Obtencin de propiedades magnticas y pticas a partir de la estructura electrnica de slidos

Estructura electrnica de los slidosEl estudio terico de la estructura electrnica de los slidos ha sido un frtil campo de investigacin desde los primeros das de la teora cuntica. Esta teora naci de los intentos de interpretacin de los espectros atmicos, la distribucin de frecuencias de la radiacin trmica, el efecto fotoelctrico y otros fenmenos de interaccin entre los slidos y la radiacin.Max Planck propuso por primera vez, en 1900, la idea de la cuantizacion del intercambio de energa en la interaccin radiacin-materia para poder explicar la distribucin espectral de la energa radiante del cuerpo negro. Einstein demostr en 1905 que si la vibracin de los tomos de una red cristalina se imagina cuantizada, se explica cualitativamente el abrupto y misterioso descenso de la capacidad calorfica de los slidos observado a muy bajas temperaturas. El estudio de la estructura electrnica de los slidos se realiza en el laboratorio utilizando una amplia variedad de experimentos, espectroscpicos, pticos, magnticos, elctricos, etc. Y se complementa con el anlisis y calculo tericos basados en los principios de la teora cuntica. El desarrollo de la teora de la estructura electrnica de los slidos ha ido paralelo al de la qumica cuntica, pero la conexin entre los dos campos ha sido relativamente escasa hasta la ltima dcada del siglo XX. El anlisis de la estructura electrnica de los cristales se ha fundamentado en argumentos de simetra. Lo mismo puede decirse de la qumica terica. Pero la simetra preponderante en los slidos es la simetra trasnacional, mientras que en las molculas es la simetra de los grupos puntuales. Esta diferencia ha creado una notable separacin en los mtodos trabajo y en el lenguaje de estos dos campos con objetivos conceptualmente tan prximos.

PROPIEDADES MAGNTICASLas propiedades magnticas de metales slidos y de semiconductores es mejor considerarlas como una parte de fsica pues dependen fuertemente de las estructuras de las bandas de los materiales. Aqu ponemos ms atencin a las propiedades magnticas que provienen de colecciones de iones o molculas individuales. Gran parte del tratamiento se aplica a muestras lquidas, gaseosas y tambin slidas.Susceptibilidad magnticaLas propiedades elctricas y magnticas de molculas y de slidos son anlogas. Por ej., algunas molculas poseen momentos dipolares magnticos permanentes y al aplicar un campo magntico podemos inducir un momento magntico con el resultado que la muestra slida entera se magnetiza. El anlogo a la polarizacin elctrica P es la magnetizacin M, el momento magntico dipolar promedio de las molculas multiplicado por el nmero densidad de molculas en la muestra. La magnetizacin inducida por un campo de fuerza H es proporcional a H:M = H es la susceptibilidad magntica de volumen.m = Vm es la susceptibilidad magntica molar, donde Vm es el volumen molar de la muestra.B es la densidad del flujo magntico y se relaciona con la fuerza del campo aplicado y con la magnetizacin de la muestra:B = o(M + H) = o(1 + )HMomento magntico permanenteEl momento magntico permanente de una molcula tiene su origen en espines electrnicos desapareados en la molcula. La magnitud del momento magntico de un electrn es proporcional a la magnitud del momento angular de espin {s(s + 1)}1/2 = (h partida).m = ge{s(s + 1)}1/2B B = = /2medonde ge = 2,0023Si hay varios espines electrnicos en cada molcula, stos se combinan para dar un espin total S y luego los s(s + 1) se convierten en S(S + 1). Se deduce que la contribucin de espin a la susceptibilidad magntica molar es:m = {NAge2oB2S(S + 1)}/3kT

Momento magntico inducidoLa aplicacin de un campo magntico induce la circulacin de corriente de electrones. Estas corrientes originan un campo magntico que por lo general se opone al campo aplicado, de modo que la sustancia es diamagntica. En pocos casos el campo inducido aumenta el campoaplicado y luego la sustancia es paramagntica.La gran parte de molculas con espines electrnicos no apareados son diamagnticas. En estos casos, las corrientes electrnicas inducidas ocurren dentro de los orbitales de las molculas que estn ocupados en su estado fundamental. En los pocos casos en los cuales las molculas son paramagnticas, a pesar de no tener electrones desapareados, la corriente electrnica inducida fluye en la direccin opuesta porque pueden hacer uso de los orbitales desocupados que estn prximos al HOMO en energa. Este paramagnetismo orbital se puede diferenciar del paramagnetismo de espin por el hecho que es independiente de la temperatura, por eso se denomina TIP (temperature independent paramagnetism). Estas observaciones pueden resumirse como sigue. Todas las molculas tienen una componente diamagntica en cuanto a su susceptibilidad, pero es dominada por el paramagnetismo de espin si las molculas tienen electrones desapareados. En unos pocos casos (donde existen estados excitados en niveles bajos) la TIP es lo suficientemente fuerte para hacer las molculas paramagnticas aunque tengan sus electrones apareados.PROPIEDADES PTICASCon respecto a las propiedades pticas, la interaccin de la luz con la materia se puede analizar desde el punto de vista macroscpico o microscpico. La teora electromagntica de Maxwell describe de manera macroscpica la interaccin de la onda electromagntica con el slido y relaciona las propiedades fsicas de los materiales con las constantes pticas. Actualmente, la interaccin de la materia con la luz se analiza desde un punto de vista microscpico, como un proceso de absorcin de un fotn, que conlleva a la creacin de un par electrn-hueco o la emisin o destruccin de un fonn, creacin de otras cuasipartculas como los excitones, etc. En fin, las propiedades pticos de los materiales estn relacionadas con la interaccin de las ondas electromagnticas los slidos tal que se producen diferentes procesos como la absorcin, la reflexin, la dispersin, la refraccin y la transmisin, en el rango del espectro correspondiente al ultravioleta, luz visible, infrarrojo y microondas.La espectroscopa ha sido una de las formas ms tradicionales para lograr un entendimiento de las propiedades de los tomos y es una de las herramientas ms poderosas para obtener las propiedades electrnicas y pticas de los materiales. Se considera que los electrones pueden absorber la energa de un fotn logrando transiciones a estados posibles de acuerdo con el principio de exclusin de Pauli.Los espectros de absorcin permiten probar que los estados posibles de energa de los electrones en unslido estn distribuidos en una estructura de bandas, ya que es posible descubrir todas las posibles transiciones de un electrn dentro del material.

Los metales y semimetales son buenos absorbentes, por lo tanto deberan ser opacos o negros; sin embargo no es as, la radiacin es absorbida pero muy rpidamente se emite. Por consiguiente, los metales son muy buenos reflectores de la radiacin electromagntica para la luz visible e infrarrojo, presentando un brillo caracterstico de los metales. En el ultravioleta la reflectividad es muy baja. Los semiconductores son opacos a la radiacin visible y ultravioleta, presentan el brillo metlicos; son transparente en los rangos del infrarrojo y microonda.El Silicio y el Germanio son transparentes a las radiaciones con longitudes de onda > 1,2x106m y > 1,8x106m respectivamente. Los aislantes son transparentes a la luz visible, algunos transmiten la luz ultravioleta y son opacos a radiaciones cuya longitud de onda es mas corta que un valor c, diferente para cada aislante, en el rango de la luz visible y ultravioleta.El CsBr es transparente a la radiacin infrarroja y se usa como un excelente prisma en espectrmetros de infrarrojo, es muy importante para realizar anlisis qumicos y las propiedades optoelectrnicas de pelculas delgadas de un semiconductor determinan el comportamiento de sus portadores de carga, al iluminarlo con luz visible, ultravioleta cercana o infrarroja cercana, longitudes de onda entre 300 y 2.500 nm.