Explicando A Matéria: Propriedades Elétricas - Estrutura de Bandas de Energia

        Nesta semana, o Explicando A Matéria começará a trazer alguns conceitos importantes sobre as Propriedades Elétricas de materiais, referentes à resposta destes à aplicação de um campo elétrico. A condutividade elétrica, como podemos inferir, corresponde à capacidade de um material em conduzir corrente elétrica, o que, em grande parte dos materiais, depende do movimento de elétrons. Este movimento, por sua vez, depende da estrutura de bandas de energia dos átomos envolvidos. Hoje, então, traremos o conceito de Bandas de Energia, essencial para entendimento de propriedades elétricas.

       Um átomo, em seu estado fundamental, apresenta elétrons em estados discretos de energia que, de acordo com o Princípio de exclusão de Pauli, só podem conter dois elétrons de spins opostos. Quando átomos se aproximam para formar um sólido, os elétrons serão perturbados pelos elétrons dos átomos adjacentes. Essa perturbação, por sua vez, faz com que os estados eletrônicos (níveis) se dividam em uma série de estados eletrônicos diferentes e espaçados, mas muito próximos, que formam uma banda de energia eletrônica. Nessa banda, teremos quantos níveis forem as contribuições dos átomos que se aproximarem: Se N átomos se aproximam, teremos N estados em uma banda relacionada ao nível de energia s e 3N estados em uma banda que se relaciona ao nível p. Os elétrons que antes ocupavam os níveis eletrônicos passam, então, a ocupar os estados eletrônicos das bandas.
         Níveis eletrônicos mais externos, que se aproximam antes, se separam em bandas primeiro, e à medida que a aproximação continua, níveis mais externos se dividem em bandas também. Devido a isto, podemos ter dois fenômenos: o primeiro corresponde à sobreposição de bandas, e o segundo, à formação de um espaço, um gap, entre elas, de forma que neste espaço não existem níveis eletrônicos disponíveis.
       Então, temos algumas definições neste contexto:
- Banda de valência: corresponde à última banda de energia ocupada
- Banda de condução: corresponde à banda vazia de maior energia que a banda de valência
- GAP: espaço entre as bandas.

     Para que um elétron seja capaz de conduzir corrente elétrica, deve ser excitado para se tornar um elétron livre. No caso de apresentarem uma banda de valência semipreenchida, elétrons são facilmente excitados a níveis vazios dentro da própria banda de valência, tornando-se livres, e, por isto, a condução é facilitada, caracterizando um material condutor. Caso, porém, a banda de valência seja completamente preenchida, elétrons devem ser excitados para a banda de condução para assim possibilitarem a condução de corrente elétrica. Caso o GAP entre estas as bandas seja pequeno, tal excitação é possível (não tão fácil quanto o caso anterior), e temos, então, um material semicondutor. Caso o GAP seja muito mais energético (maior que 2eV), temos que a promoção dos elétrons à banda de valência é muito difícil e, portanto, a condução também o é, e temos um material isolante.

Fonte e imagens: CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.