Giáo trình đại cương khoa học vật liệu phần 1

NGUYEN NANG ĐỊNH DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU NHÀ XUẤT BẢN DAI HOC QUOC GIA HA NOI MUC LUC Trang Lỗi N01 đẦƯ ere menses khekesasltsssdesosdllsuiileedsSOotx©UEBRIENWGEGGUBDStASNNSBSỸ Chương CÂU TRÚC NGUYÊN TỪ VÀ LIÊN KÉT .5-:c55: l;l, CẤU LG NBUVÊN TỀ, cũ nu nho du G025)820830.001880230830884 1.2, Cấu trúc điện tử nguyên tử .-cccccererirres 10 1.2.3 Cầu trúc điện từ nguyên tử nhiễu điện tử Các kiểu liên kết nguyên tử phân tử 16 gece) Bàn nể: ¡.3 Liên kết cộng hoá tị c2 20 27 1.3.3 Liên kết kim loại s22 222222212 cxe 33 1.3.4 Lién két nhóm thứ hai — liên kết yếu .- -.-222sc-ces 36 Chương CẤU TRÚC TINH THỂ 2.1 Đối xứng mạng tỉnh thể 2.1.1 đuối Định nghĩa, tính chất 0Ơ 41 2.1.2 Diễn giải 32 nhóm đối xứng điểm se 45 Rý hiểu tính tHỂ:ciccssiSaciaodittobltdiosetaduaopDinsaodssdfi 53 2:3.L Khút niệm CHUNG coe cosseumaemmmonsmmmemmeremes 2.2.2 Kí hiệu tỉnh thể học 2.2.3 Mười bốn kiểu mạng Bravais 33: 04 Cấu trúc tỉnh thể kim loại điển hình -ccccccrsecres 68 2.3.1 Cấu trúc tỉnh thể lập phương tâm khối (BCC) 68 2.3.2 Cấu trúc tỉnh thể lập phương tâm điện (FCC) 70 DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU 2.3.3 Cấu trúc tỉnh thể lục giác xếp chặt (HCP) s c2 72 2.3.4 Vị trí ngun tử sở lập phương 74 2.3.5 Hướng ô sở lập phuong cece eee 2.3.6 Chỉ số Miller mặt tỉnh thể mạng lập phương #5 nll 2.3.7 Chỉ số mặt hướng tinh thé mạng lục giác 83 2.4 Mật 2.4.1 2.4.2 2.4.3 độ vật chất tỉnh thể 252221 2222211221 se 85 Khối lượng riêng -:-2222 22112222211122111022221 2e 85 Mật độ nguyén tr trén mat tinh thé oo ccc cece 86 Mật độ nguyễn tử cạnh 22-2221 2222212212 crree %8 Chương CÂU TRÚC VỮNG NÀNG LƯỢNG 3.1 Mạng đảo mạng tỉnh thể 3.1.1 Cách xây dựng mạng đảo tử mạng tỉnh thẻ thực 89 3.1.2 Y nghia thuc tế mạng đảo .- che nheerire 93 3.2 Diện tử trường tuần hồn - Lí thuyết vùng lượng 94 3.2.1 Cơ sở phương pháp điện tử 2140007388 94 3.2.2 Định lý Bloch 3.2.3 Mẫu Kronig — Penmmey 3.2.4 Tính chất đối xứng e(k) MB 3.2.5 Mặt đẳng miễn Brillouin .- 3.2.6 Phương pháp liên kết chặt LCAO sister 3.2.7 Chuẩn hạt: “Điện tử” “lỗ trồng” tỉnh thể 117 Chương VẬT LIỆU KIM LOẠI, ĐIỆN MÔI VÀ BẢN DẪN 4.1 Vật liệu kim loại điện môi 4.1.1 Độ dẫn điện kim loại ¿s5 222122 rre 4.1.2 Vận tốc cuỗn điện tử kim loa eerie 4.1.3 Điện trở suất kim loại 4.1.4 Cấu trúc vùng lượng kim loại 4.1.5 Cầu trúc vùng lượng chất cách điện (chât điện môi) che 133 _MỤC LUC - - 135 ereeeree HH2 che 4.2 Vật liệu bán dẫn 3:2.Ì Bán KHUẪN nu ngpn uốn gingổ ho nhà GD AHg gưa nga iRanne 135 55cc 143 22221222 tre 4.2.2 Bán dẫn tạp chất 22 4.2.3 Hiệu ứng pha tạp nồng độ tạp chất bán dẫn tạp 149 4.4 Tính chất quang vật liệu .-ccscrrerrrerirrree 156 4.4.1 Ảnh sáng phô điện- từ „S7 4.4.2 Khúc xạ, chiết suất „155 4.4.3 Phổ hấp thụ, truyền qua phản xạ ánh sáng 160 169 rererrereirree cá Chương Š VẶT LIỆU TỪ TÍNH 5.1 Tir truong va đại lượng đặc trưng 169 lì on 435 169 $51.2, Cail W@W „xúsoicqdggGUA0SGRGINGLSOIGINMDGIASIRHGISWGASB 5.1.3 Độ cảm từ độ từ thâm 5.2 Các loại vật liệu từ 5.2.1 Nghich tir §.2.2 ịAIda3ẢÃĂÁẤẮÁẮAẶ 58 8, Sat hssemccunmcostemcnrenausencrammerrmmermnmrnmenmete ẽ san 5.2.5 Vật liệu feri từ 0022221222222 re 5.3 Đômen sắt từ 5.4 Các đạng lượng xác định cấu trúc đômen sắt từ 5.4.1 Năng lượng tĩnh điện tương tác trao đổi (EX€hinfifE GIDTEW]sasoosnoiGeiodidoq6ilitixiiHletatttgseeesseea 182 5.4.2 Năng lượng tĩnh từ (Magnetostatic energy) 183 5.4.3 Năng lượng dị hướng từ tỉnh thé (Magnetocrystalline anisotropy energy) . -.-+ 184 5.4.4 Năng lượng từ đàn hồi (Magnetostrictive energy) 185 5.4.5 Năng lượng biến dạng đàn hi (Elastic deformation energy) 185 5.5 Cấu trúc vách đômen Š.6 Từ hoá khử từ, đường cong từ hoá DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU 5.7 Vat ligu tir mém va tir cteng o.oo am ¬— eae Chương CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU 190 193 NOT 1n 6.1.1 Giản đồ pha chất tỉnh khiết 16 1on ác 6.1.3 Các hệ hợp kim đồng hình nhị phân _¬ Š:1;4; Quy: TBS LSS 193 193 " 197 đồn toasoountingitiaicaldsBotolBGiocg RhnSsdta 199 6.1.5 Q trình đóng rắn không cân băng hợp kim 202 6.1.6 Giản đồ pha hợp kim sắt-cacbit sắt (Fe-FesC) 6.2 Kết tỉnh 205 206 6.2.1 Kết tỉnh kim loại .206 6.2.2 Kết tỉnh đơn tỉnh thể (Nuôi đơn tỉnh thể) .215 6.3 Cong nghé mang MONE snes aan 18058088 224 6:3.I Giối:tiệu chưng cossssssennsrnansnenrdarosinoiaroiatnSouiniiali0153300010Ø 224 6.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVID) 225 6.3.3 Phương pháp lắng đọng pha vật lý (PVD) 227 6.4 Công nghệ vật liệu cấu trúc nanô Tài liệu tham khảo de a Lời nói a _ đầu “Đại cương khoa học vật liệu” môn học sở ngành Vật lý kỹ thuật thuộc Trường Đai học Cơng nghệ, Đại hoc Quốc gia Hà Nội Giáo trình “Đại cương khoa học vật liệu” biên soạn nhằm phục vụ giảng dạy học tập Khoa Vật lý kỹ thuật Cơng nghệ nanó, Trường Đại học Cơng nghệ Giáo trình giúp sinh viên củng cố nắm vững kiến thức chất liên kết, cấu trúc tỉnh thể, tính chất vật liệu (dặc biệt vật liệu bán dẫn tử tính) phương pháp chế tạo vật liệu Giáo trình gốm chương: Chương Cấu trúc nguyên tử liên kết Chương Cấu trúc tỉnh thể Chương Cấu trúc vùng lượng Chương Vật liệu kim loại, bán dẫn diện mơi Chương Vật liệu từ tính Chương Cơng nghệ chế tạo vật liệu Giáo trình cịn nhằm mục đích phục vụ đối tượng học tập nghiên cứu công nghệ nuôi đơn tỉnh thể, vật lý chất rắn ngành kỹ thuật thuộc trường đại học thuộc khối khoa học tự nhiên công nghệ nước Mặc dù sách tài liệu tham khảo vật liệu giới vô phong phú chất lượng số lượng nước ta, tài liệu tiếng Việt môn hoc này, tỉnh thể hoc cịn han chế Giáo trình dược biên soan sở đúc kết kinh nghiệm nghiên cứu khoa học giảng dạy cấu trúc tỉnh thể công nghệ vật liêu quang diện tử thân tác giả Ily vong có tác dụng hữu ích, góp phần thực chủ trương xây dựng Trường Đại học Công nghệ trở thành trường đại hoc nghiên cứu đặc trưng công nghệ nước ta Tuy nhiên, khuôn khổ thời lượng quy dịnh, giáo trình giới han vật liệu vơ cơ, chưa thể DAI CUO'NG KHOA HOC VAT LIEU để cấp dén cac vat liệu hữu cơ, polymer hay vật liệu tổ hợp - lĩnh vưc chuyên sâu hoá hữu biên soạn giáo trình Trong trình biên soạn, tác giả khơng tránh khỏi thiếu sót khiếm khuyết Tác giả sẻ biết ơn độc giả ý kien nhận xét, để giáo trình “Đại cương khoa học vật liệu” vừa đáp ứng yêu cầu chất lượng vừa có hiệu sử dụng cao trường đại học khoa học tự nhiên, đại học kỹ thuật công nghệ, công tác nghiên cứu củng ứng dụng sản xuất Hà Nội, tháng 05 năm 2013 Tác giả Chuong CAU TRUC NGUYEN TU VA LIEN KET 1.1, Cau tric nguyén tir Như biết, nguyên tử bao gồm ba loại hat co ban 1a proton, notron diện tử Hiện cấu tạo ngun tử mơ tả mơ hình quen thuộc: trung tâm nguyên tử hạt nhân với kích thước đường kính khoang 10”° m, xung quanh bao bọc "mây” điện tử, tùy thuộc vào nguyên tố mà mật độ mây điện tử khác Nhìn chung, kích thước ngun tử khoảng 10'° m Khối lượng nguyên tử tập trung hầu hết vào hạt nhân bao gồm proton nơtron Một proton co khối lượng 1.673 x 10”! g điện tích + 1,602 x 10”? C Nơtron có khối lượng lớn khối lượng proton chút, 1,675 x 10% g, khơng có điện tích (trung tính) Điện tử có khối lượng nhỏ nhiều so với proton vả nơtron, vào khoảng 9,109 x 102 g (tức 1/1836 khối lượng proton, có điện tích - 1.602 x 10” C (bằng điện tích proton, trái dấu) Tuy khối lượng điện tử không đáng kê so với khối lượng nguyên từ, kích thước nguyên tử lại định kích thước mây điện tử bao xung quanh hạt nhân Các điện tử, điện tử ngồi định tính chất nguyên tử, cơ, nhiệt, điện, hóa học Do vây, hiểu biết cầu trúc điện tử nguyên tử vô quan trọng ngành khoa học công nghệ nói chung, vật lý nói riêng SỐ nguyên từ khối lượng nguyên tử ~- Số nguyên tử ngun tích điện dương) hạt nhân hịa vẻ điện tích, số nguyên tử mây điện tử (chúng ta thường nói tơ cho biết số proton (hạt nguyên tử Trong nguyên tử trung số lượng điện tử quỹ đạo quay xung quanh hạt nhân) Mỗi nguyên tố bảng tuần hồn có số ngun tử đặc trưng, 10 ĐẠI CUONG thể số nguyên tử cho biết hoàn Cho đến biết có số nguyên tử kết thúc Trong bảng tuần hoàn nguyên ký hiệu nguyên tổ KHOA HOC VAT LIEU vị trí ngun tơ bang tuần đến 105 nguyên tố, bắt dau 1a hydro hanium có số nguyên tử 105 tố, số nguyên tử thường đặt o ~ Khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố dược tính theo s6 Avogadro (Na), tire 14 6,023 x 10” nguyén tu nguyén tu gam, Đơn vị khối lượng nguyên tử ký hiệu vw quy ước 1,12 khối lượng nguyên tử carbon 12 (tức carbon có proton nơtron) Như nguyên tử carbon có khối lượng 12 u Trong bảng tuần hoàn, số đứng đưới ký hiệu nguyên tử khối lượng ngun tử tính theo đơn vị carbon (cịn gọi nguyên tử lượng) Nguyên tử gam hay phân tử gam gọi số nguyên tử lượng hay phân tư lượng tính theo gam Thí dụ, nhơm có ngun từ lượng 26,98, phân từ gam nhôm 26,98 g Trong phân tử gam nhôm chứa 6,023x 10” ngun tử nhơm Bài tập Tìm khối lượng (tính theo gam) ngun tử dồng Có nguyên tử đồng 1g đồng? Giải Từ bảng tuần hoàn thay, nguyên tử lượng dồng 63,54 Khối lượng nguyên tử gam đồng 63,54 g/mol Nghĩa 63,54 gam có 6,023x 10?” nguyên tử đồng, khối lượng nguyên tử đồng bằng: 63,54g/mol 6023x103 nt/mol x Int =1,05x10ˆ?2 ụ, Số nguyên tử đồng có g đồng là: 6,023x10 nt/ mol x1gCu =9,47x10" nt 63,54g/molCu 1.2 Cầu trúc điện tử nguyên tử 1.2.L Nguyên tử hydro Nguyên tử hydro nguyên tử đơn giản nhất, có điện tử bao quanh hạt nhân proton Từ học lương tử chủng ta biết mơ hình cấu tạo ngun từ hyđro trình bảy hình I