bài giảng vật liệu học chương 1 đại cương về vật liệu học - gv. lê quý dũng

Nguyên tắc, công dụng của một số phương pháp vật lý thông dụng ứng dụng trong khảo sát tính chất vật liệu Có cái nhìn khái quát về vật liệu học... Các trạng thái và liên kết trong chất •

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giới thiệu môn học

Mục tiêu môn học

• 1 Các khái niệm, nguyên lý chung, cơ sở của vật chất nói chung cũng như một số loại vật liệu nói riêng

• 2 Nguyên tắc, công dụng của một số phương pháp vật

lý thông dụng ứng dụng trong khảo sát tính chất vật liệu

Có cái nhìn khái quát về vật liệu học

Phân bố chương trình

• 1 Đại cương về vật liệu học

• 2 Vật liệu kim loại

• 3 Vật liệu polymer

• 5 Vật liệu nano

• 6 Một số phương pháp xác định cấu trúc và hình thái

vật liệu

Tài liệu tham khảo chính

• Slides bài giảng Vật liệu học

Cường (chủ biên) biên dịch

• Giáo án Vật liệu học của

thầy Hà Văn Hồng

Kế hoạch thi và phân bố điểm

Điểm

tiểu luận

20%

Điểm giữa kỳ 20%

Điểm thi học kỳ 60%

Điểm môn học

• Đề tài giảng viên đưa hoặc nhóm tự chọn (cộng

1 điểm)

• Lớp trưởng phân lớp thành 14 nhóm, bầu nhóm

trưởng, gởi danh sách về cho thầy vào buổi học thứ 2

Vật liệu học ngành hóa

Chương 1: Đại cương về vật liệu học

Chương 1: Đại cương về vật liệu học

• 1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

• 2 Các loại liên kết trong vật chất

• 3 Các trạng thái tự nhiên của vật chất

• 4 Đại cương về tinh thể học

• 5 Một số tính chất cơ bản của vật liệu

1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

Các thời kỳ của lịch sử được đặt tên theo loại vật liệu

1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

• Chất bột rắn màu trắng, không

tan trong nước

• Thường được biết tới dưới dạng

bột màu (trắng)

• Tính chất đặc biệt: khả năng xúc

tác quang hóa

1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

diệt khuẩn, sơn tự làm sạch

«Hãy hình dung một bệnh viện với các buồng

bệnh trắng tinh, vô trùng mà không cần nhân

công lau chùi; cửa kính trong suốt không hề

bám bụi, mọc nấm; quần áo mặc không cần

giặt Điều đó không viễn tưởng mà hoàn toàn

có cơ sở khoa học dựa trên vật liệu nano oxit

titan

1.1 Sự cần thiết phát triển vật liệu mới

KIM LOẠI

VẬT LIỆU BÁN DẪN

VẬT LIỆU SIÊU DẪN

VÔ CƠ

HỮU CƠ

VẬT LIỆU SILICON

1.2 Các trạng thái và liên kết trong chất

1.2 Các trạng thái và liên kết trong chất

• Coi lại giáo trình hóa học 1

• Do tương quan giữa các tiểu phân (phân tử, nguyên tử) trong chất

• Khí: động năng >> thế năng

• Lỏng: động năng và thế năng chênh lệch nhau không quá

nhiều

• Rắn: thế năng >> động năng

1.2 Các trạng thái và liên kết trong chất

Liên kết kim loại

Xem lại giáo trình hóa học 1

1.3 Đại cương về tinh thể học

1.3 Đại cương về tinh thể học

Ví dụ sự tạo

thành tinh thể

NaCl từ Na và

Cl2 nguyên chất

1.3 Đại cương về tinh thể học

• Sự khác biệt giữa chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình

Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp tuần hoàn Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp không tuần hoàn

1.3 Đại cương về tinh thể học

• Tinh thể là tập hợp các nguyên tử, phân

tử hay ion được sắp xếp có trật tự tạo

thành một cấu trúc nhất định có tính

tuần hoàn

• Các vật thể rắn trong thiên nhiên hầu

hết đều có cấu trúc tinh thể Thể khí,

lỏng hay chất rắn vô định hình cũng có

thể chuyển thành tinh thể ở các điều

kiện thích hợp

1.3 Đại cương về tinh thể học

• Đồng chất: tại mọi điểm trong tinh thể

đều có tính chất vật lý và hoá học như

1.3 Đại cương về tinh thể học

Cách biểu diễn một mạng tinh thể:

như hình bên

Nút mạng: biểu diễn những tiểu phân

tạo thành cấu trúc tinh thể

Đường thẳng: thể hiện liên kết giữa

các nút mạng

Ô mạng cơ sở: là ô mạng khi tịnh tiến

3 phương trong không gian sẽ tạo

thành mạng tinh thể

o Có bao nhiêu nguyên tử Cl

o Có bao nhiêu nguyên tử Na

1.3 Đại cương về tinh thể học

• Phân biệt đơn tinh thể và đa tinh thể

Đa tinh thể

Đơn tinh thể

Đa tinh thể gồm các đơn tinh thể dính liền với nhau tại biên của mỗi biên tinh thể

1.3 Đại cương về tinh thể học

• Mỗi một ô mạng cơ sở đặc trưng

bởi các thông số cạnh a, b, c, và các

góc α, β, γ

• Cấu trúc của ô mạng cơ sở đặc

trưng cho cấu trúc của mạng tinh

thể, có 7 kiểu mạng tinh thể khác

nhau

1.3 Đại cương về tinh thể học

1.3 Đại cương về tinh thể học

1.3 Đại cương về tinh thể học

Mật độ nguyên tử ô mạng cơ sở

• 𝑀ậ𝑡 độ ô 𝑚ạ𝑛𝑔 = 𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑡𝑖ể𝑢 𝑝ℎâ𝑛 𝑐ℎ𝑖ế𝑚𝑇ℎể 𝑡í𝑐ℎ ô 𝑚ạ𝑛𝑔 𝑐ơ 𝑠ở

Mật độ nguyên tử ô mạng cơ sở

• Bài tập: lập công thức tính mật độ của ô mạng cơ sở cho các ô mạng sau:

o Lập phương đơn giản, tâm khối, tâm mặt

o Trực thoi đơn giản, tâm đáy, tâm khối, tâm mặt

o Bốn phương đơn giản, bốn phương tâm khối

1.4 Mặt mạng tinh thể - chỉ số hkl (chỉ số Miller)

• Để xác định mặt phẳng tinh thể trong cấu trúc lập

phương, thường sử dụng chỉ số Miller

• Định nghĩa: chỉ số Miller là đại lượng nghịch đảo giao

điểm phân số của mặt tinh thể cắt trên trục tinh thể x, y,

z của ba cạnh không song song của ô cơ bản lập

phương

• Cạnh lập phương của ô cơ bản là đơn vị đo chiều dài và

vị trí cắt của mặt tinh thể được đo theo thành phần của

chiều dài đơn vị này

Chỉ số Miller (h,k,l) (mặt phẳng tinh thể)

• Tìm giao điểm của mặt phẳng trên 3 trục

• Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc toạ độ đến các giao điểm

• Lấy giá trị nghịch đảo của các đoạn thẳng

• Ký hiệu bằng ba chữ h, k, l tương ứng 3 trục x, y, z

• Số âm được viết bằng 1 gạch ngang ở đầu

2 ∞ -1 ∞ 1/ ∞ -1/ 1 1/ ∞

Bài tập – xác định chỉ số hkl

Ứng dụng của chỉ số hkl

• Hai ứng dụng quan trọng

o 1 Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl

o 2 Từ phổ nhiễu xạ tia X, xác định các mặt cho nhiễu xạ, từ đó có thể xác định được kiểu ô mạng tinh thể (chưa học)

Ứng dụng của chỉ số hkl

• Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl

Bài tập

• Xác định chỉ số Miller của mặt mạng tinh thể trên

• Tính toán khoảng cách giữa những mặt mạng có cùng chỉ số hkl đó

Bài tập độ đặc khít của ô mạng lập phương

Ví dụ: giải trường hợp lập phương đơn giản

• Giả sử cạnh của ô mạng cơ sở là a

𝑎 3 100% = 𝜋

6 100% =

3,14

6 100% = 52,3 %

Khối lượng riêng

m- khối lượng của các nguyên tử

(phân tử, ion) thuộc về một ô cơ sở

n M

A

v





Bài tập

• 1 Sắt alpha kết tinh theo mạng lập phương tâm khối Xác định bán kính của nguyên tử Fe trong sắt alpha biết tỉ trọng của nó bằng 7,86 g/cm 3 Cho Fe = 55,8 g/mol

• 3 Cu kim loại kết tinh theo mạng lập phương tâm diện

Tỉ trọng của nó bằng 8,96 Tính bán kính nguyên tử của

Cu

Cu = 63,5 g/mol

Bài tập

• 4 Tỉ trọng của NaCl bằng 2,165

Tính tổng bán kính của 2 ion Na+ và Cl-

MNaCl = 58,44 g/mol

• 5 Cho thông số mạng tinh thể của 2 dạng thù hình của Fe:

- Fe alpha: lập phương tâm khối; a = 0,286 nm

- Fe gamma: lập phương tâm diện; a = 0,356 nm

Tính bán kính nguyên tử và tỉ trọng của Fe trong mỗi trường hợp

Fe = 55,8 g/mol

• 6 Bán kính nguyên tử của C là r = 0,077 nm

Tính tỉ trọng và độ đặc khít của kim cương C = 12,01 g/mol

1.5 Sai khuyết trong tinh thể

 Khuyết tật Frenkel :

=> Cặp: N.trống (+) & N.tử xen kẽ (+) Khuyết tật Schotky :

=> Cặp nút trống: N.trống (+) & N.trống (-)

Khuyết tật Shottky

Khuyết tật

1.5 Sai khuyết trong tinh thể

Khuyết tật tạo bởi hợp chất không tương hợp

Điều kiện Ion có nhiều hóa trị

1.5 Sai khuyết trong tinh thể

K.thước : giống nhau

Điện tích : giống nhau

Trung hòa điện

 Khuyết tật tạo bởi tạp chất

1.6 Một số tính chất cơ bản của vật liệu

• Tính chất vật lý

• Tính chất hóa học

• Tính chất cơ học

1.6.1.1 Tính chất điện

• Mô hình dải năng lượng

• Khái niệm về dẫn điện

• Dẫn điện của vật liệu kim loại

• Dẫn điện của vật liệu bán dẫn

• Dẫn điện của vật liệu vô cơ

• Dẫn điện của vật liệu hữu cơ

• Tính chất điện môi của vật liệu

Mô hình dải năng lượng

• Do 2 nguyên tử cùng loại gần nhau liên kết với nhau

• Tạo ra 1 MO liên kết có năng lượng thấp

• 1 MO phản liên kết có năng lượng cao

• Khoảng cách giữa 2 vùng năng lượng gọi là miền cấm (delta E)

Eplk

Elk

• Hệ nhiều nguyên tử: 3, 4, 5 … N nguyên tử => tương tác

sẽ tạo ra được N/2 MO liên kết và N/2 MO phản liên kết

• N càng lớn sẽ làm cho khoảng cách delta E càng nhỏ, tạo thành một dải năng lượng

• Miền cấm delta E

o Kim loại: rất nhỏ hay = 0 eV

o Chất bán dẫn: 0,1 tới 3,0 eV

o Chất cách điện: > 3 eV

Dải năng lƣợng của các MO

AO

MO-PLK 14/2 = 7

MO-LK 14/2 = 7

Khái niệm về sự dẫn điện

• Là sự chuyển động của các điện tử tự do theo một hướng nào đó dưới tác dụng của điện trường

Dẫn điện của vật liệu kim loại

• Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn các electron

chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống

chuyển động cùng chiều điện trừơng, gây nên dòng điện trong chất bán dẫn

Bán dẫn tinh khiết

Bán dẫn tạp

• Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS…, nhiều ôxit, sunfua, selenua, telurua…, và một số chất

polime

• Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài các

nguyên tử Silic, còn các nguyên tử khác, thì tính dẫn

điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều

• Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại: bán dẫn loại n

và bán dẫn loại p

dư trong nguyên tử Phôtpho

liên kết yếu với nguyên tử

Phôtpho Mô hình mạng tinh

thể bán dẫn có tạp chất P

• Electron dư thừa dễ dàng

tách ra khỏi nguyên tử

Bán dẫn tạp chất P

• Giả sử trong mạng tinh thể Silic

có lẫn một nguyên tử Bo (B)

• B:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Lỗ trống tạo

nên do nguyên tử Bo thiếu 1

electron liên kết với 1 nguyên tử

Silic lân cận Mô hình mạng tinh

vào bán dẫn, người ta có thể tạo

ra bán dẫn thuộc loại mong

muốn Đây chính là tính chất rất

Dẫn điện của vật liệu vô cơ

KF KCl KBr

KI

11 12.5 9.5 8.5 7.5

11 8.5 7.5 5.8

ZnO ZnS ZnSe ZnTe CdO CdS SdSe CdTe PbS PbSe PbTe

3.4 3.8 2.8 2.4 2.3 2.45 1.8 1.45 0.37 0.27 0.33

AIP AlAs AlSb GaP GaAs GaSb InP InSb

3.0 2.3 1.5 2.3 1.4 0.7 1.3 0.2 2.2 3.1

Dẫn điện của vật liệu vô cơ

• Dẫn điện không cao như kim loại hay chất dung dịch

điện giải nhưng hình thức dẫn rất phong phú Tùy theo điều kiện có thể chuyển từ hình thức dẫn này sang hình thức dẫn khác Tùy theo cấu trúc tinh thể , cấu hình các đám mây điện tử mà vật liệu vô cơ có thể dẫn như một kim loại,có thể dẫn như bán dẫn kiểu n hay p

Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ

• Đa số các vật liệu hữu cơ sử dụng là chất cách điện, vì

các điện tử liên kết bền với nguyên tử trong mạch

polymer

Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ

• 2 loại chính: Polymer dẫn điện (học) và polymer dẫn ion (không học)

• Polymer dẫn điện

• Ảnh hưởng của phụ gia: Chế tạo và vật liệu hữu cơ

ngòai polymer có các chất phụ gia: nếu phụ gia là bột có

độ phân tán cao như kim loại bột hay grafit thì độ dẫn điện phụ thuộc vào tính chất và khối lượng chất phụ gia Bản chất dẫn điện của vật liệu hữu cơ là do phụ gia, còn polymer chỉ là chất mang

• Ví dụ, nilon 6/6 khi phụ gia sợi carbon

Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ

• Ngoài ra: Polymer có các dạng liên kết :

C-C,C-H,C=C,CC,liên kết vòng,liên kết với các hợp chất có độ

âm điện khác nhau.Các dạng liên kết trong mạch

polymer tồn tại phổ biến là liên kết σ và liên kết pi

• Liên kết σ là liên kết C-C,C-H :các điện tử đều bị chiếm giữ hòan tòan,nghĩa là không có điện tử tự do nhảy lên miền dẫn

• Còn liên kết π là dạng liên kết ít bền vững hơn và xuất hiện không nhiều các điện tử tự do nằm ở miền dẫn

• Các đồng phân khác nhau cũng sẽ có độ dẫn điện khác nhau

• Độ dẫn điện khác nhau do mật độ điện tử tham gia liên kết và khoảng cách liên kết

Tính chất quang

• Khái niệm chung

• Tính chất quang học của vật liệu kim loại

• Tính chất quang học của vật liệu phi kim loại

Tính chất sóng – hạt của ánh sáng

• Ánh sáng truyền đi trong không gian với vận tốc c, bước sóng lamda

• Khi đó c= lamda x v

Sự phân tách ánh sáng trắng thành các ánh

sáng màu

Tương tác của ánh sáng với vật rắn

• Ta gọi R: độ phản xạ

• A: độ hấp thụ

• T: độ truyền qua

• R = max vật thể màu trắng

• A = max vật thể màu đen

• T = max vật thể trong suốt

o A khác 0, truyền qua và phát xạ => có màu

o A = 0, truyền qua và khúc xạ => đục mờ

Thuyết lượng tử của Plăng

trời) chiếu rọi vào các phân tử, nguyên tử làm cho chúng

từ trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích, thì khi chúng từ trạng thái kích thích này trở về trạng thái

cơ bản, năng lượng thu được sẽ trả lại môi trường,

thường dưới dạng năng lượng sóng điện từ (bức xạ

điện từ)

lượng điện từ một cách gián đoạn, từng lượng nhỏ một,

• Sự hấp thụ và phát bức xạ điện từ có thể gây nên sự chuyển dời điện tử từ trạng thái năng lượng này sang trạng thái năng lượng khác

thích làm cho điện tử chuyển từ mức năng

• Điện tử kích thích ở trạng thái khộng bền, liền quay trở về trạng thái cơ bản hoặc ở mức

thấp hơn và phát ra một năng lượng (photon) đúng bằng năng lượng đã hấp thụ

• Vì vậy mỗi một chuyển dời điện tử đòi hỏi

năng lượng hấp phải có những tần số và một bước sóng tương ứng thích hợp

Tính chất quang học của vật liệu kim loại

• Kim loại hấp thụ được tất cả các tần số của ánh sáng nhìn thấy bởi vì luôn có những trạng thái điện tử còn trống, cho phép chuyển dời các điện tử

• Trong thực tế các kim loại đều hấp thụ được các sóng điện từ tần số thấp ( bước sóng dài) của sóng rađio, qua tia hồng ngoại, ánh sáng trắng đến tia tử ngoại Độ phản

xạ của đa phần các kim loại đạt 0.90 -0.95 Một phần

nhỏ năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt Vì thế đa phần các kim loại có màu trắng đục Kim loại nhôm (Al)

và bạc (Ag) sau khi hấp thụ ánh sáng trắng phản xạ lại toàn bộ giải phổ nhìn thấy, nên chúng có màu trắng bạc Còn kim loại đồng (Cu) và vàng (Au) lại thể hiện hai màu đỏ-da cam và vàng bởi vì một phân năng lượng bức xạ

có bước sóng ngắn không được phát lại

truyền được qua kim loại, làm cho kim loại trong suốt

(không màu)

Sự khúc xạ

• Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của vật liệu phi kim,

sau đó bị lệch hướng truyền Đây là hiện tượng khúc xạ Kết quả làm giảm tốc độ truyền của ánh sáng trong vật liệu, làm nó bị đục Đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là chỉ số khúc xạ (chiết suất) n

Sự khúc xạ

Vật liệu vô

cơ

Chiết suất trung bình

Vật liệu hữu

cơ

Chiết suất trung bình Thuỷ tinh

kê (chết suất 2.10) Do vậy thuỷ tinh pha

Sự phản xạ

• Khi áng sáng đi từ môi trường này sang môi trường

khác, một phần ánh sáng bị phản xạ trở lại trên bề mặt phân chia giữa hai môi trường Nếu ánh sáng tới chiếu vuông góc với mặt phân cách thì độ phản xạ R được tính như sau :

suất ns thí độ phản xạ là :

phản xạ (R) càng lớn Chiết suất của vật rắn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng, do đó độ phản xạ cũng biến đổi theo bước sóng

Hấp thụ

• Cũng như đường truyền của ánh sáng, năng

lượng bức xạ truyền đi phụ thuộc vào đặc tính của

môi trường Cường độ truyền năng lượng bức xạ

( IT’) trong vật liệu giảm liên tục theo chiều dài mà

I '  ' 

Màu sắc

• Các vật liệu trong suốt hiện màu là do có những giải

bước sóng ánh sáng bị hấp thụ chọn lọc, màu sắc cảm nhận được là kết quả tổ hợp những bước sóng được

Tính đục và trong mờ

• Mức độ trong mờ và đục của các vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc rất

nhiều vào đặc tính phản xạ (tán xạ) bên trong và truyền qua của chúng

• Nhiều vật liệu điện môi vốn là trong suốt trở nên mờ hay đục nhờ phản xạ và khúc xạ bên trong Một chum sáng lệch hướng và yếu đi do nhiều lần khúc xạ Tính đúc sinh ra khi mức độ tán xạ mạnh đến mức không còn một chùm ánh sáng tới nào được truyền qua không bị lệch để tới được mặt sau

• Sự tán xạ bên trong vật liệu sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau : cấu trúc, khuyết tật…

• Cấu trúc đa tinh thể làm cho chiết suất các hạt khác nhau Cả phản xạ và tán xạ đều xảy ra trên biên giới hạt làm cho vật liệu trong mờ

• Tán xạ xảy ra trong các vật liệu hai pha, trong đó một pha với độ phân tán cao nằm trong pha kia Tán xạ chùm tia xảy ra qua miền biên giới pha Sự sai khác chiết suất giữa hai pha càng lớn thì sự tán xạ càng mạnh

• Vật liệu gốm có chứa những rỗ xốp Tán xạ ánh sáng xảy ra rất mạnh tại nơi này

• Vật liệu polymer nguyên chất (không có phụ gia và tạp chất) thường có mức độ kết tinh khác nhau Polyme bán tinh thể có vùng biên giới tinh thể-vô định hình với chiết suát khác nhau thường bị tán xạ mạnh Polyme có tỷ lệ kết tinh cao,