4.2.4. Fotoconductividad
La fotoconductividad es un proceso en el cual la conductividad eléctrica de un semiconductor aumenta mediante la absorción de radiación electromagnética; también ocurre en aisladores. La longitud de onda de la radiación que promueve la fotoconductividad está frecuentemente en la región visible, aunque el mismo efecto se observa en el intervalo infrarrojo, ultravioleta y de rayos X. En algunas ocasiones, el incremento de conductividad puede ser tan elevado como 1010 veces y aún más.
La base física de la fotoconductividad es la excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, creando un par de portadores libres (un electrón y un hueco). Por consiguiente, la conductividad muestra un marcado crecimiento cuando la energía de los fotones incidentes es un poco mayor que la de la laguna energética.
Los materiales fotoconductivos (véase figura 4.23) se aplican en detectores de radiación (fotómetros), interruptores eléctricos controlados por radiación y en celdas solares.
Figura 4.23 Fotoconductividad
Hay otra serie de temas, como la triboluminiscencia, los láseres, los máseres, etc., que son de importancia técnica, pero que están fuera del alcance de estas notas.
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La nanoestructura de los metales Fundamentos cristalográficos
5.1. Introducción
La nanoestructura de los metales, es decir, su estructura cristalina, es fundamental para entender sus propiedades. Como afirma Walter Steurer: “Aunque sólo unos pocos materiales comerciales e importantes tecnológicamente son metales en estado puro (Si, Cu, Au, Ag, Pd, etc.), sus estructuras cristalinas son de un interés más que académico. Así, para dar sólo un ejemplo, la estructura cristalina de un metal puro permanece sin cambio en el caso de la solución sólida, cuando se añade uno o más componentes para ajustar las propiedades” (1996: 2). Este hecho se ha usado durante milenios para hacer aleaciones con diversas características.
Los metales son estructuras gigantes de átomos unidos por enlaces metálicos. “Gigante” implica que participa un número grande, aunque variable, de átomos, de acuerdo con el tamaño de la pieza de metal. Es por esto por lo que lo referente a la nanoestructura comprenderá varios capítulos de este libro, referidos a la estructura cristalina, la red ideal y las imperfecciones de la red, es decir, los defectos puntuales, a los cuales se dedica este capítulo; los defectos lineales (las dislocaciones) se tomarán tres capítulos y las discontinuidades superficiales (sobre todo los límites de grano) se llevarán otro capítulo. De ese modo se cubre lo relativo a la nanoestructura de los metales. Esto es suficiente porque, debe anotarse, un conocimiento completo de la estructura cristalina no es esencial para continuar con el estudio de la ciencia de los metales. El objetivo es proporcionar unas bases adecuadas de los conceptos fundamentales, con el fin de unificar la notación y recordar la estructura cristalina (nanoestructura) de los metales.
5.2. La estructura cristalina
Los sólidos que interesan en ingeniería de materiales forman un agrupamiento atómico (o molecular), en el que los átomos se disponen según cierto patrón que se repite periódicamente en tres dimensiones. Tales sólidos se llaman cristales y el agrupamiento atómico se denomina estructura cristalina. Es decir, los átomos en los cristales se ordenan en patrones configuracionales que se repiten en tres dimensiones en todo el interior del cristal. En los sólidos, la regularidad interna en la disposición atómica conduce frecuentemente a una simetría en su forma externa. Los cristales de sal gema, por ejemplo, son paralelepípedos rectangulares, cuyas caras son idénticas al ser observadas en distintas direcciones; estos cristales tienen un alto grado de simetría. En cambio, los de cuarzo cristalino poseen una simetría inferior. Por simple examen de las características externas, los cristalógrafos lograron construir un amplio cuerpo de doctrina acerca de las propiedades de simetría de los cristales, mucho antes de que fueran utilizados métodos modernos en la determinación más directa de la simetría interna de los agrupamientos atómicos.
Con base en esas observaciones fue que varios cristalógrafos del pasado (sobre todo del siglo xviii) propusieron que un cristal está hecho de numerosas unidades idénticas empaquetadas y unidas sólidamente entre sí en un arreglo tridimensional. Siguiendo estas ideas cualitativas, René Just Hauy inició, en 1798, la ciencia cristalográfica cuantitativa, al desarrollar expresiones matemáticas para los ángulos invariables, entre las caras de un cristal de una sustancia cristalina dada, en términos del apilamiento de unidades estructurales idénticas (Kunz, 1918). La prueba de estas ideas no se logró hasta 1912, pero entre tanto (200 años), estas relaciones angulares y sus simetrías fueron una base adecuada para clasificar los cristales e identificar minerales.
La comprensión del estado cristalino en términos de la distribución de los átomos empezó con el descubrimiento que Max von Laue hizo, en 1912, de que los cristales difractan los rayos X, y con el primer análisis de la estructura de un cristal (sal de roca) hecho por William Lawrence Bragg, junto con la determinación de la longitud de onda de los haces monocromáticos de los rayos X realizado por su padre, William Henry Bragg.
La cristalografía, que se inició con la difracción de rayos X en 1912 y que luego se extendió a la difracción de electrones y neutrones, tuvo tanta aplicación que aún es uno de los principales campos de investigación. Por esta razón, es importante que físicos, químicos, mineralogistas, metalurgistas e ingenieros tengan nociones de los fundamentos de la cristalografía, sus métodos y sus potencialidades.
La cristalinidad en los materiales va desde el extremo de los gases ideales (donde no existe), pasa por los líquidos (en los que también está ausente), empieza a insinuarse en los vidrios y llega hasta los sólidos reales (en donde existe) y se hace completa en el cristal ideal.
Los sólidos pueden ser cristalinos o vítreos. Los vidrios son líquidos sobreenfriados con viscosidad superior a 1015 poises (P). Existen vidrios metálicos que son uno de los desarrollos últimos en los materiales.
Con frecuencia, cuando un líquido se enfría, los átomos (o moléculas) se ordenan en posiciones definidas y forman un cristal. Esto significa que la configuración atómica en un sólido real es muy diferente a la de un líquido y durante la solidificación ocurre un reacomodamiento extensivo. Por otro lado, durante la formación de un vidrio, los átomos del líquido se detienen en su camino, o sea que no es solo el material el que se congela, sino también la configuración misma de los átomos y, a diferencia de los sólidos cristalinos, el vidrio no tiene un orden de largo alcance discernible: es amorfo.
Es normal que una sustancia amorfa sea isotrópica, es decir, exhibe las mismas propiedades físicas y químicas cuando se ensaya en cualquier dirección; sin embargo, un cristal tiene propiedades que son direccionales. La direccionalidad o anisotropía en un cristal se encuentra en mayor o menor grado, por ejemplo, en la conductividad térmica y eléctrica, la expansión térmica, las constantes elásticas, las constantes ópticas y la reactividad química de las superficies expuestas. La anisotropía es evidente cuando un cristal se deja crecer libremente, pues desarrolla caras de crecimiento íntimamente relacionadas con la estructura interna.
Un sólido es un agregado de muchos cristales (es policristalino). En muchos casos, estos cristales o granos son tan pequeños que solo se pueden ver bajo el microscopio. Todos los cristales reales tienen vacancias (posiciones atómicas vacías), capas atómicas fuera de lugar. Las impurezas o elementos de aleación (solutos) pueden introducir átomos, intersticialmente, entre los átomos de la red original, o pueden reemplazarlos de modo aleatorio o regular. Todas estas desviaciones de la idealidad generan importantes efectos sobre algunas propiedades químicas o físicas, como se verá en el transcurso de estas notas.
5.2.1. Factores que gobiernan una estructura cristalina
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