Bài giảng Vật liệu tinh thể học: Tính chất phi cơ học của vật liệu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu tinh thể học - Tính chất phi cơ học của vật liệu, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Các tính chất điện; Tính dẫn điện; Các tính chất điện; Các mức năng lượng của tập hợp các nguyên tử; Cấu trúc dải năng lượng điển hình; Phần tử mang điện trong chất cách điện và bán dẫn; Tính bán dẫn nội tại theo sự dịch chuyển điện tử và lỗ trống;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu tinh thể học: Tính chất phi cơ học của vật liệu

TÍNH CHẤT PHI CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU tranhaiung@gmail.com
Tổng quan • Các tính chất điện • Các tính chất từ • Các tính chất nhiệt 2
Các tính chất điện Nội dung đề cập... • Cách đặc trưng hóa tính dẫn điện và cách điện của vật liệu? • Các hiện tượng vật lý phân biệt chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện? • Với kim loại, độ dẫn bị ảnh hưởng thế nào bởi khuyết tật, nhiệt độ và biến dạng? • Với chất bán dẫn, độ dẫn bị ảnh hưởng thế nào bởi tạp chất (thêm vào) và nhiệt độ? 3
Tính dẫn điện • Định luật Ohm: V=IR Sụt áp (volts = J/C) Điện trở (Ohms) C = Coulomb Dòng điện (amps = C/s) • Điện trở suất, : -- Tính chất vật liệu không phụ thuộc kích thước và hình dạng Diện tích bề mặt RA dòng điện  l Chiều dài dòng điện đi qua • Suất dẫn điện,  1     4
Các tính chất điện • Hình dạng nào có điện trở lớn hơn? 2 2 8 D R1   D  2 D 2    2   2D   R1 R2    2D  D 2 2 8       2  • Có sự tương tự với dòng lỏng trong ống • Điện trở phụ thuộc kích thước và hình dạng  vật. 5
Các định nghĩa Mật độ dòng J=E
Các định nghĩa Mật độ dòng J = nq
Suất dẫn điện: so sánh • Tại nhiệt độ phòng (Ohm-m)-1 = ( - m)-1 METALS conductors CERAMICS -10 Silver 6.8 x 10 7 Soda-lime glass 10 -10-11 Copper 6.0 x 10 7 Concrete 10 -9 Iron 1.0 x 10 7 Aluminum oxide
Suất dẫn điện: so sánh Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện 9
Ví dụ: Bài toán về suất dẫn điện Tính đường kính tối thiểu (D) dây dẫn sao cho V < 1.5 V?  100 m Dây Cu - I = 2.5 A + V  100 m < 1.5 V  V R  2.5 A D 2 A I 4 6.07 x 107 (Ohm-m)-1 Tính được D > 1.87 mm 10
Các mức năng lượng của tập hợp các nguyên tử 11
Cấu trúc dải năng lượng điển hình Adapted from Fig. 18.3, Callister & Rethwisch 8e. 12
Các cấu trúc vùng năng lượng: kim loại • Các kim loại (Chất dẫn điện): -- Kim loại có vùng năng lượng trống nằm gần vùng điền đầy. -- nhiệt năng kích Partially filled band Overlapping bands thích các điện tử nhảy Energy Energy vào vùng năng lượng empty trống cao hơn band -- Kim loại có 2 loại cấu GAP empty trúc vùng năng lượng band - Vùng điền một phần partly - vùng trống và chồng filled filled filled states band filled states lắp với vùng điền đầy band filled filled band band 13
Các cấu trúc vùng năng lượng: Chất cách điện & bán dẫn • Chất cách điện: • Chất bán dẫn: -- vùng trống rộng (> 2 eV) -- vùng trống hẹp (< 2 eV) -- rất ít điện tử bị kích thích -- nhiều điện tử bị kích thích vượt vượt qua được vùng trống qua được vùng trống Energy empty Energy empty conduction conduction band band GAP ? GAP filled filled filled states filled states valence valence band band filled filled band band 14
Kim loại: Ảnh hưởng của nhiệt độ và tạp chất đến điện trở suất • Sự có mặt khuyết tật làm tăng điện trở suất -- Biên các hạt Làm các điện tử trở nên rời rạc do -- Lệch vị trí đó làm giảm đường dẫn điện. -- Nguyên tử tạp chất -- Lỗ trống 6 • Điện trở suất tăng Resistivity,  (10 -8 Ohm-m) 5 theo: 4 -- Nhiệt độ 3 d -- % tạp chất -- %biến dạng 2 i 1 t  = thermal 0 -200 -100 0 T (ºC) + impurity Adapted from Fig. 18.8, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 18.8 adapted from J.O. Linde, Ann. Physik 5, p. 219 (1932); and C.A. + deformation Wert and R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1970.) 15
Suất dẫn điện phụ thuộc nhiệt độ • Với kim loại:  Hệ số điện trở của nhiệt độ 16
Ước lượng suất dẫn điện • Bài toán: -- Ước lượng suất dẫn điện  của hợp kim Cu-Ni có độ bền chảy 125 MPa. 180 Yield strength (MPa) (10 -8 Ohm-m) 50 Resistivity,  160 140 40 125 30 120 100 20 21 wt% Ni 10 80 60 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 wt% Ni, (Concentration C) wt% Ni, (Concentration C) Adapted from Fig. 7.16(b), Callister & Rethwisch 8e. 8   30 x 10 Ohm  m Xác định % Ni: 1    3.3 x 106(Ohm  m)1 CNi = 21 wt% Ni  17
Phần tử mang điện trong chất cách điện và bán dẫn Adapted from Fig. 18.6(b), Callister & Rethwisch 8e. Hai loại phần tử mang điện: Điện tử tự do – Điện tích âm – Trong vùng dẫn Lỗ trống – Điện tích dương – Trạng thái thiết điện tử trong vùng hóa trị Vận tốc dịch chuyển khác nhau - drift velocities 18
Các chất bán dẫn nội tại • Chất bán dẫn nguyên chất: e.g., silicon và germanium – Vật liệu nhóm IVA • Chất bán dẫn hợp chất – Hợp chất nhóm III-V • Vd: GaAs & InSb – Hợp chất nhóm II-VI • Vd: CdS & ZnTe – Khác biệt độ âm điện của các nguyên tố càng lớn thì vùng trống năng lượng càng rộng. 19
Tính bán dẫn nội tại theo sự dịch chuyển điện tử và lỗ trống • Khái niệm điện tử và lỗ trống: valence electron hole electron hole electron Si atom pair creation pair migration - + - + no applied applied applied electric field electric field electric field • Suất dẫn điện tính bởi: Adapted from Fig. 18.11, Callister & Rethwisch 8e. # holes/m3   n e e  p e  h hole mobility # electrons/m3 electron mobility 20