Giáo trình Vật liệu điện, điện tử: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Vật liệu điện, điện tử" cung cấp cho học viên những nội dung về: cấu tạo và phân loại vật chất, cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng năng lượng, phân loại vật chất; vật liệu dẫn điện; vật liệu cách điện;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu điện, điện tử: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Ths. Tống Thị Phượng (Chủ biên) Ths. Đoàn Thị Như Quỳnh GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN, ĐIỆN TỬ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH – 2014
LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” là tài liệu được biên soạn để phục vụ cho việc giảng dạy, học tập của giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử. Giáo trình được biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” ở trình độ đại học ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử đã được nhà trường thông qua. Giáo trình gồm 5 chương: Chương 1.Cấu tạo và phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng năng lượng, phân loại vật chất. Chương 2. Vật liệu dẫn điện: Trình bày các quá trình vật lý trong vật liệu dẫn điện và các tính chất của chúng. Giới thiệu các vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn điện có điện trở cao. Chương 3. Vật liệu cách điện: Trình bày các quá trình vật lý trong điện môi và các tính chất của chúng, phân loại vật liệu cách điện. Giới thiệu các vật liệu cách điện thể khí, thể lỏng, thể rắn. Chương 4. Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu bán dẫn, tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n và một số chất bán dẫn thông dụng. Chương 5. Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung về vật liệu từ. Tổng quan về các vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng và các vật liệu từ có công dụng đặc biệt. Trong quá trình biên soạn giáo trình, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong đồng nghiệp và bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình được hoàn thiện hơn. Quảng Ninh, tháng 5 năm 2014 Người biên soạn Tổng Thị Phượng
Chương 1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1. Cấu tạo vật chất 1.1.1. Cấu tạo nguyên tử Như chúng ta đã biết mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Rutherford, nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương rất nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng của nguyên tử ở trung tâm, còn các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời (hình 1-1). Hình 1-1. Mô hình nguyên tử của Rutherford Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạt proton và nơtron, nơtron là các hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q. Trong đó: Z – Số lượng điện tử của một nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Mendeleep; q – Điện tích của điện tử e (qe = 1,601.10-19 culông). Proton có khối lượng bằng 1,67.10-27kg; e – Electron có khối lượng bằng 9,1.10-31kg. Ở trạng thái bình thường nguyên tử được trung hòa về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng các điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó, nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trở thành điện tích dương, ta thường gọi là ion dương. Ngược lại, nếu nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của hyđrô, nguyên tử này được cấu tạo từ một proton và một điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức sau: q2 f1  (1-1) r2 Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2: mv 2 f2  (1-2) 2 Trong đó: 1
m - Khối lượng của điện tử; v - Tốc độ chuyển động của điện tử. q2 Từ (1-1) và (1-2) ta có f1 = f2 hay: mv  2 (1-3) r mv 2 Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng T = và một thế 2 q2 năng U = - nên năng lượng của điện tử sẽ bằng: r q2 W=T+U=- (1-4) 2r Biểu thức (1-4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r ra vô cùng cần phải q2 cung cấp cho nó một năng lượng lớn hơn bằng . 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hóa (Wi). Khi bị ion hóa (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hóa. Trong một nguyên tử, năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hóa trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hóa thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4). Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Song, chúng luôn có xu thế trở về vị trí của trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng). Trong thực tế, năng lượng ion hóa và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng, năng lượng của các tia sóng ngắn như  ,  ,  hay tia X ... 1.1.2. Cấu tạo phân tử Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết hóa học. Trong vật chất, tồn tại các loại liên kết sau 1.1.2.1. Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Khi đó, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững. Lấy cấu trúc của phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl 2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia (hình 1-2). Hình 1-2. Liên kết cộng hóa trị trong phân tử clo 2
Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực). Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên từ các phân tử trung tính gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách “a” nào đó được gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lưỡng cực. Phân tử cực tính đặc trưng bởi momen lưỡng cực m = q.a. Dựa vào trị số momen lưỡng cực của phân tử, người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh. Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính. Liên kết đồng hóa trị còn thấy ở cả chất rắn vô cơ có mạng tinh thể cấu tạo từ các nguyên tử, ví dụ như kim cương. Cấu tạo kim cương được mô tả trên hình 1-3. Hình 1-3. Cấu tạo tinh thể kim cương 1.1.2.2. Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm. Hình 1-4. Mô hình mạng tinh thể NaCl Khả năng tạo nên một chất hoặc một hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hóa trị ngoài cùng. 1.1.2.3. Liên kết kim loại Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do (hình 1-5). Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy, liên kết kim loại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt 3
độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Hình 1-5. Sơ đồ cấu tạo kim loại Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt trên nhau giữa các lớp ion, vì thế kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. 1.1.2.4. Liên kết VandeWaals Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững chắc. Do vậy, những liên kết phân tử là liên kết VanderWaals có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin. 1.1.2.5. Liên kết hydro Liên kết hydro xuất hiện trong trường hợp khi mà một nguyên tử hydro liên kết vớí những nguyên tử có tính âm điện rất mạnh chẳng hạn như flo, oxy, photpho, ni tơ... Các nguyên tử này mất một điện tử liên kết và mang điện tích âm, liên kết gây ra bởi lực hút tĩnh điện giữa các hạt mang điện này. Một thí dụ điển hình về liên kết loại này là liên kết xuất hiện giữa các phân tử nước. Liên kết O-H tạo thành giữa các nguyên tử oxy của phân tử nước này với nguyên hydro của phân tử nước khác. Nguyên tử hydro có một điện tử hoá trị, nó có thể liên kết với một nguyên ử có lớp ngoài cùng thiếu 1 điện tử . Nhưng hydro có thể liên kết với hai nguyên tử cùng một lúc tạo thành liên kết hydro Đây là một dạng liên kết có hướng, năng lượng liên kết bé, nhỏ hơn 20 kJ/mol. 1.1.2.6. So sánh các liên kết Liên kết thường gặp nhất là liên kết VanderWaals, nó xuất hiện trong mọi trường hợp và là loại liên kết yếu nhất với năng lượng liên kết chỉ cỡ 104J/mol. Liên kết này xuất hiện giữa các nguyên tử, phân tử trung hoà có lớp vỏ điện tử bên trong đầy. Liên kết ion là loại liên kết điển hình, thường gặp trong các chất vô cơ, trong các hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua... Vì thế vật rắn cấu tạo với liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao vì năng lượng liên kết rất cao. Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử rất yếu vì các điện tử bị gắn chặt vào các ion, các tinh thể ion có tính chất của các điện môi. Liên kết ion cũng thường gặp trong các kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri...). Năng lượng liên kết ion lớn hơn hẳn của liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol. Nhưng ở nhiệt độ cao do chuyển động mạnh của các ion, nên điện dẫn ion xuất hiện. Liên kết cộng hoá trị ít có mặt trong các chất hữu cơ và thường hay gặp trong các hợp chất vô cơ. 4
Liên kết này dẫn đến sự tạo thành tinh thể hoá trị điển hình như Al, Ge... Năng lượng của liên kết ion thường khá cao khoảng 106J/mol. Do vậy các chất có liên kết hoá trị có điểm nóng chảy cao và nhiệt dung lớn. Liên kết kim loại xuất hiện do tạo thành các điện tử hoá trị góp chung cho, đặc trưng cho kim loại điển hình. Năng lượng liên kết cùng bậc với với liên kết hoá trị. Cuối cùng liên kết hydro là liên kết tương đối yếu. Trong các vật rắn thực, thường chúng ta gặp thường gặp hai hoặc nhiều hơn loại liên kết, trong đó có một loại nào đó chiếm ưu thế hơn nó quy định cấu trúc, tính chất của vật liệu. 1.1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có thể có kết cấu đồng nhất. Sự phá hủy các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu. Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, sự có mặt của các hợp chất lạ, áp lực cơ học, các lượng tử của dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp ... Hình 1-6. Các dạng khuyết tật trong vật rắn Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt, ví dụ như vi mạch IC ... và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi, ví dụ như vật liệu cách điện có lẫn kim loại. 1.1.4. Các mạng tinh thể cơ bản 1.1.4.1. Cấu trúc tinh thể Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian ba chiều trong đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ...). - Tinh thể kim loại; - Tinh thể ion; - Tinh thể nguyên tử (Hay tinh thể cộng hoá trị); - Tinh thể phân tử. 1.1.4.2. Khái niệm về ô cơ sở Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể ta có thể thu được toàn bộ tinh thể. Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số: 1. Hằng số mạng: a, b, c, , , ; 5
2. Số đơn vị cấu trúc: n; 3. Số phối trí; 4. Độ đặc khít. 1.1.4.3. Mạng tinh thể kim loại a. Một số kiểu mạng tinh thể kim loại *. Mạng lập phương đơn giản - Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = 6 - Số đơn vị cấu trúc: 1 *. Mạng lập phương tâm khối - Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = 8 - Số đơn vị cấu trúc: 2 *. Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các nguyên tử hoặc ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: 4 *. Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương) - Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở. Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi. Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: 2 Hình 1-7. Mô hình các mạng tinh thể kim loại b. Một số đặc điểm của mạng tinh thể kim loại *. Độ đặc khít của mạng tinh thể C A B B A A LËp ph-¬ng t©m khèi LËp ph-¬ng t©m mÆt Lôc ph-¬ng chÆt khÝt Hình 1-8. Mô hình so sánh tính chặt khít của các mạng tinh thể kim loại 6
*. Hốc tứ diện và hốc bát diện Hèc b¸t diÖn Hèc tø diÖn Hình 1-9. Mô hình hốc tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể kim loại + Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện là 8; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 4 + Mạng lục phương: Hốc tứ diện là 4; Hốc bát diện là: 1 + 12.1/4 = 2 c. Độ đặc khít của mạng tinh thể *. Mạng tinh thể lập phương tâm khối a a 2 a 3 = 4r Hình 1-10. Mô hình mạng tinh thể lập phương tâm khối Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8. 1/8 = 2 4 4 3 3 Tổng thể tích quả cầu 2.  .r 3 2.  .(a ) 3 3 4 Thể tích của một ô cơ sở = a3 = a3 = 68% *. Mạng tinh thể lập phương tâm diện a a a 2 = 4.r Hình 1-11. Mô hình mạng tinh thể lập phương tâm diện 7
Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6. 1/2 + 8. 1/8 = 4 4 4 2 3 Tổng thể tích quả cầu 4.  .r 3 4.  .(a ) 3 3 4 = = = 74% Thể tích của một ô cơ sở a3 a3 *. Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4. 1/6 + 4. 1/12 + 1 = 2 4 4 a Tổng thể tích quả cầu 2.  .r 3 2.  .( )3 3 3 2 = = = 74% 3 2a. 6 Thể tích của một ô cơ sở a.a . a 3 2 2 2 a a 6 2a 6 a a b= 3 3 a 3 a 2 a a ¤ c¬ së a = 2.r Hình 1-12. Mô hình mạng tinh thể lục phương chặt khít Bảng 1-1. Tổng quát các đặc điểm của các mạng tinh thể kim loại Số Số Số Số Độ đặc Cấu trúc Hằng số mạng hạt phối hốc hốc Kim loại khít (%) (n) trí T O Lập phương Kim loại ===90o tâm khối 2 8 - - 68 kiềm, Ba, (lptk:bcc) a=b=c Fe, V, Cr, … Lập phương Au, Ag, Cu, ===90o tâm diện 4 12 8 4 74 Ni, Pb, Pd, (lptd: fcc) a=b=c Pt, … == 90o Lục phương Be, Mg, Zn, đặc khít (hpc)  =120o 2 12 4 2 74 Tl, Ti, … a≠b≠c d. Khối lượng riêng của kim loại *. Công thức tính khối lượng riêng của kim loại 3.M .P D= (*) hoặc D = (n.M) / (NA.V1 ô ) (1-6) 4 r 3 .N A Trong đó: M - Khối lượng kim loại (g); NA - Số Avogadro; n - Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở; 8
P - Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện, lục phương chặt khít P = 74%); r - Bán kính nguyên tử (cm); V1ô - Thể tích của 1 ô mạng. *. Áp dụng Bài 1. Tính khối lượng riêng của tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể lập 0 phương tâm mặt và bán kính của Ni là 1,24 A . Giải: 4r 4.1, 24 0 a=   3,507( A) ; P = 0,74 a 2 2 Khối lượng riêng của Ni: 3.58, 7.0, 74 a =9,04 (g/cm3) 4.3,14.(1, 24.108 )3 .6, 02.1023 a 2 = 4.r Hình 1-13. Mô hình mạng tinh thể Ni Bài 2. Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng (Au) có khối lượng riêng là 19,4 g/cm3 và có mạng lưới lập phương tâm diện. Độ dài cạnh của ô mạng đơn vị là 4,070.10-10 m. Khối lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3. a. Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng? b. Xác định trị số của số Avogadro? Giải: - Số nguyên tử trong 1 ô cơ sở: a 8.1/8 + 6.1/2 = 4. - Bán kính nguyên tử Au: a 4.r = a 2  r= a 2 /4= 1,435.10-8 cm a 2 = 4.r Hình 1-14. Mô hình mạng tinh thể Au Thể tích bị chiếm bởi các nguyên tử: Vnguyên tử= 4/3..r3 = 4.4/3.3,14.(1,435.10-8 )3 = 5.10-23 cm3. Thể tích 1 ô đơn vị: V1ô = a3 = (4,070.10-8)3 = 6,742.10-23 cm3. Phần trăm thể tích không gian trống: (V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26%. Trị số của số Avogadro: NA = (n.M) / (D.Vô) = 6,02.1023. Bài 3. Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện. a. Tính cạnh của hình lập phương của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng, biết nguyên tử đồng có bán kính bằng 1,28A0. 9
b. Tính khối lượng riêng của đồng theo g/cm3. Cho Cu = 64. Giải: Bán kính nguyên tử Cu là: r = 1,28.10-8 cm. Từ công thức: 4.r = a 2  a = 4.r / 2 = (4.1,28.10-8) / 1,41 = 3,63.10-8 cm. Khoảng cách ngắn nhất giữa 2 tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng: 2.r = 2,56.10-8 cm. Khối lượng riêng: D = (n.M) / (NA.V1 ô ) = 8,896 g/cm3. Bài 4. Xác định khối lượng riêng của Na, Mg, K. Giải: Xác định khối lượng riêng của các kim loại trên theo công thức: 3.M .P D= Sau đó điền vào bảng và so sánh khối lượng riêng của các kim loại 4 r 3 .N A đó, giải thích kết quả tính được. Kim loại Na Mg Al Nguyên tử khối (đv.C) 22,99 24,31 26,98 0 Bán kính nguyên tử ( A ) 1,89 1,6 1,43 Mạng tinh thể Lptk Lpck Lptm Độ đặc khít 0,68 0,74 0,74 Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) 0,919 1,742 2,708 Khối lượng riêng thực nghiệm (g/cm3) 0,97 1,74 2,7 Nhận xét Khối lượng riêng tăng theo thứ tự: DNa < DMg < DAl là do sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể kim loại, độ đặc khít tăng dần và khối lượng mol nguyên tử tăng dần. 1.1.4.4. Mạng tinh thể ion * Tinh thể hợp chất ion được tạo thành bởi những cation và anion hình cầu có bán kính xác định. * Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh điện không định hướng. * Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lập phương tâm mặt, lập phương chặt khít, hoặc lập phương đơn giản. Các cation có kích thước nhỏ hơn nằm ở các hốc tứ diện hoặc bát diện. Bài 1. Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt của các ion Na+, còn các ion Cl- chiếm các lỗ trống tám mặt trong ô mạng cơ sở của các ion Na+, nghĩa là có 1 ion Cl- chiếm tâm của hình lập phương. Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58A0. Khối lượng mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol. Cho bán kính của Cl- là 1,81A0. Tính: a. Bán kính của ion Na+? b. Khối lượng riêng của NaCl (tinh thể)? 10
Giải: Na Cl Hình 1-15. Mô hình mạng tinh thể NaCl Các ion Cl xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết - số hốc bát diện. Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau. Số phối trí của Na+ và Cl- đều bằng 6. Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4 Số ion Na+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4 Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4 a. Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm  r Na+ = 0,98.10-8 cm; b. Khối lượng riêng của NaCl là: D = (n.M) / (NA.V1 ô )  D = [4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3] D = 2,21 g/cm3. Bài 2. Phân tử CuCl kết tinh dưới dạng lập phương tâm diện. Hãy biểu diễn mạng cơ sở của CuCl a. Tính số ion Cu+ và Cl - rồi suy ra số phân tử CuCl2 chứa trong mạng tinh thể cơ sở. b. Xác định bán kính ion Cu+. Cho: D(CuCl) = 4,136 g/cm3; rCl- = 1,84A0; Cu = 63,5; Cl = 35,5. Giải: Các ion Cl- xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Cu+ nhỏ hơn chiếm hết số hốc bát diện. Tinh thể CuCl2 gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau. Số phối trí của Cu+ và Cl- đều bằng 6 Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4 Số ion Cu+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4 Số phân tử CuCl trong một ô cơ sở là 4 Khối lượng riêng của CuCl là: D = (n.M) / (NA.a3 )  a = 5,42.10-8 cm (a là cạnh của hình lập phương) Có: 2.(rCu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8cm  rCu+ = 0,87.10-8cm 1.1.4.5. Tinh thể nguyên tử Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút mạng là các nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị. Do liên kết cộng hoá trị có tính định hướng nên cấu trúc tinh thể và số phối trí được quyết định bởi đặc điểm liên kết cộng hoá trị, không phụ thuộc vào điều kiện sắp xếp không gian của nguyên tử. 11
Vì liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, không tan trong các dung môi. Chúng là chất cách điện hay bán dẫn. Bài 1. a. Hãy vẽ sơ đồ mô tả cấu trúc của một tế bào kim cương sơ đẳng? b. Biết hằng số mạng a = 3,5A0. Hãy tính khoảng cách giữa một nguyên tử C và một nguyên tử C láng giềng gần nhất. Mỗi nguyên tử C như vậy được bao quanh bởi mấy nguyên tử ở khoảng cách đó? c. Hãy tính số nguyên tử C trong một tế bào sơ đẳng và khối lượng riêng của kim cương? Giải: a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A Hình 1-16. Mô hình mạng tinh thể kim cương a. Các nguyên tử C chiếm vị trí các đỉnh, các tâm mặt và một nửa số hốc tứ diện. Số phối trí của C bằng 4 ( Cacbon ở trạng thái lai hoá sp2). Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + 4 = 8 nguyên tử Khoảng cách giữa một nguyên tử Cacbon và một nguyên tử cacbon láng giêng gần nhất là: 2r = d/4; Với d là đường chéo của hình lập phương d = a. 3 .  2.r = a. 3 / 4 = 1,51.10-8 cm b. Mỗi nguyên tử cacbon được bao quanh bởi 4 nguyên tử cacbon bên cạnh. c. Khối lượng riêng của kim cương: n.M 8.12,011 D= = = 3,72 g/cm3 N A .V 6,02.10 23.(3.5.10 8 ) 3 Bài 2. Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương. a. Tính bán kính nguyên tử silic. Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm-3; Khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1. b. So sánh bán kính nguyên tử của silic với cacbon (rC = 0,077 nm) và giải thích? Giải: a. Từ công thức tính khối lượng riêng: D= n.M  V1 ô = ( 8.28,1)/(2,33.6,02.1023) = 16,027 cm3; N A .V a = 5,43.10-8 cm; d = a. 3 = 5,43.10-8 .1,71 = 9.39.10-8 cm; 12
Bán kính của nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 .10-8cm. b. Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm). Điều này phù hợp với quy luật biến đổi bán kính nguyên tử trong một phân nhóm chính. Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim. Các tính chất vật lý chung đó đều do electron tự do trong kim loại gây ra. Ngoài ra đặc điểm của liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật độ electron tự do, điện tích của cation kim loại cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý khác của kim loại như: Độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối. 1.1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn Lý thuyết điện tử tự do giải thích được nhiều tính chất của vật rắn như là dẫn nhiệt, dẫn điện, phát xạ nhiệt, các hiệu ứng nhiệt điện, điện từ... đặc biệt là kim loại. Nhưng lý thuyết này đã không giải thích được những tính chất của vật rắn trong mối quan hệ với cấu trúc bên trong của nó. Tại sao một số tinh thể của các chất lại là kim loại, điện môi và bán dẫn, tính chất của bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp một số kim loại có điện trở suất nhỏ đến 10-10 Ωcm, còn một số điện môi có điện trở suất lớn đến 1020 Ωcm thế nhưng các tính chất vật lý khác lại không khác nhau nhiều đến thế. Bất cứ một vật rắn nào cũng chứa các điện tử. Vấn đề chính liên quan đến tính chất điện của vật rắn là điện tử có hành vi như thế nào khi có tác động của điện trường ngoài? Lý thuyết phân vùng năng lượng cho rằng điện tử phân bố theo các vùng năng lượng. Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện). Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử ở cách xa nhau một khoảng cách lớn đã chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy, còn ở các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Hình 1-17. Phân vùng năng lượng của vật rắn 13
Các điện môi có các vùng năng lượng hoặc là điền đầy toàn bộ bởi các điện tử hoặc trống hoàn toàn: Như vậy chúng không thể di chuyển khi có điện trường ngoài tác động. Tinh thể là kim loại nếu một hoặc hai vùng được điền đầy một phần (từ 10 đến 90%). Tinh thể là bán kim hay bán dẫn (Bi – bán kim, Si – bán dẫn) nếu một hoặc hai vùng được điền đầy một phần rất nhỏ hay ngược lại điền gần hết ( 90%). Sự điền đầy của bán dẫn điện phụ thuộc vào một số điều kiện, đặc biệt nhiệt độ và pha tạp. Với một số điện tử nhất định trong chất rắn, chỉ có một số vùng năng lượng thấp nhất là bị lấp đầy. Tuỳ theo mức độ lấp đầy của vùng năng lượng mà có thể phân chia tất cả vật chất thành các nhóm: Nhóm thứ nhất bao gồm những vật mà trong đó trên những vùng năng lượng đã bị lấp đầy hoàn toàn là vùng năng lượng chỉ bị lấp đầy một phần. Vùng kiểu này xuất hiện trong các kim loại kiềm. Vùng bị lấp đầy một phần cũng có thể tạo ra sự phủ của vùng lấp đầy lên vùng bỏ trống hoặc vùng bị lấp đầy một phần, chẳng hạn như với các nguyên tố của kim loại kiềm thổ. Kim loại chính là những vật rắn có vùng năng lượng bị lấp đầy một phần. Nhóm thứ hai bao gồm các vật mà ở phía trên vùng bị lấp đầy hoàn toàn là vùng hoàn toàn trống. Điển hình là các nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn Mendeleev như C, Ge, Si. Thuộc nhóm này còn có nhiều hợp chất hoá học như các oxyt kim loại, natri, cadmi, halogen của các kim loại kiềm thổ. Theo thuyết vùng năng lượng, các điện tử ở vùng hoá trị đều có thể chuyển động tự do như nhau, không phân biệt là kim loại hay điện môi. Sự chuyển động này thực chất được thực hiện ngầm chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Mặc dù vậy tính chất dẫn điện của các vật thể, đặc biệt là điện trở suất rất khác nhau. Như thế thấy rằng sự có mặt của các điện tử tự do chỉ là điều kiện cần để xuất hiện sự dẫn điện của vật rắn, chứ chưa là điều kiện đủ. Để có thể giải thích các tính chất điện khác nhau của vật liệu, lý thuyết đưa ra sự khác biệt về chiều dày vùng cấm. Điều này được thể hiện bằng việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các nguyên tử cho thấy các kim loại được đặc trưng bởi sự vắng mặt của vùng cấm (ΔW=0). Tuỳ thuộc chiều rộng vùng cấm của vật rắn thuộc nhóm hai là điện môi hay bán dẫn. Các điện môi là các chất có chiều dày vùng cấm rộng tới mức ở nhiệt độ bình thường các điện tử hoá trị không thể di chuyển sang vùng dẫn được lớn hơn 3eV, đối với kim cương 5,2eV, với Al2O3 là 7 eV. Vì vậy trong điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện hoặc có điện dẫn không đáng kể. Các vật liệu bán dẫn là chất có chiều dày vùng cấm bé, nằm trong khoảng 0,2 đến 1,5 eV, với Ge 0,66eV, Si 1,08eV và AsGa 1,43eV. Một số điện tử hoá trị ngay ở nhiệt độ bình thường với sụ tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng dẫn để hình thành tính dẫn điện của vật liệu. Bình thường năng lượng của chuyển động nhiệt (3/2kT) chỉ vào khoảng 0.04 eV, tức là nhỏ hơn nhiều so với chiều dày vùng cấm của các điện môi nên không thể đưa điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn được. Thực tế khả năng các điện tử vẫn có khả năng chuyển sang vùng dẫn do sự phân bố năng lượng giữa các nguyên tử không giống nhau hoặc do sụ tương tác giữa các nguyên tử và giữa các điện tử. 14
Khi điện tử rời vùng hoá trị, tại đó sẽ hình thành một chỗ trống -"lỗ hổng". Lỗ hổng này được lấp đầy bằng một điện tử khác. Khi có tác dụng của điện trường bên ngoài sự chuyển động của các điện tử từ chỗ trống này sang chỗ trống khác ngược chiều của điện trường và có thể xem sự chuyển động của các "lỗ hổng" giống như sự chuyển động của các điện tích dương . Nếu các điện tử hoá trị điền đầy hoàn toàn một hay nhiều vùng năng lượng thì đó là điện môi. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, không có dòng điện vì một vùng đã bị điền đầy hoàn toàn bị ngăn cách với một vùng cao hơn bởi khe năng lượng (vùng cấm) nên không có cách nào thay đổi động lượng tổng của điện tử. Nếu các vùng năng lượng phủ lẫn nhau thì sẽ có một vùng hay nhiều vùng không điền đầy, tinh thể có tính kim loại. Các kim loại đất hiếm có 2 điện tử hoá trị cho mỗi ô cơ bản đúng ra chúng là điện môi nhưng do có sự phủ các vùng năng lượng nên chúng là kim loại. Do không có năng lượng của chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hóa trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 00K các điện tử hóa trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn (phần trên cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng ở hình 1-18). Hình 1-18. Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 00K. 1.2. Phân loại vật liệu 1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện. 15
Hình 1-19. Sơ đồ phân loại vật liệu theo khả năng dẫn điện 1.2.1.1. Điện môi Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài eV. 1.2.1.2. Bán dẫn Là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W =0,2  1,5eV ). Do đó, ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hóa trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. 1.2.1.3. Vật dẫn Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy ( W < 0,2eV). Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn. Ở nhiệt độ bình thường, các điện tử hóa trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. Chính vì vậy, vật dẫn có tính dẫn điện tốt. 1.2.2. Phân loại vật liệu theo từ tính Theo từ tính, người ta phân loại vật liệu thành nghịch từ, thuận từ và dẫn từ. 1.2.2.1. Nghịch từ Là những chất có độ từ thẩm  1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ ôxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. 16
1.2.2.3. Chất dẫn từ Là những chất có  >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng. Hợp kim crôm và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau. Trong các phần trình bày tiếp theo sẽ nghiên cứu những tính chất của vật liệu cách điện, bán dẫn, dẫn điện và vật liệu từ dùng trong kỹ thuật điện. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1. Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử. Phân biệt chất trung tính và cực tính? Câu 2. Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất? Câu 3. Cho biết sắt Feα có mạng tinh thể lập phương thể tâm, bán kính nguyên tử 1,24A0, sắt Feγ có mạng tinh thể lập phương diện tâm, bán kính nguyên tử 1,27A0 a. Tính hằng số tinh thể của mỗi mạng tinh thể nói trên? b. Tính mật độ khối của mỗi chất? Câu 4. Cho biết nhôm có tinh thể kiểu mạng lập phương diện tâm với hằng số tinh thể là a=4,04 A0 a. Tính mật độ khối của tinh thể nhôm? b. Tính mật độ nguyên tử của tinh thể nhôm? Câu 5. Vật liệu A có chiều rộng vùng cấm W nằm trong khoảng từ 1,7V thuộc loại nào sau: a. Chất dẫn điện b. Chất bán kim c. Chất bán dẫn d. Chất điện môi Câu 6. Chất bán dẫn là chất có chiều rộng vùng cấm thuộc khoảng nào sau: a. W từ 0 đến 0,2eV b. W từ 3 đến 7 eV c. W từ 0,2 đến 1,5 eV d. W từ 3 đến 5 eV Câu 7. Vật liệu có độ từ thẩm  1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài b. Là những chất có  >1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài c. Là những chất có 
Chương 2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 2.1. Khái niệm chung 2.1.1. Các quá trình vật lý trong VLDĐ và các tính chất của chúng 2.1.1.1. Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dưới tác động của điện trường. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi đó dưới tác dụng của lực điện trường sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của các điện tích có trong vật chất. Như vậy điều kiện cần thiết để có dòng điện ở bất kỳ vật chất nào chính là sự tồn tại các điện tích tự do. Nhưng tùy thuộc vào bản chất thiên nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tượng dẫn điện được quan sát có những sự khác biệt rất khác nhau. Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm: - Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là các điện tử. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử. - Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện tích dương hoặc âm của phân tử hay nguyên tử. Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn đến hiện tượng điện phân. - Tính dẫn điện điện di (thường thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là những nhóm điện tích của phân tử. Sự tồn tại của dòng điện trong vật chất dẫn đến hiện tượng điện chuyển. Chất dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động theo hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện. Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trường hợp đặc biệt có thể là cả ở thể khí. 2.1.1.2. Phân loại vật liệu dẫn điện a. Phân loại theo trạng thái - Các vật liệu ở thể rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cacbon (than kỹ thuật điện). Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao. Loại có điện dẫn cao được dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có công suất lớn… Kim loại, hợp kim có điện trở cao được dùng trong các dụng cụ nung bằng điện trở như đèn thắp sáng, biến trở… - Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng có thể kể thủy ngân Hg). b. Phân loại theo tính chất - Vật liệu dẫn điện loại 1: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tử tự do (kim loại rắn và lỏng). - Vật dẫn loại 2: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tích, gồm các ion và điện tử (dung dịch điện phân, axit, kiềm…). Tất cả các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, nếu cường độ điện trường ngoài thấp sẽ không dẫn điện nhưng nếu cường độ điện trường vượt quá một giới hạn nào đó 18