Entendiendo el Nivel de Fermi y su Impacto en la Conductividad de Materiales

Nivel de Fermi

Cuando la temperatura es igual a cero, los electrones ocupan los orbitales moleculares individuales de las bandas de acuerdo con el orden de llenado habitual. El orbital más alto ocupado a T = 0 se denomina nivel de Fermi. La energía del nivel de Fermi depende de la temperatura, y cuando la temperatura es igual a cero, es igual a la energía del nivel de Fermi. Al aumentar la temperatura, la energía de Fermi se eleva por encima del nivel de Fermi, porque los electrones empiezan a ocupar estados más altos en energía.

Cuando la banda no está completamente llena, el nivel de Fermi cae dentro de una banda parcialmente ocupada (zona de alta densidad de estados) y los electrones próximos a la superficie de Fermi pueden promocionarse fácilmente a niveles vacíos próximos. La consecuencia es que dichos electrones gozan de movilidad y pueden moverse libremente por el sólido, siendo un conductor metálico. Sin embargo, cuando la banda de baja energía está completamente ocupada y la de alta energía está vacía, el nivel de Fermi cae en el GAP (zona de baja densidad de estados). Entonces, la promoción de los electrones será tanto más difícil cuanto mayor sea el valor de energía de dicho GAP. De este modo, si el GAP es pequeño, estamos ante un semiconductor, y si es muy grande, estamos ante un aislante.

Propiedades Magnéticas de los Metales

Hay metales que son paramagnéticos de Pauli (siempre que el N.F. caiga en una zona de baja densidad de estados) y otros paramagnéticos de Curie (siempre que el N.F. caiga en una zona de alta densidad de estados).

Diamagnetismo

Todos los electrones se encuentran apareados, lo que significa que presentan un momento magnético igual a cero. Por este motivo, las sustancias diamagnéticas presentan un pequeño campo inducido que se opone al campo externo aplicado.

Paramagnetismo

Los átomos poseen un momento magnético permanente ya que presentan electrones desapareados que se orientan en la dirección del campo aplicado.

Metales Alcalinos y Alcalinotérreos

Los metales alcalinos, alcalinotérreos y Al son paramagnéticos de Pauli. Se trata de un fenómeno no cooperativo, independiente de la temperatura y que solo aparece en presencia de un campo. Solo contribuyen electrones con energía cercana a la del nivel de Fermi, que dan lugar a bandas anchas.

Electrones Desapareados

Existen electrones desapareados. Estos metales con banda sp presentan bandas anchas cercanas al nivel de Fermi donde existe una baja densidad de estados de energía, es decir, hay pocos electrones desapareados y el momento magnético es muy pequeño. Si aplicamos un campo magnético, solo los electrones desapareados interaccionarían (uno con el espín hacia arriba y otro hacia abajo). Solo contribuirán al momento magnético aquellos momentos que se alinean al campo. Al aplicar un campo, se produce un desdoblamiento de la banda. Los electrones con espín antiparalelo al campo suben en energía y los electrones con espín paralelo bajan en energía para estabilizarse.

Metales de Transición

Los metales de transición son ferromagnéticos ya que tienen electrones desapareados. El orden magnético es un fenómeno cooperativo, dependiente de la temperatura y en el que no es necesaria la presencia de campo magnético. Los niveles de energía están muy cercanos, con alta ocupación. Hay mucha repulsión interelectrónica. Se reduce la repulsión electrónica desapareando electrones (energía de intercambio) a costa de la energía de enlace. La energía resultante estabiliza el sistema (energía de intercambio > diferencia de energía entre niveles).