Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 1: Cấu trúc tinh thể của vật rắn (Phần 3) cung cấp cho học viên những kiến thức về các loại liên kết trong chất rắn như sự liên kết của các nguyên tử, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại, liên kết Hiđrô, liên kết Van der Walls,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
VẬT LÍ CHẤT RẮN Phạm Đỗ Chung Bộ mơn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Chương Cấu trúc tinh thể vật rắn • Cấu trúc tinh thể vật rắn (Crystallography) Mạng không gian, ô sơ cấp hệ tinh thể Các yếu tố đối xứng mạng không gian 14 ô mạng Bravais Ô đơn vị (vs ô sơ cấp) Chỉ số Miller đường thẳng, mặt phẳng mạng Một số cấu trúc tinh thể đơn giản Nhiễu xạ cấu trúc tuần hồn Mạng đảo, định lí mạng đảo 10 Vùng Brillouin 11 Các loại liên kết chất rắn PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 11 Các loại liên kết vật rắn Sự liên kết nguyên tử Liên kết ion Liên kết cộng hóa trị Liên kết kim loại Liên kết Hiđrô Liên kết Van der Walls PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Sự liên kết nguyên tử Mạng khơng gian Gốc Mạng tinh thể Gốc hình cầu cứng PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Các cấu trúc xếp chặt Gốc liên kết với Các loại tinh thể (ion, cộng hoá trị, kim loại,…) Sự liên kết nguyên tử • Ngun tử phân tử xếp đặt có trật tự tuần hồn khơng gian tạo thành tinh thể • Để tạo thành tinh thể lõi nguyên tử, phân tử giữ cân tinh thể liên kết • Căn vào loại liên kết người ta chia vật rắn thành loại khác PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Cách phân loại liên kết • Khơng phân loại theo loại tương tác • Phân loại theo phân bố electron nguyên tử tinh thể Nguyên tử phân bố lại electron cách cho, nhận tập thể hóa electron: • Bảo tồn điện tích • Ngun tử có lớp vỏ electron đầy PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Phân loại liên kết Table 2.3, p22, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Sự liên kết nguyên tử • Lực hút để liên kết nguyên tử, phân tử lại với • Lực đẩy để giữ cho nguyên tử, phân tử không co lại thành điểm • Điều kiện tạo liên kết lượng cực tiểu: Lực đẩy ion vs ion cực tiểu Lực đẩy electron vs electron cực tiểu Lực hút cực đại (ion vs electron) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 U Thế đẩy Thế toàn phần R0 r Thế hút Thế tương tác hai nguyên tử Liên kết ion • Lực hút tĩnh điện ion trái dấu • Lực đẩy phủ đám mây electron (nguyên lí Pauli) Mật độ xác suất tìm thấy electron quanh hạt nhân NaCl Fig 7, p61, C Kittel, Introduction to Solid state physics, 8th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Liên kết ion Liên kết ion hình thành nguyên tố có lượng ion hố tương đối thấp kết hợp với ngun tố có lực electron cao •Năng lượng ion hoá I: lượng cần cung cấp để tách electron khỏi ngun tử trung hồ •Ái lực electron A: lượng thu electron thêm vào nguyên tử trung hoà PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 10 Phân tử He2? PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 23 Quy tắc 8-N Các liên kết cộng hóa trị bão hịa •Mỗi nguyên tử hóa trị N liên kết với 8-N nguyên tử khác Số gọi số phối vị địa phương PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 24 Tinh thể cộng hóa trị • Bền, có độ cứng cao (giịn) • Dẫn điện nhiệt độ thấp • Liên kết cộng hóa trị loại liên kết mạnh Ví dụ: kim cương có lượng liên kết 7,30 eV ngun tử (712 kJ/mol) • Nhiệt độ nóng chảy cao PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 25 Tinh thể cộng hóa trị Điển hình: kim cương, graphite,… Fig 3.16&3.17, p48, WD Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 26 Liên kết kim loại • Electron hố trị khơng định xứ nguyên tử mà chung cho tinh thể • Mật độ electron tự mật độ nguyên tử cỡ 1022/ cm3 Fig 2.11, p24, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 27 Liên kết kim loại Fig 2.6, p17, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 28 Một số kim loại điển hình Table 3.1, p34, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 29 Liên kết kim loại • Bản chất liên kết kim loại tương tác đám mây electron mang điện âm iôn dương xếp đặn • Để tối ưu lượng, ion nút mạng kéo phía tối đa ion khác hình thành cấu trúc xếp chặt • Ln có ngun tố nhóm • Liên kết mạnh nhóm nguyên tố KLCT (Nhiệt độ nóng chảy & điểm sơi cao) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 30 Tinh thể kim loại • Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt • Độ dẻo cao • Kim loại nặng có độ bền học lớn • Có ánh kim PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 31 Liên kết Hydro Hiđrô kết hợp với hai ngun tử khác • Khi ngun tử hiđrơ liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn electron bị hút sang phía ngun tử • Ngun tử hiđrơ trở nên tích điện dương • Ngun tử có khả tạo thêm liên kết nguyên tử mang điện âm Một nguyên tử hiđrô liên kết với hai nguyên tử khác Fig 2.11, p26, WD Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 32 Hợp chất có chứa Hydro & F, O, N, C, Cl, S Liên kết Hydro gây nên kết hợp phân tử, polyme hoá AND: đóng vai trị chủ chốt chế di truyền Liên kết Hydro Liên kết Hydro tinh thể nước đá PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 33 Liên kết Van der Walls • electron chuyển động tương hạt nhân tạo mơmen lưỡng cực • Mơmen lưỡng cực làm phân cực nguyên tử lân cận Lực Van der Waals Fig 2.12&2.13, p25, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 34 Liên kết Van der Walls • Liên kết Van der Waals liên kết phổ biến • Liên kết Van der Waals liên kết ngun tử trung hịa có tác dụng khoảng cách lớn • Liên kết Van der Waals yếu nên thể loại liên kết khác không xảy ra, chẳng hạn có liên kết nguyên tử có lớp electron đầy, phân tử bão hoà PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 35 Tinh thể phân tử (tinh thể khí trơ) • Nút mạng có phân tử trung hồ • Liên kết chủ yếu lực Van der Walls: kéo phía tối đa số ngun tử lân cận => xếp chặt • Đa số FCC HCP • Điện mơi, suốt • Năng lượng liên kết nhỏ, nhiệt độ nóng chảy thấp • Dễ bị nén Hydro, Clo, CO2, nhiều hợp chất hữu cơ, khí trơ hố rắn tạo thành tinh thể phân tử PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 36 Tổng kết • Có nhiều loại liên kết tinh thể, hình thành từ tương tác tĩnh điện electron mang điện âm lõi nguyên tử mang điện dương • Trong trường hợp cụ thể lực hút lực đẩy thể dạng khác (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại,…) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 37 .. .Chương Cấu trúc tinh thể vật rắn • Cấu trúc tinh thể vật rắn (Crystallography) Mạng không gian, ô sơ cấp hệ tinh thể Các yếu tố đối xứng mạng không gian... *' + ,- ) &- dr = % &'∗ (E' + ,- ) &- dr !"# = % &'∗ (! = % &'∗ &- dr PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 19 Phân tử H2+ *' + ,- ) &- dr = % &'∗ (E' + ,- ) &- dr !"# = % &'∗ (! *- + ,' )&' dr = % &-? ?? (E- + ,'... Một số cấu trúc tinh thể đơn giản Nhiễu xạ cấu trúc tuần hoàn Mạng đảo, định lí mạng đảo 10 Vùng Brillouin 11 Các loại liên kết chất rắn PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 11 Các loại liên kết vật rắn Sự