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

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu và kỹ thuật, việc nắm vững tính chất điện và từ của vật liệu là yếu tố then chốt để thiết kế và ứng dụng chúng hiệu quả trong các hệ thống công nghệ tiên tiến. Chương này đi sâu vào bối cảnh cơ bản của sự dẫn điện, làm rõ các khái niệm về điện trở suất và cơ chế tạo dòng điện trong vật liệu. Mục tiêu chính là cung cấp cái nhìn tổng quan về cách các yếu tố cấu trúc và năng lượng ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của vật liệu, từ đó đặt nền móng cho việc phân loại và lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng điện tử và công nghiệp.

Sinh viên ngành Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Điện, Vật lý Kỹ thuật, và các kỹ sư, nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu sâu về cơ sở vật lý của tính chất điện của vật liệu.

Chương này trình bày toàn diện về tính chất điện của vật liệu, bắt đầu bằng việc định nghĩa dòng điện và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất và độ dẫn điện. Nội dung cốt lõi bao gồm việc phân loại vật liệu thành chất dẫn, chất bán dẫn và chất cách điện dựa trên khả năng dẫn điện của chúng. Cách tiếp cận giải thích tính dẫn điện được phân tích từ hai góc độ chính: cấu trúc mạng tinh thể kim loại, nơi sự va chạm electron và dao động nhiệt của nguyên tử gây ra điện trở, và cấu trúc vùng năng lượng electron.

Theo mô hình vùng năng lượng, khả năng dẫn điện được giải thích thông qua sự hình thành vùng dẫn và vùng hóa trị, cùng với khái niệm năng lượng Fermi và vùng cấm (bandgap) quyết định. Vật liệu dẫn điện có vùng dẫn và vùng hóa trị chồng lấp hoặc rất gần nhau, cho phép electron dễ dàng di chuyển. Ngược lại, chất cách điện có vùng cấm rộng, đòi hỏi năng lượng kích thích lớn để electron có thể chuyển lên vùng dẫn. Chất bán dẫn được đặc trưng bởi vùng cấm hẹp, cho phép chúng dẫn điện khi có kích thích phù hợp (như nhiệt độ hoặc điện áp). Chương cũng thảo luận về các hạt mang điện tích (electron và lỗ trống) trong chất bán dẫn tinh khiết và ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc nano đến độ dẫn điện. Các kiến thức này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển linh kiện điện tử và vật liệu tiên tiến.