CAC LOAI SAI HONG MANG VA y NGHIA CUA CHUNG

Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng MỞ ĐẦU Như biết vật lý chất rắn chuyên nghành nằm chuyên nghành vật lý Trong sống khoa học kỷ thuật vật lý chất rắn có vai trị quan trọng, khơng tạo vật liệu cho kỹ thuật, mà ta bắt gặp chúng dụng cụ sinh hoạt gia đình Vật lý chất rắn nghiên cứu tính chất vật lý chế xảy chất rắn Để nghiên cứu cấu trúc chất người ta tiến hành phân tích cấu trúc chất nhiều phương pháp như: nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử… việc nghiên cứu nhận thấy chất rắn không tinh khiết mà phát sai hỏng, trật tự xảy mạng Vậy sai hỏng có ý nghĩa khơng? Để tìm hiểu vấn đề mà chúng tơi chọn đề tài: “Các loại sai hỏng mạng ý nghĩa chúng” Trong viết tập trung nghiên cứu nguyên nhân dẫn tới sai hỏng mạng, loại sai hỏng mạng ý nghĩa sai hỏng mạng Để làm sáng tỏ vấn đề sử dụng phương pháp: khái quát, phân tích, tổng hợp từ nguồn tài liệu khác thông tin mạng Hi vọng việc nghiên cứu đề tài giúp tơi tìm hiểu sâu vấn đề này, mong muốn tài liệu tham khảo hữu ích cho người học Để giải vấn đề đặt nói viết có cấu trúc sau: Ngồi phần mở đầu phần kết luận có hai chương chính: Chương1: Tổng quan mạng tinh thể 1.1 Mạng tinh thể 1.2 Các tính chất đối xứng mạng tinh thể 1.3 Mạng đảo Chương 2: Các loại sai hỏng mạng ý nghĩa chúng 2.1 Nguyên nhân dẫn tới sai hỏng mạng 2.2 Các loại sai hỏng mạng 2.3 Ý nghĩa loại sai hỏng mạng Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TINH THỂ 1.1 Mạng tinh thể Trong vật rắn, nguyên tử, phân tử xếp cách đặn, tuần hồn khơng gian tạo thành mạng tinh thể Ta bắt đầu việc khảo sát tinh thể lí tưởng, tinh thể xếp nguyên tử, phân tử hoàn toàn tuần hồn Tinh thể lí tưởng hồn tồn đồng nhất, nghĩa nơi, chứa loại nguyên tử nhau, phân bố Tinh thể lí tưởng phải có kích thước trải rộng vơ hạn để có mặt giới hạn làm ảnh hưởng tới tính chất xếp tuyệt đối tuần hồn nguyên tử, phân tử Sau này, ta nghiên cứu đến tinh thể thực có số tính chất khác với tinh thể lí tưởng Có thể xây dựng nên tinh thể cách lặp lại không gian theo quy luật định đơn vị cấu trúc giống nhau, gọi ô sơ cấp Ở cá tinh thể đơn giản tinh thể đồng, bạc, tinh thể kim loại kiềm, mõi ô sơ cấp chứa nguyên tử Ở tinh thể phức tạp, sơ cấp chứa nhiều ngun tử, phân tử Để mô tả cấu trúc tinh thể, ta coi n hư gồm sơ cấp lặp lại tuần hồn khơng gian Gắn với đỉnh bcủa sơ cấp nhóm ngun tử Nhóm gọi gốc Tinh thể lí tưởng coi gồm nguyên tử phân bố mạng không r r r gian Mạng không gian xây dựng tứ ba véc tơ a1 , a2 , a3 , gọi ba vectơ tịnh tiến sở Chúng có tính chất khảo sát tinh thể từ điểm tuỳ ý có r bán kính vectơ r , ta thấy giống hệt ta khảo sát từ điểm có bán kính vectơ rr ' : r r r r r r ' = r + n1 a1 + n2 a2 +n3 a3 (1.1) Trong đó: n1, n2, n3 số nguyên tuỳ ý Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng tập hợp điểm có bán kính vectơ rr ' xác định theo (1.1) với giá trị khác n1, n2, n3 lập thành mạng không gian Các điểm gọi nút mạng khơng gian r r r Ba vectơ sở a1 , a2 , a3 đồng thời xác định trục hệ toạ độ tinh thể Nói chung, hệ toạ độ khơng vng góc Hình hộp tạo thành từ vectơ sở sơ cấp Sự lựa chọn ba vectơ sở, lựa chọn ô sơ cấp Hình cho ta thấy vài thí dụ cách chọn vectơ sở ô sơ cấp mạng hai chiều • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Hình Minh hoạ cách chọn vectơ sở ô sơ cấp mạng chiều Ngồi ra, nhiều trường hợp, cịn xây dựng sơ cấp cho có dạng đối xứng trung tâm Ơ gọi Wignet -Seitz Các ô giới hạn mặt phẳng trung trực đoạn thẳng nối nút mạng xét với nút mạng lân cận Dễ dàng thấy theo cách xây dựng khác nhau, sơ cấp tích khơng đổi hình Wignet- Seitz mạng chiều • • • • • • • • • • • • Hình Minh hoạ Wignet- Seitz mạng chiều Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng 1.2 Các tính chất đối xứng mạng tinh thể Đặc điểm mạng tinh thể tính chất đối xứng Điều thể chỗ mạng bất biến số phép biến đổi, hay nói cách khác, mạng lại trùng với ta thực số phép biến đổi Mạng tinh thể có tính đối xứng tịnh tiến Thật vậy, ta thực phép dịch r chuyển toàn mạng không gian véctơ R , gọi véctơ tịnh tiến: r r r r R = n1 a1 + n2 a2 +n3 a3 (1.2) Sau phép dịch chuyển này, nút mạng đến chiếm vị trí nút mạng khác Tồn mạng khơng có thay đổi Hai nút mạng nối với véctơ tịnh tiến (1.2), r ý n1, n2, n3 số nguyên Nếu ta lấy điểm nút mạng, R véctơ vị trí nút mạng, gọi véctơ mạng Mạng tinh thể có tính đối xứng với phép quay quanh số trục xác định Để minh hoạ điều này, ta xét mạng vng hai chiều (hình 4) Có thể coi hình chiếu mạng khơng gian mặt phẳng, nghĩa phía phía mặt phẳng hình vẽ, ta có nút mạng vuông giống hệt Khi ta quay mạng góc Π/2 (hay ¼ vịng trịn) quanh trục vng góc với mặt phẳng, qua nút mạng (hoặc điểm có đánh dấu X hình 3), mạng lại trùng với trục quay gọi trục quay bậc 4, mạng xét đối xứng với phép quay quanh trục bậc Gócquay π A′ • • • • • • • • • • • • • • • A Phản xạ • m O Nghịch đảo A′′ Hinh Hình 4 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng Mạng không gian có trục quay bậc n = 2, 3, Khi quay mạng góc 2Π/n mạng lại trùng với Khơng tồn mạng có truc quay bậ 5, bậc cao Mạng tinh thể có tính nghịch đảo Phép nghịch đảo phép biến đổi, r r vectơ vị trí đổi dấu: vectơ r biến thành - r vậy, mạng khơng gian có tâm đối xứng Tất nhiên, mạng vng hính bất biến với phép nghịch đảo có tâm đối xứng Mạng khơng gian đối xứng với phép phản xạ qua số mặt phẳng Phép nghịch đảo gồm phép quay góc Π phản xạ qua mặt phẳng vng góc vớid trục quay qua tâm đối xứng (hình 4) Ở dây O tâm đối xưng, m mặt phẳng phản xạ, C trục quay góc Π Các phép biến đổi đối xứng vừa nói trên, gồm phép quay, phản xạ nghịch đảo tồn mạng không gian Tuy nhiên thực tế, mạng không gian đối xứng với số phép biến đổi 1.3 M ạng đảo 1.3.1 khái niệm mạng đảo Mạng đảo khái niệm quan trọng vật lý chất rắn Gibbs đề xuất Sự xuất mạng đảo hệ tất yếu tính tuần hồn tịnh tiến mạng thuận (mạng tinh thể thực) Như biết tính chất quan trọng tinh thể tính tuần r hồn tịnh tiến chu kì mạng R , đó: r r r r R = n1 a1 + n2 a2 +n3 a3 (ni ∈ R) r Tính chát kéo theo tính tn hồn với chu kì R loạt đại lượng vật lý khác có liên quan tới xếp nguyên tử tinh thể r r r f( R + r ) = f( r ) r r Trong đó: r điểm tinh thể, R biểu diễn nút mạng Khai triển Fourier hàm tuần hồn ta có: Phan Dỗn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng r f( r ) = r ∑ F (G )e rr iGr r G điều kiện tuần hoàn phải thoả mãn điều kiện: r r f( R + r ) = ⇒ e rr iGr r iGr ( Rr + rr ) F ( G )e ∑r = G r r rr r iGR r iGrr r iGr r F ( G ) e e F ( G )e ∑r = f( r ) = ∑ r G G r r r = 1, G ⇔ R G = π số nguyên (1.3) r r r r Trong đó: R = h b1 + k b2 + l b3 r r r 2π r r 2π r r 2π r r  a2, a3  ; b2 =  a3, a1  ; b3 =  a1, a2  b1 = Ω0 Ω0 Ω0  Ω : Là thể tích ô nguyên tố ô mạng thuận r r r r r r r r r r r r a3  a1, a2  Ω = a1  a2, a3  = a2  a3, a1  = a3  a1, a2  r Với G thoả mãn điều kiện (1.3) gọi véc tơ mạng đảo r Các điểm cuối vectơ G thoả mãn điều kiện tạo thành mạng gọi mạng đảo 1.3.2 Các véc tơ sở - tính chất mạng đảo a) Các véc tơ sở: Ta thiết lập vectơ sở giống thực mạng thuận r r r r r r Từ công thức: R G = π số nguyên (với R = n1 a1 + n2 a2 +n3 a3 ) r r r r r r      n G , a n G , a n G Ta viết:   +   +  , a3  = π số nguyên Đối với tất giá trị nguyên của: n1, n2, n3 rr rr 2π k Điều xảy khi: G.a1 = π h; G.a2 V rr = π k ; G.a3 = π l (h, k, l ∈Z) Từ ba phương trình độc lập xác định r r r r r r r vectơ G Ta chọn ba vectơ riêng: [ a1Λa2 ] ; [ a2 Λa3 ] ; [ a3 Λa1 ] đó: r r r r r r r G = α [ a1Λa2 ] + β [ a2 Λa3 ] + χ [ a3 Λa1 ] r Bằng cách G dạng khai triển ba phương trình độc lập ta tính ba số α , β , χ : α = 2π l 2π h χ 2π k ;β = ; = V V V Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng r r r r r r r r r r r r Trong đó: V = a1 [ a2 Λa3 ] = a3 [ a1Λa2 ] = a2 [ a3 Λa1 ] thể tích sở mạng thuận r Như ta tìm được: G = h b1 + k b2 + l b3 r 2π [ ar2 Λar3 ] r 2π [ ar3Λar1 ] r 2π [ ar1Λar2 ] b1 = Trong đó: ; b2 = ; b3 = V V V r r r Các véctơ b1 , b2 , b3 véc tơ sở mạng đảo b) T ính chất mạng đảo: • Mạng đảo mạng Bravai • Mạng đảo mạng đảo mạng Bravai mạng Bravai cho • Mỗi vectơ mạng đảo trực giao với họ mặt phẳng mạng thuận • Khoảng cách hai mặt phẳng thuộc họ (hkl) xác định theo công thức: dhkl = 2Π/bhkl c) Ý nghĩa vật lý mạng đảo: Như trình bày khái niệm mạng đảo từ toán khai triển Fourier hàm tuần hoàn Ý nghĩa vật lý khái niệm khái niệm sâu sắc rộng đại diện cho tính chất tuần hồn loại chuyển động xảy tinh thể tuần hoàn tịnh tiến • Mạng đảo mạng khơng gian chuyển động • Mạng đảo thể tính chất: tinh thể tuần hồn chuyển đọng tuần hồn • Mạng đảo có ý nghĩa thực tế: chẳng hạn nghiên cứu cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X…thì tranh thu mạng đảo, mạng đảo đóng vai trị ý nghĩa quan trọng tinh thể Tiểu kết: Trong chương chúng tơi giới thiệu mạng tinh thể, tính chất đối xứng mạng tinh thể khái niệm, tính chất ý nghĩa mạng đảo Tất vấn đề vấn đề mạng tinh thể Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng CHƯƠNG II: CÁC LOẠI SAI HỎNG MẠNG VÀ Ý NGHĨA CỦA CHÚNG Nguyên nhân gây sai hỏng mạng tinh thể Đối với cấu trúc tinh thể lý tưởng, mạng tinh thể tạo thành từ nguyên tử (phân tử, ion) xếp cách đặn, tuần hồn khơng gian tức sai hỏng mạng không xảy cấu trúc tinh thể lý tưởng Tuy vậy, tinh thể thực mạng khơng hoàn hảo mà chứa sai hỏng, nghĩa tuần hồn hình học bị gián đoạn theo cách thức Vậy đâu tạo nên sai hỏng đó? Có thể có nhiều nguyên nhân, sau đề cập tới ngưyên nhân sau: • Trước hết dao động mạng Đây nói nguyên nhân gây sai hỏng mạng mà tất tinh thể có Đơn tinh thể hoàn hảo chứa hạt (nguyên tử, phân tử, ion) nút mạng hạt cách khoảng số Ngoài ra, hạt tinh thể có lượng nhiệt đó, hàm theo nhiệt độ Năng lượng nhiệt làm cho hạt dao động ngẫu nhiên quanh điểm mạng cân Dao động nhiệt ngẫu nhiên làm cho khoảng cách nguyên tử biến đổi cách ngẫu nhiên phá vỡ xếp tuàn hoàn nguyên tử gây sai hỏng mạng • Ở mặt mạng ngun tử thăng giáng nhiệt độ bị mất, tường hợp khác nguyên tử đặt vào mặt mạng làm cho mặt phẳng mạng bị méo dãn tới sai hỏng mạng • Trong tinh thể không tinh khiết mà chứa tạp chất Các tạp chất khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao từ bề mặt sang vùng có nồng độ thấp tinh thể, dịch chuyển làm cho mạng bị sai hỏng • Ngồi ra, bién dạng hay chế kết tinh vật rắn làm mạng tinh thể bị sai lệch Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng Trên số nguyên nhân gây sai hỏng mạng Đối với nguyên nhân khác sinh sai hỏng mạng khác Và tìm hiểu loại sai hỏng mạng phần Các loại sai hỏng mạng tinh thể Nếu tinh thể nguyên tử, phân tử xếp theo vị trí quy định mạng tinh thể gọi lí tưởng hồn thiện Tuy nhiên thực tế gặp mạng lý tưởng ln ln có ngun tử khơng nằm vị trí lớp ngun tử xếp không trật tự Chúng tạo sai hỏng mạng tinh thể sai hỏng chia làm loại: sai hỏng động sai hỏng tĩnh Trong viết chủ yếu nghiên cứu sai hỏng tĩnh mạng tinh thể 2.1 Sai hỏng động Những nguyên tử ( phân tử, ion ) mạng tinh thể không bị gắn chặt cách tuyệt đối vị trí cố định mà chúng dao động xung quanh vị trí cân với biên độ tần số phụ thuộc vào nhiệt độ tinh thể dao động lamf cho tinh tuần hoàn mạng bị vi phạm tức sai hỏng mạng xảy 2.2 Sai hỏng tĩnh tuỳ theo phạm vi sai hỏng mạng, người ta chia sai hỏng tĩnh thành: sai hỏng điểm, sai hỏng đường,và sai hỏng mặt Ngồi cịn có sai hỏng khối Sau sễ tìm hiểu loại sai hỏng: 2.2.1 Sai hỏng điểm Đặc trưng sai hỏng điểm là: sai hỏng kiểu Frenkel, sai hỏng Schottky sai hỏng tạp chất a) Sai hỏng kiểu Frenkel: Trong tinh thể thực nguyên tử bị mặt mạng đó, sai hỏng gọi sai hỏng chỗ khuyết, biểu diễn (hình 5.a ) Trong trường hợp khác nguyên tử đặt vào mặt mạng, sai hỏng Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng gọi sai hỏng nút biểu diễn (hìn5.b) Hình Biểu diễn mạng đơn tinh thể: (a) Sai hỏng chỗ khuyết (b) Sai hỏng nút Trong trường hợp sai hỏng chỗ khuyết sai hỏng ngồi nút khơng xếp hình học nguyên tử bị phá vỡ mà liên kết hoá học lý tưởng ngưên tử bị gián đoạn.Sai hỏng chỗ khuyết sai hỏng ngoại nút đặt gần tương tác với hình thành sai hỏng chỗ khuyết - nút Sai hỏng chỗ khuyết - nút gọi sai hỏng Frenkel tạo ảnh hưởng khác biệt so với sai hỏng chỗ khuyết sai hỏng nút riêng lẻ Do phân bố lượng vật rắn khôing đồng đều, thời điểm ln có ngun tử có lượng lớn bé lượng trung bình tính theo số bậc tự Vì lý thăng giáng nhiệt độ, ngun tử có lượng đủ cao, khơng dao động mạnh, lệch xa vị trí cân mà ngun tử bứt khỏi vị trí cân để rời tới vị trí nguyên tử khác, đồng thời hình thành mộy nút khuyết nguyên tử xen kẽ Số nút khuyết ô nguyên tử xen kẽ sinh chế luôn Sai lệch mạng theo kiểu gọi sai hỏng kiểu Frenkel 10 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng Các tính tốn số nút trống nF nhiệt độ xác định là: nF = AN e− E F / KT e − EF / KT (2.1) Ở đây: EF lượng tạo thành nút trống, đơn vị eV N số nút mạng nhiệt độ T cho A số nguyên Các nguyên tử xen kẽ, nút trống không định xứ điểm mà khuyếch tán tinh thể, từ nút sang nút khác (hình 6) Hình Biểu diễn khuyếch tán lỗ trống tinh thể b) Sai hỏng kiểu Schottky: Theo chế nguyên tử lớp ngoaì mặt thăng giáng nhiệt độ(do va chạm) bốc hay dời lên hấp thụ bề mặt để lại chỗ trống Các ngun tử phía nhảy vào chỗ trống mặt ngồi, tao nên nút khuyết Các nút khuyết khuyếch tán tinh thể, không kèm theo tạo thành nguyên tử xen kẽ gọi sai hỏng kiểu Schottky.(hình 7) Hình Biểu diễn sai hỏng Schottky 11 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng Tính tốn rằng, tinh thể chứa N nút số nút trống ns là: ns = Ne-Es/KT (2.2) Với: Es lượng tạo thành nút trống (Es thường nhỏ EF) Ví dụ: với Al, Es= 0,75 eV, T=300k, ns ≈ 1018 cm-3, T = 923k (gần nhiệt độ sôi 933k) ns=1025 cm-3 Vì chế tạo nút khuyết có lượng cần thiết nhỏ nên mật độ nút khuyết tạo thành chế lớn c) Sai hỏng tạp chất: Những nguyên tử bên tạp chất diện mạng tinh thể Những nguyên tử tạp chát nằm mặt mạng bình thường, trường hợp gọi tạp chất chỗ Những nguyên tử nằm mặt mạng bình thường, trường hợp gọi tạp chất nút Cả hai loại tạp chất sai hỏng mạng biểu diễn hinh sau H 8.a Tạp chất nút H 8.b Tạp chất chỗ Hình Biểu diễn chiều mạng đơn tinh thể 12 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng 2.2.2 Sai hỏng đường Do tác dụng ứng suất hay biến dạng cơô chế két tinh vật rắn ln ln có lệch mạng gọi sai hỏng đường Có hai loại lệch mạng bản: lệch mạng đường lệch mạng xoắn ngoái thực tế cịn có lệch mạng hỗn hợp a) Lệch mạng đường: Có thể hình dung lệch mạng đường cách chiếu nửa mặt phẳng nguyên tử ABCD vào nửa phần tinh thể lí tưởng (hinh 9.a) Sự xuất nửa mặt phẳng làm cho mặt phẳng nguyên tử khác nằm hai phía trở nên hồn tồn khơng song song Tinh thể phía nửa mặt phẳng ABCD, gọi lệch biên Nếu nửa mặt phẳng nằm phía lệch biên gọi ;là lêhj dương, kí hiệu: ┴, m cịn ngược lại lệch âm, kí hiệu: ┬ Khi mặt mạng tinh thể bị gián đoạn thay kéo dài liên tục song song với mặt mạng khác(lệch mạng biên) hình 10.a kí hiệu: ┴, hay: ┬ vạch đứng hướng mặt mạng bị gián đoạn, vạch ngang biểu thị mặt trượt Giao hai điểm vạch nơi đường lệch mạng ló ra, cạnh biên, nơi gián đoạn mặt mạng nơi cấu trúc mạng bị biến động mạnh Nhờ lệch biên mà hai nửa mạng dễ dàng dịch chuyển song song với mặt trượt tác động lưc (theo hướng vạch ngang) với trượt ấy, lệch biên dịch chuyển theo kiểu sâu dần đoạn thông số chuỗi, chiều với lực tác động hẳn ngồi Cũng có thẻ hình dung lệch biên tạo cách trượt ép, cách cát tinh thể theo mặt pơhẳng ép phần phía mặt phẳng cho phía phải di chuyển đoạn số mạng, phía trái giữ nguyên vị trí cũ ta nhận kết hinh 9.b 13 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng A H 9.a H 9.b Hình Minh hoạ lệch mạng đường b) Lệch xoắn: Có thể hình dung mơ hình trượt ép (hình 10) cắt tinh thể lỗ trống theo nửa mặt phẳng ABCD (hình 10.a) xê dịch hai mép ngược cho nguyên tử xê dịch đoạn số mạng theo đường CD Như vậy, nguyên tử xếp lại quanh AB theo đường xoắn ốc (hình 10.b) AB gọi trục lệch xoắn ` H 10.a Lệch biên với bề mạng gián đoạn H 10.b Lệch xoắn Hình 10 Mơ hình trượt ép lệch xoắn Cũng hiểu mơ giới phần dịch chuyển phần không dịch chuyển tinh thể phân bố song song với hướng trượt Có thể tượng tượng hình thành lệch xoắn sau: Cắt nhát vào mạng tinh thể từ AB đến EF rơì đẩy bên xuống Đường thẳng đứng EF đường lệch mạng xảy biến dạng lớn Ở lệch mạng xoắn nguyên tử phân bố theo đường xoắn ốc, vùng xung quanh đừng lệch mạng lại có bước dịch 14 Phan Dỗn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng chuyển Lệch mạng thường sinh trình hình thành tinh thể tinh thể chịu tác dụng biến dạng đàn hồi Hình 11 Lệch mạng xoắn Trong thực tế lệch đặc trưng lệch biên lệch xoắn lệch hỗn hợp (hình 12) Hình 12 Lệch mạng hỗn hợp 2.2.3 Sai hỏng mặt Biến dạng đàn hồi mạng xung quanh lệch mạng tạo nên trường ứng suất chỗ với nội tăng cao Bằng khả dịch chuyển chúng, lệch mạng rải rác mạng thường tập hợp, xếp theo hình thể đặn Khi nội trở nên thấp nhất, hình thể mang tên vách lệch mạng Đây biểu sai hỏng mặt, nơi tập trung lệch mạng loại(lệch biên lệch xoắn) vách chia cắt hạt thành miền nhỏ 15 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng (hình 13) Các miền nằm hai bên vách lệch mạng với nhau, cá thể xoay góc nhỏ quanh trục so với cá thể Đây cấu trúc bền vững tinh thể thực: việc xoay mạng hai bên vách khiến cho lệch mạng loại tồn trật tự khơng hồn hảo (gọi kiến trúc khảm) tinh thể Ở ta xét sai hỏng mặt mà sai hỏng không thay đổi số chiều dài liên kết gọi song tinh Theo định nghĩa, song tinh liên kết đơi có quy luật tinh thể biến thể đa hình Trong song tinh, mạng không gian hai cá thể thườngd liên quan với định hướng tinh thể học, cụ thể hoá quy luật song tinh, tức yếu tố đối xứng song tinh, mặt gương hay trục xoay bậc hai., Các yếu tố đối xứng phải song saong với mặt mạng hay chuỗi mạng Trong trường hợp đơn giản, cấu trúc hai cá thể trùng với cấu trúc cá thể cho phản chiếu qua mặt ghép hay mặt phân cách Mặt mạng mặt ghép kí hiệụ nó, chẳn hạn hình 15 có nghĩa mạng hai cá thể Nói cách khác, nút mặt có chỉnh hợp mạng khơng gian hai phía; chúng thuộc chuôi mạng mặt mạng chúng Tuy nhiên, cấu trúc vi mô, mặt song tinh vùng lân cận thể dạng sai hỏng mặt Hình 13 Song tinh với mặt ranh giới (130) siêu mạng phàn nguyên tử (màu đen) hai cá thể tao nên 16 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng Mạng song tinh mạng bao quát chung cho hai cá thể Trên hình 13 mạng song tinh thể nút đen, tính liên tục biểu thị … ( độ nghiêng song tinh, góc tia pháp mặt song tinh mạng song tinh, góc biến thiên khoảng từ độ đến khoảng độ); tia pơháp mặt song tinh (310) chuỗi [ 310] hai cá thể trùng với chuỗi mạng song tinh Tính liên tục mạng song tinh điều kiện tính ổn định song tinh; độ nghiêng nhỏ, tần suất gặp lớn Về nguồn gốc hình thành song tinh có trường hợp (Buerger,1945) • Song tinh phát sinh trình phát triển tinh thể khống vật Sự phát triển hồn thiện tinh thể lý tưởng thường tuân thủ trình tự đếu đặn Nằm dung dịch bão hoà hay dung thể, đa diện tinh thể tăng trưởng nhờ hạt vật chất( ion, nguyên tử, phân tử ) tiếp cận bề mặt hạt xếp vào hàng, hết hàng sang hàng khác, phủ đầy mặt tinh thể, làm thành lớp chấm lớp (hàng) chưa hồn thành lớp (hàng) chưa thể phát sinh Chỉ cần hạt vật chất nằm không chỗ, trật tự vốn đặn bị gián đoạn Ví dụ hình 13, mặt (310) xem dấu vết mặt tinh thể bên trái (nguyên thuỷ) Trong tăng trưởng, hạt tiếp cận vị trí với trật tự mạng tinh thể Đây trường hợp tinh thể phát triển bình thường, cấu trúc nguyên thuỷ không bị gián đoạn Trong trường hợp hạt tiếp cận màng tinh thể bên phải tinh thể trái ngừng phát triển; “biến cố” cho cấu trúc song tinh Đây song tinh nguyên sinh, nguồn phát sinh phần lớn song tinh tiếp xúc song tinh mọc xen • Song tinh hình thành sau chuyển pha Thạch anh nhiệt độ cao sau chuyển pha nhiệt độ thấp cấu trúc phân ly thành hai phần liên quan với phép quay 1800 quanh trục Đó song tinh luật Dauphine Bị đốt nóng song tinh biến thạch anh nhiệt độ cao khơng cịn song tinh phục hồi Một ví dụ khác, K feldspat gồm sanidzin (c2/m) pha nhiệt độ 17 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng cao, orthoclas(c2/m) pha nhiệt độ trung bình microclin pha nhiệt độ thấp(c1) Trong bước chuyển pha nghiêng sang nghiênh, yếu tố đối xứng nghiêng biến vùng microlin (3 nghiêng), liên kết với luật song tinh albit peryclin; song tinh mạng lưới quen thuộc microlin • song tinh biến dạng sinh lực học Nếu lực tác dụng không đủ lớn để phá vỡ cấu trúc làm cho mặt mạng trượt song song với theo hướng lực học Song tinh biến dạng thường gặp calcit Ngoài sai hỏng điểm, sai hỏng đường, sai hỏng mặt mạng tinh thể cịn có sai hỏng khối(hạt lẫn) Sai hỏng mức độ khác bắt gặp cấu trúc tinh thể thường xuyên Như vậy, đánh giá tinh thể chất không lưu ý đặc điểm tinh thể học hoá học nó, mà chất lượng, tức mức độ hoàn thiện cấu trúc Ý nghĩa sai hỏng mạng tinh thể Chính khơng hồn hảo mạng tinh thể tức sai hỏng mạng làm thay đổi số tinh chất vật lý chất rắn có ý nghĩa quan trọng, loại hỏng có ý nghĩa định Sau số ý nghĩa sai hỏng đó: Sai hỏng điểm kiểu Frenkel ion bỏ vị trí nó, đến nằm xen nút dành cho ion khác Sai hỏng xảy thường xuyên so với anion; với kích thước thường nhỏ, cation dịch chuyển có phần dễ dàng Sai hỏng Frenke làm cho tinh thể trở nên dẫn điện tốt; ion ràng buộc vận động mạng ảnh hưởng điện trường Ví dụ, AgCl cation bạc bắt đầu di chuyển nhiệt độ đạt 1460C Ở sai hỏng điểm kiểu Schottky trường hợp khoáng vật fluorit, anion flour rời bỏ vị trí khiến điện tích âm chỗ bị thiếu hụt, điện tử dễ dàng bị hút vào Một nút trống xuất hiện, điện tử lấp vào làm nảy sinh “tâm màu” Sai hỏng điểm kiểu Schottky sai hỏng thường xảy chủ yếu 18 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng tinh thể halogennua kiềm (trừ Cs) Các lỗ trống phân bố hỗn loạn mạng tinh thể hình thành cặp mạng lưới Trong tinh thể NaCl, có mặt điện tích dương chưa bù trừ ion Na lỗ trống Cl tạo nên điện tích hiệu dụng +1, cịn có mặt điện tích âm chưa bù trừ ion Cl tạo nên điện tích hiệu dụng -1 Các điện tích hiệu dụng lỗ trống hút tạo thành cặp lỗ trống Để phá vỡ cặp lỗ trống cần cung cấp lượng ΔH kết hợp, NaCl 1,3 eV (120kJ/mol) Nồng độ sai hỏng Schottky tinh thể NaCl nhiệt độ phịng có giá trị khoảng lỗ trống 10 15 vị trí nút mạng Nếu nột hạt muối có khối lượng 1mg (gồm 1019 ion) có 10 sai hỏng kiểu Schottky Chính sai hỏng định nhiều tính chất quang, điện tinh thể NaCl Ở sai hỏng tạp chất, ion xen kẽ vào nút mạng nằm vào chỗ hay vài ion Sai hỏng loại gây biến động thành phần hoá học chất chủ, thay đổi nhỏ số tính chất màu sắc bị tác động mạnh tạp chất Nói chung sai hỏng điểm bao gồm nguyên tử (giữa nút mạng) nút trống nguyên tử Nút trống đóng vai sạư khuyếch tán; ngun tử bị thu hút, tới lấp vào đó, bỏ lại đằng sau nút trống Nguyên tử xen kẽ khơng giống ngun tử nút mạng, với tác động hố họctinh thể (khác kích thước hạt, khác hố trị), chung ảnh hưởng tới tính dẻo tinh thể Ví dụ: Sự có mặt nước thạch anh có chiều làm tăng tính dẻo tác dụng thuỷ phân liên kết Si-O sai hỏng đườn có mặt lệch mạng ảnh hưởng nhiều đến tính chất vật lý tinh thể: tính chất cơ, điện đặc biệt khả phản ứng chất rắn Có thể giải thích ảnh hưởng củ lệch mạng đến tính chất điện sau: • có lệch mạng làm giảm tinh thể Các tạp chất tinh thể có xu hướng khuyếch tán vào khu vực trật tự mạng lưới , nghĩa tập trung xung quanh vùng lệch mạng 19 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng • Ở đầu mút mặt phẳng lệch có dãy nguyên tử liên kết chưa bão hoà Dãy nguyên tử tạo lượng phụ, định vị quang phổ nămg lượng tinh thể Phần lớn mức lượng nằm phía vùng dẫn vùng cách dẫn giá trị 0,2 eV Sự có mặt lệch mạng tinh thể ảnh hưởng đến trình khuyếch tán tái tổ hợp phần tử mang điện tinh thể Cịn sai hỏng mặt kiến trúc thảm Laue M nói dến năm 1913, sau phát fluorit kiến trúc làm giảm độ bền học vật kết tinh; theo Stranski I., hạt tinh thể lớn bền vững Chẳng hạn, tinh thể halit với mặt cắt ngang 10 -5 cm2 bị phá vỡ lực nén gần giá trị lý thuyết tính cho NaCl hồn thiện Với mặt cắt ngang 100 lần lớn tinh thể dễ dàng bị phá vỡ với lực 100 lần nhỏ Tiểu kết: Trong chương vào việc nghiên cứu nguyên nhân gây sai hỏng mạng, loại sai hỏng mạng ý nghĩa chúng 20 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng KẾT LUẬN Như vậy, viết tìm hiểu kiến thức mạng tinh thể như: khái niệm, tính chất đối xứng mạng tinh thể mạng đảo Tìm hiểu nguyên nhân dẫn tới sai hỏng mạng, loại sai hỏng mạng xảy tinh thể thực số ý nghĩa sai hỏng ảnh hưởng tới tính chất vật lý chất rắn như: tính chất cơ, điện, quang… Do lần đầu tiếp xúc nghiên cứu vấn đề này, hạn chế mặt thời gian, lực nên viêt tìm hiểu phần sai hỏng tĩnh và ảnh hưởng sai hỏng lên tính chất vật lý chất rắn 21 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU…………………………………………………………… Chương I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TINH THỂ…………………… 1.1 Mạng tinh thể………………………………………………… 1.2 Các tính chất đối xứng mạng tinh thể 1.3 Mạng đảo………………………………………………………… 1.3.1 Khái niệm mạng đảo…………………………………………… 1.3.2 Các véc tơ sở - tính chất mạng đảo…………………… a) Các véc tơ sở…………………………………………………… b) Tính chất mạng đảo…………………………………………… c) Ý nghĩa mạng đảo…………………………………………… Chương II: CÁC LOẠI SAI HỎNG MẠNG VÀ Ý NGHĨA CỦA CHÚNG Nguyên nhân dẫn tới sai hỏng mạng tinh thể…………………… Các loại sai hỏng mạng ………………… ……………………… 22 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng 2.1 Sai hỏng động…………………………………………………… 2.2 Sai hỏng tĩnh…………………………………………………… 2.2.1 Sai hỏng điểm………………………………………………… a) Sai hỏng kiểu Frenkel…………………………………………… b) Sai hỏng kiểu Schottky…………………………………………… 11 c) Sai hỏng tạp chất ………………………………………………… 12 2.2.2 Sai hỏng đường……………………………………………… 13 a) Lệch mạng đường………………………………………………… 13 b) Lệch mạng xoắn…………………………………………………… 14 2.2.3 Sai hỏng mặt…………………………………………………… 15 Ý nghĩa sai hỏng mạng tinh thể……………………………… 18 KẾT LUẬN……………………………………………………………………… 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [ 1] Vũ Đình Cự, “Vật lý chất rắn”, Nhà XBKH KT Hà Nội 1997 23 Phan Doãn Hồng 49A - Lý Các loại Sai hỏng mạng ý nghĩa chúng [ 2] Lê Thế Khôi – Nguyễn Hữu Mình, “Vật lý chất rắn”, Nhà XBKH KT 1997 [ 3] Nguyễn Thị Bảo Ngọ - Nguyễn Văn Nhã, “Giáo trình Vật lý chất rắn”,Nhà XB ĐHQG Hà Nội 1997 [ 4] Đào Trần Cao, “Cơ sở Vật lý chất rắn”, Nhà XB ĐHQG Hà Nội 22 24 Phan Doãn Hồng 49A - Lý ... loại sai hỏng: 2.2.1 Sai hỏng điểm Đặc trưng sai hỏng điểm là: sai hỏng kiểu Frenkel, sai hỏng Schottky sai hỏng tạp chất a) Sai hỏng kiểu Frenkel: Trong tinh thể thực nguyên tử bị mặt mạng đó, sai. .. chỗ khuyết sai hỏng ngoại nút đặt gần tương tác với hình thành sai hỏng chỗ khuyết - nút Sai hỏng chỗ khuyết - nút gọi sai hỏng Frenkel tạo ảnh hưởng khác biệt so với sai hỏng chỗ khuyết sai hỏng... bị vi phạm tức sai hỏng mạng x? ?y 2.2 Sai hỏng tĩnh tuỳ theo phạm vi sai hỏng mạng, người ta chia sai hỏng tĩnh thành: sai hỏng điểm, sai hỏng đường,và sai hỏng mặt Ngoài cịn có sai hỏng khối Sau