayor energía térmica, logrando que se funda(cambie al estado líquido). Luego mediante un enfriamiento lento conseguimos dar tiempo a las partículas que, de forma natural, tienden a retomar una forma geométrica y ordenada en la red interna consiguiendo así que se forme un cristal.
De igual forma, si repetimos el proceso pero aplicando un tiempo de enfriamiento demasiado corto impedimos que las partículas pueda «recolocarse» en una red cristalina homogénea haciendo así que la solidificación de lugar a un amorfo.
El policristal es el caso más típico de los que puedan encontrarse en la naturaleza, ya que un monocristal es un caso que rara vez se da. Un cristal posee diferentes zonas que no pueden homogeneizarse entre sí, pero se puede hacer que sean como monocristales individuales en cada una de sus regiones.
Siguiendo el ejemplo del carbono, la cualidad de que un mismo elemento pueda cristalizar en diferentes formas nos lleva al hecho de que es la red cristalina que forman la que determina sus propiedades. En la naturaleza existen 14 tipos de redes cristalinas (otras más complejas son combinaciones de estas más simples) que son conocidas comoredes de Bravais.
Estas redes son organizaciones geométricas tridimensionales en el espacio características de las partículas del sólido. Así pueden estudiarse las distribuciones en la red de los elementos.
Por ejemplo: El fósforo(P) cristaliza en una estructura cúbica, el hierro (Fe) en unabcc (body-centered cubic) y la plata (Ag) en unafcc (face-centered cubic). Otros cristalizan en redes compuestas como por ejemplo los elementos delgrupo 14 (C, Si, Ge...) o delgrupo 13 de latabla periódica que lo hacen en una estructura de tipo diamante, que es la combinación de dos redesfcc con una distancia interatómica de 1/4 de la diagonal.
Según cada una de estas distribuciones, cada una de las partículas situadas en los nodos de la estructura, contribuye en una parte a la formación del número de átomos contenido en su interior. Se trata del número de partículas porceldilla elemental que puede obtenerse como:
Siendo "nv" el número de partículas en los vértices, "ni" en el interior y "nf" en las caras deltetraedro.
Debido a que muchos de los compuestos elementales presentan simetría esférica podemos visualizarlas considerando éstas comoempaquetamientos espaciales de esferas rígidas. Partiendo de esta idea, podemos determinar la llamadaFracción de Empaquetamiento que nos proporciona una medida de lo "llena" que está la estructura reticular:
Para observar la estructura interna que posee un cristal generalmente puede determinarse a partir del análisis de la difracción ondulatoria producida cuando los fotones inciden en el cristal.
Gracias a estas observaciones, W. L. Bragg propuso la conocidaley de Bragg, que permite ver superficialmente la posición de los planos que forman los átomos:
Estas mismas propiedades pertenecientes a los sólidos cristalinos y el fundamento de los cambios de fase es el utilizado en el proceso de grabación deCD-RW yDVD-RW mediante cambios en la estructura cristalina, haciendo zonas amorfas o policristalinas, según los datos (bits) que se desean grabar. Otras propiedades y teorías están relacionadas con la física de los cristales como lasbandas de energías o los modelos que explican las propiedades eléctricas deconductores metálicos ysemiconductores.
El comportamiento de loselectrones está regido por las leyes de lamecánica cuántica, por lo tanto:
Elmodelo de Drude permitía explicar el comportamiento como conductor de algunos sólidos basándose en la aplicación de la teoría cinética a los electrones en un sólido. Sin embargo este modelo era insuficiente a la hora de explicar el comportamiento de otros materiales que hoy día se conocen como semiconductores. En respuesta al modelo de Drude surgió el modelo de bandas energéticas, el cual basándose en las distribuciones de los electrones en sus orbitales a modo de regiones discretas, puede explicar el comportamiento de laconductividad en los materiales.
Usualmente, se presenta este esquema basado en elmodelo atómico de Bohr y elprincipio de exclusión de Pauli.
Supóngase una red cristalina formada por átomos desilicio. Cuando los átomos están aislados, elorbital s (2 estados con dos electrones) y elorbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrán una cierta energía Es y Ep 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:
Los electrones no se distribuyen uniformemente 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 laestadística de Fermi-Dirac, y el parámetro más importante es laenergía de Fermi.
La conducción eléctrica en un sólido se presenta cuando el mismo tiene parcialmente llena su banda de conducción.También hay conducción eléctrica cuando la banda de conducción está vacía y además esta se traslapa con la banda de valencia.
Los temas de investigación modernos en física del estado sólido incluyen:
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