Tài liệu học phần Vật liệu điện nvdung Chuong I

Tài liệu học phần Vật liệu điện nvdung Chuong I tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về...

Chương I: Cấu tạo vật chất Cấu tạo nguyên tử Cấu tạo phân tử Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức I Cấu tạo nguyên tử Vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần vật chất Mơ hình ngun tử Bohr (giải Nobel vật lý 1922 lý thuyết cấu trúc nguyên tử học lượng tử) chấp nhận rộng rãi: o Hạt nhân: chứa proton mang điện dương neutron khơng mang điện (ngồi có số hạt khác) - Tồn lực đẩy tĩnh điện protons protons neutrons liên kết chặt với nhờ “lực mạnh” (strong force) Lực mạnh có tác dụng khoảng cách nhỏ (≤ 10-15m) Khi protons neutrons đặt gần nhau, lực mạnh lớn lực đẩy tĩnh điện protons ⇒ liên kết protons neutrons tạo thành hạt nhân TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức o Điện tử: Có kích thước khối lượng nhỏ so với hạt nhân Mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo hình cầu (vỏ điện tử) có bán kính xác định Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng điện tử Quỹ đạo gần hạt nhân có mức lượng thấp ngược lại Structure of an atom TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Số lượng điện tử phân bố lớp vỏ điện tử (bao gồm số phân lớp) theo qui luật: - số điện tử điền đầy phân lớp: 2(2l+1) - số điện tử điền đầy lớp: 2n2 Với: n: số lượng tử (n = 1, 2, 3, … n) l: số lượng tử quĩ đạo ( l = 0, 1, 2, 3, …n-1) Phân lớp Lớp Arrangement of TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức electrons in an atom Các điện tử lớp vỏ ngồi (xa hạt nhân nhất) có mức lượng lớn ⇒ đóng vai trò quan trọng tương tác nguyên tử phản ứng hóa học điện tử tương tác với điện tử lớp nguyên tử lân cận Các điện tử lớp ngồi gọi điện tử hóa trị ⇒ xác định hóa trị ngun tử Khi lớp vỏ ngồi chứa đầy điện tử ⇒ nguyên tử không nhận thêm điện tử ⇒ nguyên tố trơ (Ar, Ne, Kr…) Bởi nguyên nhân nguyên tử hay nhiều điện tử ⇒ ion dương Nguyên tử nhận điện tử ⇒ ion âm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Năng lượng điện tử (xét nguyên tử hydro) Lực hút tĩnh điện hạt nhân điện tử F1 = k= kqe q p r2 4πε oε r F2 kq = r = ×10 Nm / C v F1 r F1 Lực ly tâm điện tử chuyển động xung quanh điện tử me v F2 = r Điều kiện cân lực (giữ điện tử chuyển động quỹ đạo định) kq m e v F1 = F2 ⇔ = r r k ⇒v = q me r me: khối lượng điện tử = 9,1x10-31 kg qe: điện tích điện tử = 1,6x10-19 C Vận tốc chuyển động điện tử lớn bán kính quĩ đạo c/đ nhỏ TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Động điện tử (KE- kinetic energy) KE = me v 2 Thế điện tử (PE - potential energy) kqe2 PE = − r Tổng lượng điện tử (E)-Định lý Varian KE = − PE kqe2 qe2 E = KE + PE = me v − = −k ( J ) r 2r VD: Năng lượng ion hóa nguyên tử hydro 13,6 eV, xác định bán kính quĩ đạo chuyển động điện tử? ( )( kqe2 9.109 N m / C 1,6.10 −19 C r= = 2E 2,18.10 −18 J ( ) ) = 0,53.10 −10 m * 1eV= 1.6x10-19 J TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Năng lượng ion hóa Năng lượng cần thiết để tách rời điện tử khỏi nguyên tử Năng lượng ion hóa lớp điện tử khác khác E1=hf1 Các điện tử hóa trị có mức lượng ion hóa thấp Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa ⇒ điện tử bị kích thích ⇒ chuyển sang mức lượng cao Điện tử trạng thái kích thích có xu chuyển mức lượng thấp giải phóng lượng dạng xạ E2=hf2 TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Các thuật ngữ thơng dụng Điện tử hóa trị: điện tử lớp ngồi → xác định hóa trị nguyên tử Năng lượng ion hóa: lượng cần cung cấp nhỏ để tách điện tử khỏi nguyên tử để tạo thành ion dương Ái lực điện tử: lượng phóng thích điện tử kết hợp với nguyên tử trung tính để tạo thành ion âm TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức II Cấu tạo phân tử PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN LÝ LIÊN KẾT TỔNG QUÁT Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết nguyên tử Khi hai nguyên tử đặt gần ⇒ điện tử hóa trị tương tác với với hạt nhân lân cận ⇒ tạo liên kết hai nguyên tử ⇒ hình thành phân tử Năng lượng hệ thống hai nguyên tử liên kết < tổng lượng hai nguyên tử riêng rẽ ⇒ tạo nên phân tử bền vững ⇒ Nguyên lý tạo thành phân tử cân lực hút (FA) lực đẩy (FR) nguyên tử xác lập khoảng cách cân ro nguyên tử FN = FA + FR = *Lực hút (FA) lực đẩy (FR) kết tương tác tĩnh điện tương hỗ nguyên tử TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Liên kết Van der Waal- Liên kết thứ cấp Hình thành từ tương tác lưỡng cực - Lưỡng cực dao động Moment lưỡng cực p=q×d - Lưỡng cực vĩnh cữu (cố định) ⇐ Liên kết ion TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Ví dụ 1: Đối với phân tử nước, tâm điện tử có xu hướng dịch chuyển phía xa ngun tử Hydro ⇒ hình thành lưỡng cực cố định ⇒ xuất lực liên kết thứ cấp phân tử nước TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Ví dụ 2: Đối với polymer: - Tâm điện tử dịch chuyển phía nguyên tử chlorine - Tâm điện tích dương tập trung phía nguyên tử hydrogen - Xuất lực liên kết thứ cấp H Cl chuỗi lân cận TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức III Lý thuyết vùng lượng Ứng dụng: Giải thích, phân loại vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, bán dẫn cách điện (điện môi) Các điện tử nguyên tử phân bố vào lớp vỏ điện tử có mức lượng khác Một số mức lượng điện tử lấp đầy Các mức lượng lại xuất điện tử nguyên tử nhận lượng từ bên (trạng thái kích thích) Khi nguyên tử nằm sát tạo thành dãy lượng gần liên tục ⇒ vùng mức lượng TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức VD: Vùng lượng kim loại Natri Nguyên tử riêng rẽ ⇒ tồn mức lượng riêng biệt (gián đoạn) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Nhiều nguyên tử nằm sát ⇒ tồn vùng mức lượng gần liên tục Vùng dẫn Lấp đầy ½ vùng lượng Vùng hóa trị Lấp đầy điện tử Vùng đầy Mật độ nguyên tử: 1023 cm-1 Vùng hóa trị vùng dẫn chồng lấn lên ⇒ tồn điện tử tự vùng dẫn ⇒ Natri dẫn điện tốt TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức VD: kim cương (cấu tạo từ cacbon) Nguyên tử cacbon riêng rẽ, điện tử phân bố vào ô lượng tử theo qui luật Hund Do mức lượng phân lớp 2s xấp xĩ 2p nên thực tế có điện tử lớp tham gia vào liên kết nguyên tử thay có điện tử phân lớp 2p ⇒ lúc phân bố điện tử vào ô lượng tử sau 2p 2s Liên kết với nguyên tử C lân cận TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Khi nguyên tử C liên kết với tạo nên vùng dẫn vùng hóa trị tách biệt vùng cấm có lượng lớn Eg (∼ vài eV) Không tồn điện tử vùng dẫn Độ dẫn điện ⇒ chất cách điện TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Sơ đồ tổng hợp kT ∼ 0,025 eV TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Năng lượng vùng cấm số chất (25oC) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Tác động nhiệt độ 0oK: chất cách điện chất bán dẫn không dẫn điện Tăng nhiệt độ lên 298oK: chất cách điện không dẫn điện, chất bán dẫn trở nên dẫn điện tác động lượng nhiệt vài điện tử chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn E = kBT * Nếu điện trường đủ lớn, chất cách điện chất bán dẫn trở nên dẫn điện chíVăn Dũng 0K 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức TS Nguyễn Phân loại vật liệu Phân loại vật liệu theo điện trở suất TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Phân loại vật liệu theo độ từ tính Được chia thành 03 loại sau: Thông số Nghịch từ Thuận từ Dẫn từ Độ từ thẩm µ ≈1 >> Cường độ từ trường ngồi Khơng phụ thuộc Khơng phụ thuộc Phụ thuộc Ví dụ • Khí • Đa số hợp chất hữu • Các kim loại: đồng, kẽm, bạc, vàng… • Oxy • Muối coban niken • kim loại kiềm, nhơm, bạch kim… • Sắt • Niken • Coban • Hợp kim ba chất •Ferrite Types of magnetic materials TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Câu hỏi thảo luận Ý tưởng thiết kế loại vật liệu điện Phương pháp tăng động lực học tập học phần “Vật liệu điện”? (Thảo luận nhóm) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Liên kết nguyên tử - Liên kết nguyên tử Liên kết cộng hóa trị: dùng chung điện tử Liên kết ion: cho nhận điện tử Liên kết kim loại: đám mây điện tử tự tạo nên từ điện tử tách khỏi liên kết với hạt nhân TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức ... r i hình thức III Lý thuyết vùng lượng Ứng dụng: Gi i thích, phân lo i vật liệu i n thành vật liệu dẫn i n, bán dẫn cách i n ( i n m i) Các i n tử nguyên tử phân bố vào lớp vỏ i n tử có mức... trị dễ dàng tách r i kh i hạt nhân riêng rẽ trở thành i n tử tự dùng chung ion ⇒ hình thành đám mây i n tử ion dương Các ion dương kim lo i liên kết v i lực hút tương hỗ v i i n tử tự → tạo nên... ứng hóa học i n tử tương tác v i i n tử lớp nguyên tử lân cận Các i n tử lớp g i i n tử hóa trị ⇒ xác định hóa trị nguyên tử Khi lớp vỏ chứa đầy i n tử ⇒ nguyên tử không nhận thêm i n tử