Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 9 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 9 Tính chất điện và từ của vật liệu, gồm các nội dung chính sau tính dẫn điện; hiện tượng siêu dẫn; polymer dẫn điện; điện môi; từ trường và độ từ hóa;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 9 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

CHƯƠNG 9 TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ CỦA VẬT LIỆU PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1
TỪ KHÓA • Electrical Resistivity • Conductor • Semiconductor • Insulator • Fermi Level • Conduction Band • Valence Band PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2
VIẾT TẮT • NT: Nguyên tử • PT: Phân tử • NL: Năng lượng • LK: Liên kết • PLK: Phản liên kết PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3
1. TÍNH DẪN ĐIỆN Dòng điện? Dòng điện: dòng điện tích chuyển động có hướng hay dòng khuếch tán điện tích có hướng do chênh lệch điện thế Có thể tạo dòng trong VL: các e (KL, bán dẫn n), ion (ceramic, polymer), lỗ trống (bán dẫn p), e và lỗ trống (bán dẫn n – p) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4
Độ dẫn điện? Định luật Ohm: U= RI Điện trở suất: = RS/l= US/lI Độ dẫn điện: = 1/ Dạng khác của định luật Ohm: J= E, trong đó: J= I/S – mật độ dòng điện E= U/l – cường độ điện trường Phân loại VL rắn theo khả năng dẫn điện: 1) Dẫn điện:  > 105 (m)-1 2) Bán dẫn: 10-6 <  < 105 (m)-1 3) Cách điện (điện môi): 10-20 <  < 10-6 (m)-1 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6
1.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠI Trong VLKL: khi có tác dụng điện trường E→ các e chuyển động có hướng → tạo dòng điện Dòng e luôn va chạm các NT ở nút MTT → cản trở chuyển động của dòng e: coi như điện trở Tăng T → dao động các NT ở nút mạng tăng + mức chuyển động hỗn độn của e tăng → điện trở tăng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
1.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠI  Khi T đủ lớn, điện trở suất T của KL và HK tăng tuyến tính theo T: T= 0 + aT 0, a: hằng số với mỗi KL PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9
1.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠI Tính dẫn điện cũng giảm do sai lệch trong cấu trúc (biên hạt, tạp chất, lệch mạng) Nguyên tắc cộng tính: = T + I + D T , I , D : điện trở suất do dao động nhiệt, tạp chất, biến dạng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10
Độ dẫn điện của VL cấu trúc hạt ở mức nano  Không tuân theo ĐL Ohm: quan hệ U, I là phi tuyến  Do biên hạt có kích thước đáng kể so với hạt: tạo trường không liên tục  Giữa các hạt nano hình thành khoảng không gian trống, dù rất nhỏ, có thể coi như môi trường giữa các bản tụ điện, cản trở dòng e chuyển động PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11
1.2. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRON Khi các NT sít lại gần nhau tạo liên kết, các mức năng lượng của chúng bị phân thành các vùng NL của PT liên kết (vùng hóa trị) và phản LK (vùng dẫn), giữa chúng là vùng không có e nào có mức năng lượng tương ứng (vùng cấm) 12
1.2. GT TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRON  Các e có NL ở mức hóa trị: tham gia LK bền vững, không dịch chuyển trong điện trường → không tạo dòng điện  Các e ở vùng dẫn: không tham gia LK, chuyển động tự do → khi chịu tác dụng điện trường: chuyển động tạo dòng điện  Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn: khoảng cách Eg (không có e có mức NL tương ứng). Eg như hàng rào NL tối thiểu, cần để kích thích e từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo dòng điện PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
1.2. GT TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRON  Tính dẫn điện của VL sẽ do chiều rộng NL vùng cấm Eg quyết định  Khi mức NL cao nhất bị e chiếm trùng với đỉnh của một vùng NL: các e không thể nhận thêm điện năng do điện trường ngoài → không thể hiện được tính dẫn điện: chất cách điện (chất điện môi)  Mức NL cao nhất có thể bị chiếm: năng lượng Fermi (EF) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
Chất dẫn Thường là KL, có vùng dẫn và vùng hóa trị lấp một phần hoặc chồng lấp lên nhau (không có vùng cấm Eg). Bình thường luôn có các e ở vùng dẫn hoặc chỉ cần một NL rất nhỏ để đưa e lên các trạng thái trống 15
Chất cách điện Có vùng cấm rộng (Eg> 3eV) Khi kích thích (điện áp, T) đủ lớn: một số e có thể bị kích thích từ vùng hóa trị qua vùng cấm lên vùng dẫn Khi điện áp kích thích lớn đến mức chất cách điện thành chất dẫn điện: “điện áp đánh thủng” PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
Bán dẫn  Có vùng cấm hẹp (Eg< 3eV), các e có khả năng chuyển từ vùng hóa trị qua vùng cấm lên vùng dẫn tham gia dẫn điện khi bị kích thích (điện, nhiệt) chỉ ở mức bình thường PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
1.3. HẠT MANG ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN MÔI VÀ BÁN DẪN  Trong VL điện môi và bán dẫn, 2 loại hạt mang điện tích: 1. Electron tự do (e) mang điện tích âm (n, negative) trong vùng dẫn 2. Lỗ trống (h, hole) do thiếu e cặp đôi, được coi là tích điện dương (p, positive) cũng đóng vai trò như hạt mang điện tích  Độ dẫn điện  phụ thuộc nồng độ hạt tích điện và độ linh động  của chúng: = nee + peh PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
1.3.1. Bán dẫn tinh khiết  Nếu tính chất điện được quy định bởi cấu trúc e vốn có trong VL tinh khiết: bán dẫn tinh khiết  Với bán dẫn tinh khiết, Eg tương đối nhỏ (
1.3.1. Bán dẫn tinh khiết Điện trường E tác động bán dẫn: các e bị kích thích lên vùng dẫn sẽ tạo dòng ngược chiều điện trường (về phía cực +), độ dẫn điện tỉ lệ số e tham gia dòng ne và độ linh động e của chúng: e= nee PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20