Giáo trình vật liệu điện, điện tử phần 1 trường đh công nghiệp quảng ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Ths Tống Thị Phượng (Chủ biên) Ths Đoàn Thị Như Quỳnh GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN, ĐIỆN TỬ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH – 2014 LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” tài liệu biên soạn để phục vụ cho việc giảng dạy, học tập giảng viên sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Giáo trình biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” trình độ đại học ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử nhà trường thông qua Giáo trình gồm chương: Chương 1.Cấu tạo phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng lượng, phân loại vật chất Chương Vật liệu dẫn điện: Trình bày trình vật lý vật liệu dẫn điện tính chất chúng Giới thiệu vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn điện có điện trở cao Chương Vật liệu cách điện: Trình bày q trình vật lý điện mơi tính chất chúng, phân loại vật liệu cách điện Giới thiệu vật liệu cách điện thể khí, thể lỏng, thể rắn Chương Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu bán dẫn, tính dẫn điện vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n số chất bán dẫn thông dụng Chương Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu từ Tổng quan vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt Trong trình biên soạn giáo trình, cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Kính mong đồng nghiệp bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Quảng Ninh, tháng năm 2014 Người biên soạn Tổng Thị Phượng Chương CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1 Cấu tạo vật chất 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Như biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình ngun tử Rutherford, ngun tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng nguyên tử trung tâm, điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo giống hành tinh quay xung quanh Mặt Trời (hình 1-1) Hình 1-1 Mơ hình ngun tử Rutherford Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt proton nơtron, nơtron hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng Z.q Trong đó: Z – Số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hồn Mendeleep; q – Điện tích điện tử e (qe = 1,601.10-19 culơng) Proton có khối lượng 1,67.10-27kg; e – Electron có khối lượng 9,1.10-31kg Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hịa điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Nếu lý đó, nguyên tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương, ta thường gọi ion dương Ngược lại, nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử trở thành ion âm Để có khái niệm lượng điện tử ta xét nguyên tử hyđrô, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1 xác định công thức sau: f1  q2 r2 (1-1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm chuyển động f2: mv f2  (1-2) Trong đó: m - Khối lượng điện tử; v - Tốc độ chuyển động điện tử q2 Từ (1-1) (1-2) ta có f1 = f2 hay: mv  r Trong trình chuyển động, điện tử có động T = (1-3) mv q2 U = nên lượng điện tử bằng: r q2 W=T+U=2r (1-4) Biểu thức (1-4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r vơ cần phải q2 cung cấp cho lượng lớn 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự người ta gọi lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Q trình biến ngun tử trung hịa thành ion dương điện tử tự gọi trình ion hóa Trong ngun tử, lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4) Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác Song, chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn  ,  ,  hay tia X 1.1.2 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết hóa học Trong vật chất, tồn loại liên kết sau 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi đó, mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl 2) gồm nguyên tử clo, nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, điện tử hóa trị lớp Hai nguyên tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử (hình 1-2) Hình 1-2 Liên kết cộng hóa trị phân tử clo Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, cách khoảng cách “a” gọi phân tử cực tính hay cịn gọi lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trưng momen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số momen lưỡng cực phân tử, người ta chia thành chất cực tính yếu cực tính mạnh Những chất cấu tạo phân tử cực tính gọi chất cực tính Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ví dụ kim cương Cấu tạo kim cương mơ tả hình 1-3 Hình 1-3 Cấu tạo tinh thể kim cương 1.1.2.2 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hình tinh thể ion muối halogen kim loại kiềm Hình 1-4 Mơ hình mạng tinh thể NaCl Khả tạo nên chất hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi 1.1.2.3 Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự (hình 1-5) Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính vậy, liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Hình 1-5 Sơ đồ cấu tạo kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng 1.1.2.4 Liên kết VandeWaals Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do vậy, liên kết phân tử liên kết VanderWaals có nhiệt độ nóng chảy độ bền thấp parafin 1.1.2.5 Liên kết hydro Liên kết hydro xuất trường hợp mà nguyên tử hydro liên kết vớí ngun tử có tính âm điện mạnh chẳng hạn flo, oxy, photpho, ni tơ Các nguyên tử điện tử liên kết mang điện tích âm, liên kết gây lực hút tĩnh điện hạt mang điện Một thí dụ điển hình liên kết loại liên kết xuất phân tử nước Liên kết O-H tạo thành nguyên tử oxy phân tử nước với nguyên hydro phân tử nước khác Nguyên tử hydro có điện tử hố trị, liên kết với ngun có lớp ngồi thiếu điện tử Nhưng hydro liên kết với hai nguyên tử lúc tạo thành liên kết hydro Đây dạng liên kết có hướng, lượng liên kết bé, nhỏ 20 kJ/mol 1.1.2.6 So sánh liên kết Liên kết thường gặp liên kết VanderWaals, xuất trường hợp loại liên kết yếu với lượng liên kết cỡ 104J/mol Liên kết xuất ngun tử, phân tử trung hồ có lớp vỏ điện tử bên đầy Liên kết ion loại liên kết điển hình, thường gặp chất vơ cơ, hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua Vì vật rắn cấu tạo với liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao lượng liên kết cao Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử yếu điện tử bị gắn chặt vào ion, tinh thể ion có tính chất điện môi Liên kết ion thường gặp kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri ) Năng lượng liên kết ion lớn hẳn liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol Nhưng nhiệt độ cao chuyển động mạnh ion, nên điện dẫn ion xuất Liên kết cộng hoá trị có mặt chất hữu thường hay gặp hợp chất vô Liên kết dẫn đến tạo thành tinh thể hố trị điển Al, Ge Năng lượng liên kết ion thường cao khoảng 106J/mol Do chất có liên kết hố trị có điểm nóng chảy cao nhiệt dung lớn Liên kết kim loại xuất tạo thành điện tử hoá trị góp chung cho, đặc trưng cho kim loại điển hình Năng lượng liên kết bậc với với liên kết hoá trị Cuối liên kết hydro liên kết tương đối yếu Trong vật rắn thực, thường gặp thường gặp hai nhiều loại liên kết, có loại chiếm ưu quy định cấu trúc, tính chất vật liệu 1.1.3 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có kết cấu đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Khuyết tật vật rắn tượng phá vỡ tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, có mặt hợp chất lạ, áp lực học, lượng tử dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp Hình 1-6 Các dạng khuyết tật vật rắn Khuyết tật làm thay đổi đặc tính học, lý học, hóa học tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt, ví dụ vi mạch IC làm cho tính chất vật liệu đi, ví dụ vật liệu cách điện có lẫn kim loại 1.1.4 Các mạng tinh thể 1.1.4.1 Cấu trúc tinh thể Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới khơng gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) - Tinh thể kim loại; - Tinh thể ion; - Tinh thể nguyên tử (Hay tinh thể cộng hoá trị); - Tinh thể phân tử 1.1.4.2 Khái niệm ô sở Là mạng tinh thể nhỏ mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu tồn tinh thể Mỗi sở đặc trưng thông số: Hằng số mạng: a, b, c, , , ; Số đơn vị cấu trúc: n; Số phối trí; Độ đặc khít 1.1.4.3 Mạng tinh thể kim loại a Một số kiểu mạng tinh thể kim loại * Mạng lập phương đơn giản - Đỉnh nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm khối - Đỉnh tâm khối hộp lập phương nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh tâm mặt khối hộp lập phương nguyên tử ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương) - Khối lăng trụ lục giác gồm ô mạng sở Mỗi ô mạng sở khối hộp hình thoi Các đỉnh tâm khối hộp hình thoi nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: Hình 1-7 Mơ hình mạng tinh thể kim loại b Một số đặc điểm mạng tinh thể kim loại * Độ đặc khít mng tinh th Lập ph-ơng tâm khối Lập ph-ơng tâm mặt C A B B A A Lục ph-ơng chặt khÝt Hình 1-8 Mơ hình so sánh tính chặt khít mạng tinh thể kim loại * Hốc tứ diện hốc bát diện Hèc b¸t diƯn Hèc tø diƯn Hình 1-9 Mơ hình hốc tứ diện bát diện mạng tinh thể kim loại + Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện 8; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = + Mạng lục phương: Hốc tứ diện 4; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = c Độ đặc khít mạng tinh thể * Mạng tinh thể lập phương tâm khối a a a = 4r Hình 1-10 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm khối Số cầu ô sở : + 1/8 = Tổng thể tích cầu  r 3 Thể tích ô sở = a3 * Mạng tinh thể lập phương tâm diện 3  (a ) = a3 = 68% a a a = 4.r Hình 1-11 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm diện Số cầu ô sở : 1/2 + 1/8 = 4  r 3 Tổng thể tích cầu = = 4  (a ) = 74% Thể tích sở a3 a3 * Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số cầu sở: 1/6 + 1/12 + =  r 3 Tổng thể tích cầu = Thể tích sở a  ( )3 = 2a a.a 2 a = 74% a 2a b= a a a a a a a = 2.r Ô sở a Hình 1-12 Mơ hình mạng tinh thể lục phương chặt khít Bảng 1-1 Tổng quát đặc điểm mạng tinh thể kim loại Số Số Số Số Độ đặc Cấu trúc Hằng số mạng hạt phối hốc hốc Kim loại khít (%) (n) trí T O Lập phương tâm khối (lptk:bcc) ===90o a=b=c Lập phương tâm diện (lptd: fcc) ===90o a=b=c 12 Lục phương đặc khít (hpc) == 90o  =120o a≠b≠c 12 - 68 Kim loại kiềm, Ba, Fe, V, Cr, … 74 Au, Ag, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt, … 74 Be, Mg, Zn, Tl, Ti, … - d Khối lượng riêng kim loại * Công thức tính khối lượng riêng kim loại D= 3.M P (*) D = (n.M) / (NA.V1 ô ) 4 r N A Trong đó: M - Khối lượng kim loại (g); NA - Số Avogadro; n - Số nguyên tử ô sở; (1-6) P - Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%); r - Bán kính nguyên tử (cm); V1ơ - Thể tích mạng * Áp dụng Bài Tính khối lượng riêng tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt bán kính Ni 1,24 A Giải: a= a 4r 4.1, 24   3,507( A) ; P = 0,74 2 Khối lượng riêng Ni: 3.58, 7.0, 74 =9,04 (g/cm3) 4.3,14.(1, 24.108 )3 6, 02.1023 a a = 4.r Hình 1-13 Mơ hình mạng tinh thể Ni Bài Thực nghiệm cho biết pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng 19,4 g/cm3 có mạng lưới lập phương tâm diện Độ dài cạnh ô mạng đơn vị 4,070.10-10 m Khối lượng mol nguyên tử vàng là: 196,97 g/cm3 a Tính phần trăm thể tích khơng gian trống mạng lưới tinh thể vàng? b Xác định trị số số Avogadro? Giải: - Số nguyên tử ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = - Bán kính nguyên tử Au: 4.r = a  r= a /4= 1,435.10-8 cm a a a = 4.r Hình 1-14 Mơ hình mạng tinh thể Au Thể tích bị chiếm nguyên tử: Vnguyên tử= 4/3..r3 = 4.4/3.3,14.(1,435.10-8 )3 = 5.10-23 cm3 Thể tích đơn vị: V1ơ = a3 = (4,070.10-8)3 = 6,742.10-23 cm3 Phần trăm thể tích khơng gian trống: (V1ơ - Vngun tử).100 / Vngun tử = 26% Trị số số Avogadro: NA = (n.M) / (D.Vô) = 6,02.1023 Bài Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện a Tính cạnh hình lập phương mạng tinh thể khoảng cách ngắn hai tâm hai nguyên tử đồng mạng, biết ngun tử đồng có bán kính 1,28A0 b Tính khối lượng riêng đồng theo g/cm3 Cho Cu = 64 Giải: Bán kính nguyên tử Cu là: r = 1,28.10-8 cm Từ công thức: 4.r = a  a = 4.r / = (4.1,28.10-8) / 1,41 = 3,63.10-8 cm Khoảng cách ngắn tâm hai nguyên tử đồng mạng: 2.r = 2,56.10-8 cm Khối lượng riêng: D = (n.M) / (NA.V1 ô ) = 8,896 g/cm3 Bài Xác định khối lượng riêng Na, Mg, K Giải: Xác định khối lượng riêng kim loại theo cơng thức: D= 3.M P Sau điền vào bảng so sánh khối lượng riêng kim loại 4 r N A đó, giải thích kết tính Kim loại Na Mg Al Nguyên tử khối (đv.C) 22,99 24,31 26,98 Bán kính nguyên tử ( A ) 1,89 1,6 1,43 Mạng tinh thể Lptk Lpck Lptm Độ đặc khít 0,68 0,74 0,74 Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) 0,919 1,742 2,708 Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3) 0,97 1,74 2,7 Nhận xét Khối lượng riêng tăng theo thứ tự: DNa < DMg < DAl biến đổi cấu trúc mạng tinh thể kim loại, độ đặc khít tăng dần khối lượng mol nguyên tử tăng dần 1.1.4.4 Mạng tinh thể ion * Tinh thể hợp chất ion tạo thành cation anion hình cầu có bán kính xác định * Lực liên kết ion lực hút tĩnh điện khơng định hướng * Các anion thường có bán kính lớn cation nên tinh thể người ta coi anion cầu xếp khít theo kiểu lập phương tâm mặt, lập phương chặt khít, lập phương đơn giản Các cation có kích thước nhỏ nằm hốc tứ diện bát diện Bài Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt ion Na+, ion Clchiếm lỗ trống tám mặt ô mạng sở ion Na+, nghĩa có ion Clchiếm tâm hình lập phương Biết cạnh a ô mạng sở 5,58A0 Khối lượng mol Na Cl 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính Cl- 1,81A0 Tính: a Bán kính ion Na+? b Khối lượng riêng NaCl (tinh thể)? 10 Giải: Na Cl Hình 1-15 Mơ hình mạng tinh thể NaCl Các ion Cl xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, cation Na+ nhỏ chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Số phối trí Na+ Cl- Số ion Cl- ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = Số ion Na+ ô sở: 12.1/4 + 1.1 = Số phân tử NaCl ô sở a Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm  r Na+ = 0,98.10-8 cm; b Khối lượng riêng NaCl là: D = (n.M) / (NA.V1 ô )  D = [4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3] D = 2,21 g/cm3 Bài Phân tử CuCl kết tinh dạng lập phương tâm diện Hãy biểu diễn mạng sở CuCl a Tính số ion Cu+ Cl - suy số phân tử CuCl2 chứa mạng tinh thể sở b Xác định bán kính ion Cu+ Cho: D(CuCl) = 4,136 g/cm3; rCl- = 1,84A0; Cu = 63,5; Cl = 35,5 - Giải: Các ion Cl- xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, cation Cu+ nhỏ chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể CuCl2 gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào Số phối trí Cu+ Cl- Số ion Cl- ô sở: 8.1/8 + 6.1/2 = Số ion Cu+ ô sở: 12.1/4 + 1.1 = Số phân tử CuCl ô sở Khối lượng riêng CuCl là: D = (n.M) / (NA.a3 )  a = 5,42.10-8 cm (a cạnh hình lập phương) Có: 2.(rCu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8cm  rCu+ = 0,87.10-8cm 1.1.4.5 Tinh thể nguyên tử Trong tinh thể nguyên tử, đơn vị cấu trúc chiếm điểm nút mạng nguyên tử, liên kết với liên kết cộng hố trị nên cịn gọi tinh thể cộng hố trị Do liên kết cộng hố trị có tính định hướng nên cấu trúc tinh thể số phối trí định đặc điểm liên kết cộng hố trị, khơng phụ thuộc vào điều kiện xếp khơng gian ngun tử 11 Vì liên kết cộng hoá trị liên kết mạnh nên tinh thể nguyên tử có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi cao, khơng tan dung môi Chúng chất cách điện hay bán dẫn Bài a Hãy vẽ sơ đồ mô tả cấu trúc tế bào kim cương sơ đẳng? b Biết số mạng a = 3,5A0 Hãy tính khoảng cách nguyên tử C nguyên tử C láng giềng gần Mỗi nguyên tử C bao quanh nguyên tử khoảng cách đó? c Hãy tính số ngun tử C tế bào sơ đẳng khối lượng riêng kim cương? Giải: a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A Hình 1-16 Mơ hình mạng tinh thể kim cương a Các nguyên tử C chiếm vị trí đỉnh, tâm mặt nửa số hốc tứ diện Số phối trí C ( Cacbon trạng thái lai hoá sp2) Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + = nguyên tử Khoảng cách nguyên tử Cacbon nguyên tử cacbon láng giêng gần là: 2r = d/4; Với d đường chéo hình lập phương d = a  2.r = a / = 1,51.10-8 cm b Mỗi nguyên tử cacbon bao quanh nguyên tử cacbon bên cạnh c Khối lượng riêng kim cương: D= n.M N A V = 8.12,011 = 3,72 g/cm3 6,02.10 23.(3.5.10 8 ) Bài Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương a Tính bán kính nguyên tử silic Cho khối lượng riêng silic tinh thể 2,33g.cm-3; Khối lượng mol nguyên tử Si 28,1g.mol-1 b So sánh bán kính nguyên tử silic với cacbon (rC = 0,077 nm) giải thích? Giải: a Từ cơng thức tính khối lượng riêng: D= n.M N A V  V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3; a = 5,43.10-8 cm; d = a = 5,43.10-8 1,71 = 9.39.10-8 cm; 12 Bán kính nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 10-8cm b Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm) Điều phù hợp với quy luật biến đổi bán kính nguyên tử phân nhóm Do cấu trúc đặc biệt mạng tinh thể kim loại mà kim loại rắn có tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim Các tính chất vật lý chung electron tự kim loại gây Ngoài đặc điểm liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tự do, điện tích cation kim loại ảnh hưởng đến tính chất vật lý khác kim loại như: Độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi, tỷ khối 1.1.5 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn Lý thuyết điện tử tự giải thích nhiều tính chất vật rắn dẫn nhiệt, dẫn điện, phát xạ nhiệt, hiệu ứng nhiệt điện, điện từ đặc biệt kim loại Nhưng lý thuyết khơng giải thích tính chất vật rắn mối quan hệ với cấu trúc bên Tại số tinh thể chất lại kim loại, điện mơi bán dẫn, tính chất bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ thấp số kim loại có điện trở suất nhỏ đến 10-10 Ωcm, số điện mơi có điện trở suất lớn đến 1020 Ωcm tính chất vật lý khác lại khơng khác nhiều đến Bất vật rắn chứa điện tử Vấn đề liên quan đến tính chất điện vật rắn điện tử có hành vi có tác động điện trường ngoài? Lý thuyết phân vùng lượng cho điện tử phân bố theo vùng lượng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện mơi (cách điện) Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ chất khác trạng thái khí nguyên tử cách xa khoảng cách lớn rõ nguyên tử chất đặc trưng vạch quang phổ hoàn toàn xác định Điều chứng tỏ nguyên tử khác có trạng thái lượng hay mức lượng khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường khơng bị kích thích, số mức lượng điện tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên ngồi tác động (trạng thái kích thích) Ngun tử ln có xu hướng quay trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức lượng kích thích sang mức lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát phần lượng dư thừa Hình 1-17 Phân vùng lượng vật rắn 13 Các điện mơi có vùng lượng điền đầy toàn điện tử trống hoàn toàn: Như chúng khơng thể di chuyển có điện trường ngồi tác động Tinh thể kim loại hai vùng điền đầy phần (từ 10 đến 90%) Tinh thể bán kim hay bán dẫn (Bi – bán kim, Si – bán dẫn) hai vùng điền đầy phần nhỏ hay ngược lại điền gần hết ( 90%) Sự điền đầy bán dẫn điện phụ thuộc vào số điều kiện, đặc biệt nhiệt độ pha tạp Với số điện tử định chất rắn, có số vùng lượng thấp bị lấp đầy Tuỳ theo mức độ lấp đầy vùng lượng mà phân chia tất vật chất thành nhóm: Nhóm thứ bao gồm vật mà vùng lượng bị lấp đầy hoàn toàn vùng lượng bị lấp đầy phần Vùng kiểu xuất kim loại kiềm Vùng bị lấp đầy phần tạo phủ vùng lấp đầy lên vùng bỏ trống vùng bị lấp đầy phần, chẳng hạn với nguyên tố kim loại kiềm thổ Kim loại vật rắn có vùng lượng bị lấp đầy phần Nhóm thứ hai bao gồm vật mà phía vùng bị lấp đầy hồn tồn vùng hồn tồn trống Điển hình ngun tố thuộc nhóm bảng tuần hồn Mendeleev C, Ge, Si Thuộc nhóm cịn có nhiều hợp chất hoá học oxyt kim loại, natri, cadmi, halogen kim loại kiềm thổ Theo thuyết vùng lượng, điện tử vùng hố trị chuyển động tự nhau, không phân biệt kim loại hay điện môi Sự chuyển động thực chất thực ngầm chuyển từ nguyên tử sang nguyên tử khác Mặc dù tính chất dẫn điện vật thể, đặc biệt điện trở suất khác Như thấy có mặt điện tử tự điều kiện cần để xuất dẫn điện vật rắn, chưa điều kiện đủ Để giải thích tính chất điện khác vật liệu, lý thuyết đưa khác biệt chiều dày vùng cấm Điều thể việc nghiên cứu quang phổ phát xạ nguyên tử cho thấy kim loại đặc trưng vắng mặt vùng cấm (ΔW=0) Tuỳ thuộc chiều rộng vùng cấm vật rắn thuộc nhóm hai điện môi hay bán dẫn Các điện môi chất có chiều dày vùng cấm rộng tới mức nhiệt độ bình thường điện tử hố trị khơng thể di chuyển sang vùng dẫn lớn 3eV, kim cương 5,2eV, với Al2O3 eV Vì điều kiện bình thường, điện mơi vật liệu khơng dẫn điện có điện dẫn khơng đáng kể Các vật liệu bán dẫn chất có chiều dày vùng cấm bé, nằm khoảng 0,2 đến 1,5 eV, với Ge 0,66eV, Si 1,08eV AsGa 1,43eV Một số điện tử hoá trị nhiệt độ bình thường với sụ tiếp sức chuyển động nhiệt chuyển tới vùng dẫn để hình thành tính dẫn điện vật liệu Bình thường lượng chuyển động nhiệt (3/2kT) vào khoảng 0.04 eV, tức nhỏ nhiều so với chiều dày vùng cấm điện môi nên đưa điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn Thực tế khả điện tử có khả chuyển sang vùng dẫn phân bố lượng nguyên tử không giống sụ tương tác nguyên tử điện tử 14 Khi điện tử rời vùng hoá trị, hình thành chỗ trống -"lỗ hổng" Lỗ hổng lấp đầy điện tử khác Khi có tác dụng điện trường bên ngồi chuyển động điện tử từ chỗ trống sang chỗ trống khác ngược chiều điện trường xem chuyển động "lỗ hổng" giống chuyển động điện tích dương Nếu điện tử hố trị điền đầy hồn tồn hay nhiều vùng lượng điện mơi Dưới tác dụng điện trường ngồi, khơng có dịng điện vùng bị điền đầy hoàn toàn bị ngăn cách với vùng cao khe lượng (vùng cấm) nên khơng có cách thay đổi động lượng tổng điện tử Nếu vùng lượng phủ lẫn có vùng hay nhiều vùng không điền đầy, tinh thể có tính kim loại Các kim loại đất có điện tử hố trị cho chúng điện mơi có phủ vùng lượng nên chúng kim loại Do khơng có lượng chuyển động nhiệt nên vùng lượng bình thường nguyên tử vị trí thấp gọi vùng hóa trị hay gọi vùng đầy (ở 00K điện tử hóa trị nguyên tử lấp đầy vùng này) Những điện tử tự có mức lượng hoạt tính cao hơn, dải lượng chúng tập hợp thành vùng tự hay vùng điện dẫn (phần sơ đồ phân bố vùng lượng hình 1-18) Hình 1-18 Sơ đồ phân bố vùng lượng vật rắn nhiệt độ 00K 1.2 Phân loại vật liệu 1.2.1 Phân loại theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn dẫn điện 15 Hình 1-19 Sơ đồ phân loại vật liệu theo khả dẫn điện 1.2.1.1 Điện mơi Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xảy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm điện môi W nằm khoảng từ 1,5 đến vài eV 1.2.1.2 Bán dẫn Là chất có vùng cấm hẹp so với điện mơi, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W =0,2  1,5eV ) Do đó, nhiệt độ bình thường số điện tử hóa trị vùng đầy tiếp sức chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dịng điện dẫn 1.2.1.3 Vật dẫn Là chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy, chí chồng lên vùng đầy ( W < 0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn Ở nhiệt độ bình thường, điện tử hóa trị vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện tử tham gia vào dòng điện dẫn Chính vậy, vật dẫn có tính dẫn điện tốt 1.2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính Theo từ tính, người ta phân loại vật liệu thành nghịch từ, thuận từ dẫn từ 1.2.2.1 Nghịch từ Là chất có độ từ thẩm  1 không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi Loại gồm có oxy, nitơ ơxit, muối đất hiếm, muối sắt, muối coban niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim 16 1.2.2.3 Chất dẫn từ Là chất có  >1 phụ thuộc vào cường độ từ trường bên Loại gồm có sắt, niken, coban hợp kim chúng Hợp kim crơm mangan, gađolonit, pherit có thành phần khác Trong phần trình bày nghiên cứu tính chất vật liệu cách điện, bán dẫn, dẫn điện vật liệu từ dùng kỹ thuật điện CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử Phân biệt chất trung tính cực tính? Câu Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng lượng vật chất? Câu Cho biết sắt Feα có mạng tinh thể lập phương thể tâm, bán kính nguyên tử 1,24A0, sắt Feγ có mạng tinh thể lập phương diện tâm, bán kính nguyên tử 1,27A0 a Tính số tinh thể mạng tinh thể nói trên? b Tính mật độ khối chất? Câu Cho biết nhơm có tinh thể kiểu mạng lập phương diện tâm với số tinh thể a=4,04 A0 a Tính mật độ khối tinh thể nhơm? b Tính mật độ ngun tử tinh thể nhơm? Câu Vật liệu A có chiều rộng vùng cấm W nằm khoảng từ 1,7V thuộc loại sau: a Chất dẫn điện b Chất bán kim c Chất bán dẫn d Chất điện môi Câu Chất bán dẫn chất có chiều rộng vùng cấm thuộc khoảng sau: a W từ đến 0,2eV b W từ đến eV c W từ 0,2 đến 1,5 eV d W từ đến eV Câu Vật liệu có độ từ thẩm  1 không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi b Là chất có  >1 phụ thuộc vào cường độ từ trường bên c Là chất có 