Vật liệu đại cương pps

Câu 1: Trình bày cấu trúc vùng năng lượng trong vật rắn? Trả lời: Trong tất cả các chất den in, ban den van trong Nihau vật lieu in moa, chi ten tic so den in bang in to van độ den in này phụ thuộc vào số lượng các in to có khả năng tham gia den điện.Tuy nhiên không phải mọi in to trong nguyên to đều được gia tốc khi có mặt in trường.Trong một loại vật lieu đã cho số in to có khả năng den in liên quan với so sắp xếp các trạng thái in to van còn với cách thức mà in to chiếm lĩnh trong các trạng thái đó.Trong riêng mỗi nguyên to ten tic các mức NL gián đoạn. Các nguyên to sắp xếp thành các tầng van các lớp được chi bởi các chữ s,p,d van f. Trong mỗi lớp lại có tương ứng 2l + 1=1,3,5 van 7 quỹ đạo khác nhau. Trong số các nguyên to, in to chiếm lĩnh các trạng thái có NL thấp nhất, cứ hai in to có spin đối song chiếm một quỹ đạo phù hợp với nguyên lý loại trừ Pauli .Cấu hình in to của một nguyên to cô lập biểu thị sắp xếp in to vào các trạng thái cho phép. Một chất có thể xem như cấu tạo bởi một số lớn,giả sử là N nguyên to được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong một mạng tinh thể. Ở khoảng cách tương đối xa, mỗi ntu là độc lập với các nguyên to khác van có các mức NL trong ntu van cấu hình in to giống như ntu đứng cô lập. Khi các ntu càng xích lại gần nhau thì các in to càng bị kích thích bởi các in to van các hạt nhân của các ntu lân cận ,làm cho mỗi một trạng thái in to trong ntu riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng thái in to nằm sát nhau, hình thành nên một vùng NL điện tử. Sự giãn từ một mức năng lượng điện tử trong ntu thành một vùng NL trong vật rắn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các ntu và nó bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của ntu tuy nhiên khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ. Giữa các vùng kề nhau có thể tồn tại những khe NL hay vùng cấm. Số các trạng thái NL điện tử trong mỗi vùng bằng tổng tất cả những tranngj thái do N ntu đóng góp. Mỗi một trạng thái NL có thể chứa được hai điện tử có spin đối song. Khi xếp tất cả điện tử vào các mức NL sẽ xuất hiện những vùng còn trống và có thể xuất hiện những vùng bị lấp đầy một phần. Các tính chất điện của vật liệu rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng NL điện tử của nó, vùng chứa các điện tử có NL cao nhất được gọi là vùng hóa trị , vùng dẫn là vùng có mức NL cao hơn kề trên đó. Ở 0K có thể có bốn kiểu cấu trúc vùng khác nhau. Ở loại thứ nhất, vùng hóa trị chỉ bị lấp đầy một phần. NL ứng với mức cao nhất đó bị chiếm ở 0K được gọi là NL Fermi E F . Ở loại cấu trúc vùng thứ hai vùng háo trị bị lấp đầy và còn phủ lên cả vùng dẫn; vùng này nếu không bị phủ thì hoàn toàn còn trống. Hai cấu trúc vùng cuối cùng tương tự nhau ,ở mỗi cấu trúc tất cả các trạng thái trong vùng hóa trị đều bị điện tử chiếm hết. Tuy nhiên ở đây không có sự dính phủ với vùng dẫn còn trống; điều này tạo ra một khe NL xen ở giữa. Sự khác nhau giữa hai cấu trúc vùng là ở độ lớn của khe NL. Đối với vật liệu cách điện khe vùng tương đói rộng còn ttrong các bán dẫn thi lại hẹp. NL Fermi đối với hai cấu trúc vùng nằm ở gần chính giữa khe. Câu 2: Dựa vào khái niệm độ linh động của điện tử và cấu trúc vùng NL hãy nêu đặc điển của điện trở kim loại, điện trở của bán dẫn tinh khiết? Trả lời: Câu 3: Nêu và giải thích tính chất dẫn điện của bán dẫn tạp chất loại p? Trả lời: Xét bán dẫn nguyên tố silic. Một ntu Si có 4 điện tử vòng ngoài mỗi điện tử này liên kết đồng hóa trị với 4 ntu Si lân cận. Giả sử 1 ntu tạp chất có hóa trị 3 được thay thế vào (ntu nhóm III A:Al,B,Ga). Ta lấy bo. Một trong các mối liên kết đồng hóa trị xung quanh mỗi ntu này sẽ bị thiếu một điện tử. Chỗ thiếu đó có thể xem như là một lỗ trống liên kết yếu với ntu tạp chất. Có thể giải phóng lỗ trống này khỏi ntu tạp chất bằng cách là điện tử và lỗ trống đổi chỗ cho nhau. Một lỗ trống chuyển động được coi như là ở trạng thaiskichs thích.Vậy trong trường hợp này tạp chất bo làm cho lỗ trống trong tinh thể tăng lên rất nhiều; chỉ cần một số ntu tạp chất bằng một phần triệu số ntu bán dẫn tinh khiết cũng làm cho số lỗ trống tăng lên hàng vạn lần,do đó độ dẫn điện của bán dẫn có tạp chất lớn hơn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết hàng vạn lần. Mỗi 1 ntu tạp chất đưa vào khe cấm một mức NL nằm sát phía trên đỉnh của vùng hóa trị. Mỗi lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hóa trị khi kích thích nhiệt độ 1 điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên trạng thái điện tử tạp chất. Với 1 chuyển dời như thế chỉ có một hạt tải được sinh ra trong vùng hóa trị mà không có điện tử tự do nào được tạo ra hoặc ở mức tạp chất hoặc ở vùng dẫn. Tạp chất này được gọi là acxeptơ, bởi vì nó có khả năng nhận điện tử từ vùng hóa trị và để lại đó 1 lỗ trống. Đối với bán dẫn tạp chất loại này, lỗ trống có mắt với nồng độ cao hơn nhiều so với điện tử (p>>n) và trong trường hợp đó vật liệu được gọi là chất bán dẫn loại p bởi vì tính dẫn điện chủ yếu do các điện tích dương đảm nhiệm. Lỗ trống được gọi là hạt tải đa số, điện tử là hạt tải thiểu số. Câu 4: Nêu và giải thích tính chất dẫn điện của bán dẫn tạp chất loại n? Trả lời: Xét bán dẫn nguyên tố Si. Một ntu Si có 4 điện tử vòng ngoài mỗi điện tử này liên kết đồng hóa trị với 4 ntu Si lân cận. Giả sử 1 ntu tạp chất này có thể tham gia vào liên kết. Một điện tử thừa ra chỉ đính một cách lỏng lẻo xung quanh ntu tạp chất bởi lực hút tĩnh điện yếu, NL liên kết của điện tử này tương đối nhỏ (0,01 eV) dễ bị tách khỏi ntu tạp chất khi đó nó trở thành điện tử tự do. Như vậy trong trường hợp này làm cho số điện tử tự do trong bán dẫn tăng lên rất nhiều. Và chỉ cần một số ntu tạp chất bằng một phần triệu số ntu bán dẫn tinh khiết cũng làm cho số điện tử tăng lên hàng vạn lần. Mỗi 1 điện tử gắn lỏng lẻo đó chiếm một mức NL đơn nằm trong khe cấm và ngay dưới đáy vùng dẫn. Để kích thích điện tử nhảy từ một trong các trạng thaistapj chất này lên 1 mức trong vùng dẫn đòi hỏi 1 NL tương ứng vơi NL liên kết điện tử. Cứ mỗi lần kích thích sẽ cấp 1 điện tử đơn vào vùng dẫn. Tạp chất này được gọi là đônơ. Bởi vì mỗi điện tử đônơ được kích thích từ một mức tạp chất nên không tạo ra lỗ trống tương ứng ở trong vùng hóa trị.do đó trong bán dẫn có tạp chất mật độ điện tử rất lớn so với mật độ lỗ trống (n>>p). Vì lẽ đó bán dẫn có tạp chất được gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại n. Trong bán dẫn loại n các điện tử là những hạt tải đa số, còn lỗ trống là những hạt tải thiểu số. Câu 5: Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. Từ đó giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại, gốm, polyme? Trả lời: Cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu: Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền bởi cả sóng dao động mạng và điện tử tự do. Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của hai thành phần theo hai cơ chế đó.K = k l +k e trong đó k l ,k e độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử, thông thường thì một trong hai thành phần đó chiếm ưu thế. NL nhiệt các phonon, tức là các sóng mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. Thành phần k l gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp trong vật thể. Các điện tử tự do cũng tham gia dẫn nhiệt. Ở vùng nóng của vật liệu điện tử tự do có động năng lớn hơn. Chúng di chuyển đến những vùng lạnh hơn, và một phần động năng này được chuyển bù thêm cho các ntu như là kết quả của các va chạm với phonon hay là với các khuyết tật mạng. Phần đóng góp tương dối của k e tăng theo nồng độ điện tử tự do vì có nhiều điện tử hơn tham gia vào quá trình dẫn nhiệt. Giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại: Trong KL với độ sạch cao, cơ chế điện tử vận chuyển nhiệt có ưu thế hơn phần đống góp của phonon vì điện tử không dễ bị tán xạ như phonon và có tốc độ lớn hơn. KL là chất dẫn nhiệt hết sức tốt do có số lượng khá lớn điện tử tự do tham gia dẫn nhiệt. Vì điện tử tự do chịu trách nhiệm cả dẫn nhiệt và dẫn điện trong KL tinh khiết, tính toán lý thuyết cho thấy hai độ dẫn đó có mối liên hệ phù hợp với định luật Wiedemann Franz: L=k/σT Trong đó: σ - độ dẫn điện T – nhiệt độ tuyệt đối L – hăng số. Giá trị lý thuyết của L = 2,44.10 -8 Ω.W/(K 2 ), không phụ thuộc nhiệt độ và như nhau đối với tất cả mọi KL nếu NL nhiệt được vận chuyển hoàn toàn bằng điện tử tự do. Tạp chất trong KL làm giảm độ dẫn nhiệt, vì các ntu tạp chất , đặc biệt là trong dung dịch rắn, hoạt động như những tâm tán xạ, hạ thấp hiệu quả của chuyển động diện tử. Giải thích tính dẫn nhiệt của gốm: Các vật liệu phi KL đều là những chất cách điện vì chúng không có nhiều điện tử tự do. Như vậy, phonon chịu trách nhiệm chủ yếu trong dẫn nhiệt: k e rất nhỏ so với k l . Phonon vận chuyển NL nhiệt không có hiệu quả như điện tử tự do, do phonon bị tán xạ rất mạnh bởi khuyết tật mạng. Tán xạ của các dao động nhiệt trở nên nổi bật hơn khi nhiệt độ tăng, Do vậy, độ dẫn nhiệt của đa số các vật liệu gốm bình thường đều giảm dần khi nhiệt độ tăng, ít nhất là ở nhiệt độ tương đối thấp. Lỗ xốp trong vật liệu gốm có thể gây ảnh hưởng mạnh đén độ dẫn nhiệt; trong đa số trường hợp, sự tăng thể tích lỗ xốp làm giảm độ dẫn nhiệt. Các lỗ xốp bên trong còn chứa không khí, khí này có độ dẫn nhiệt cực kỳ thấp khoảng 0,02W/mK. Giải thích tính dẫn nhiệt của polyme: Độ dẫn nhiệt của đa số các polyme vào cỡ 0,3W/mK. Đối với loại vật liệu này, NL truyền theo dao động, tịnh tiến và quay của các phân tử mạch. Độ lớn của độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào mức độ kết tinh: polyme có cấu trúc tinh thể và trật tự cao sẽ có độ dẫn nhiệt lớn hơn so với vật liệu vô định hình tương đương. Đó là do dao động hiệu dụng hơn của các mạch phân tử ở ttranhj thái tinh thể. Polyme thường được ứng dụng làm chất cách nhiệt nhờ có độ dẫn nhiệt thấp. Tính cách nhiệt của chúng cũng như gốm, có thể được nâng cao hơn bằng cách dưa vào những lỗ xốp nhỏ, thường được tạo ra bằng cách khuấy bọt trong khi polyme hóa. Câu 6: Thế nào là chất thuận từ, nghịch từ, sắt từ, phản sắt từ, feri từ. Nêu đặc điểm của chúng? Trả lời: a) Chất thuận từ van đặc điểm. Chất thuận từ là vật liệu không từ tính, bởi vì nó chi bị từ hoá khi có một từ trường ngoài Trong nhiều vật, mỗi nguyên tử có một momen lưỡng cực vĩnh cửu do kết quả triệt tiêu lẫn nhau không hoàn toàn của các momen từ spin và các momen từ quỹ đạo. Khi không có từ trường ngoài, các momen từ nguyên tử này định hướng hỗn loạn, do đó vật liệu sẽ không có vectơ từ hoá vĩ mô riêng. Khi có từ trường ngoài các lưỡng cực nguyên tử nguyên tử này quay tự do và tính thuận từ chỉ thể hiện khi có sự quay này tạo ra một định hướng ưu tiên nào đó. Kết quả làm tăng từ trường ngoài , gây ra độ từ thẩm tương đối lớn µ r lớn hơn 1 và do đó độ từ hoá tương đối nhỏ nhưng dương. b) Chất nghịch từ và đặc điểm. Câu 7: Hãy nêu nguồn gốc momen từ của vật liệu. Nêu đặc điểm của vật liệu từ cứng? Câu 8: Thế nào là vật liệu từ mềm, nêu tính chất, đặc điểm của vật liệu từ mềm? Câu 9: Giải thích đường cong từ trễ thông qua khái niệm domen từ. So sánh sự giống nhau và khác nhau giữa vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm? Câu 10: Nêu đặc điểm của siêu dẫn, ứng dụng của siêu dẫn? Câu 11: Laser là gì, ứng dụng của Laser. Nêu sơ bộ cấu tạo máy phát Laser Câu 12: Nêu tính chất quang học của vật liệu phi kim loại. Trình bày cơ chế phát quang của vật lieu? Câu 13: Nêu tính chất quang học của kim loại, giải thích Câu 14 : Tương tác ánh sáng với vật rắn? Câu 15 : Tương tác nguyên tử và điện . điểm. Câu 7: Hãy nêu nguồn gốc momen từ của vật liệu. Nêu đặc điểm của vật liệu từ cứng? Câu 8: Thế nào là vật liệu từ mềm, nêu tính chất, đặc điểm của vật liệu từ mềm? Câu 9: Giải thích đường cong. số. Câu 5: Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. Từ đó giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại, gốm, polyme? Trả lời: Cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu: Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền bởi cả. tăng, Do vậy, độ dẫn nhiệt của đa số các vật liệu gốm bình thường đều giảm dần khi nhiệt độ tăng, ít nhất là ở nhiệt độ tương đối thấp. Lỗ xốp trong vật liệu gốm có thể gây ảnh hưởng mạnh đén độ