Khóa luận tốt nghiệp đại học: Lý thuyết vùng năng lượng và phân loại vật rắn theo vùng năng lượng

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận là tìm hiểu lý thuyết vùng năng lượng, vận dụng lý thuyết này để nghiên cứu cấu trúc vùng năng lượng, từ đó tìm hiểu và phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Lý thuyết vùng năng lượng và phân loại vật rắn theo vùng năng lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THỦY LÝ THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG VÀ PHÂN LOẠI VẬT RẮN THEO VÙNG NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học TS. PHẠM THỊ MINH HẠNH HÀ NỘI, 2017
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu một cách nghiêm túc, khẩn trương, cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình và giúp đỡ tận tình của Giảng viên - Tiến sĩ Phạm Thị Minh Hạnh đến nay khóa luận của tôi đã hoàn thành. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong tổ Vật lý lý thuyết, các thầy cô trong khoa Vật lý trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, đặc biệt là của Giảng viên - Tiến sĩ Phạm Thị Minh Hạnh - người đã trực tiếp hướng dẫn tôi. Bên cạnh đó tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các bạn sinh viên đã động viên tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thủy
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dựa trên cơ sở những kiến thức đã học về môn Vật lý chất rắn và tham khảo, nghiên cứu các tài liệu cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ của Giảng viên- Tiến sĩ Phạm Thị Minh Hạnh. Nó không trùng với kết quả nghiên cứu của bất kỳ tác giả nào khác. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thủy
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2 6. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 2 NỘI DUNG ....................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT RẮN................................. 3 1.1 Đối xứng tịnh tiến.[4].................................................................................3 1.2. Mạng Bravais.[3] ....................................................................................... 5 1.3. Ô đơn vị và ô cơ sở.[4] .............................................................................. 7 1.4. Các phép đối xứng của mạng tinh thể.[2] ............................................... 10 1.5. Phân loại các mạng Bravais.[1] ............................................................... 11 1.6. Hệ lập phương.[4] .................................................................................... 13 Kết luận chương 1 ........................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG VÀ PHÂN LOẠI VẬT RẮN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ....................................... 17 2.1. Nguyên lý hình thành vùng năng lượng. .................................................. 17 2.1.1 Vùng năng lượng- hệ quả của sự làm phủ sóng. .................................... 18 2.1.2 Vùng năng lượng - hệ quả của tuần hoàn tịnh tiến ................................ 21 2.2. Vùng năng lượng trong gần đúng điện tử gần tự do ................................ 25 2.2.1. Bài toán và cách giải thứ nhất ............................................................... 25 2.2.2. Bài toán và cách giải thứ hai. ................................................................ 31 2.2.3. Các nhận xét về sơ đồ vùng năng lượng ............................................... 36
2.3. Vùng năng lượng trong gần đúng điện tử liên kết chặt.[3] ..................... 42 2.3.1. Đặt vấn đề.............................................................................................. 42 2.3.2. Giải bài toán [4, tr170- tr174] .............................................................. 44 2.3.3. Phân tích kết quả ................................................................................... 44 2.4. Phân loại vật rắn theo vùng năng lượng................................................... 47 2.4.1. Điện môi ................................................................................................ 48 2.4.2. Chất bán dẫn .......................................................................................... 48 2.4.3. Kim loại. ................................................................................................ 50 Kết luận chương 2...........................................................................................50 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 52
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Minh họa một số cách chọn các cặp vectơ cơ sở thích hợp.............. 5 Hình 1.2 minh họa cấu trúc tinh thể = Mạng Bravais + Nền tinh thể ............... 6 Hình 1.3 Sự khác biệt giữa r và R ..................................................................... 7 Hình 1.4 Ví dụ về cách chọn ô cơ sở (vẽ cho một mạng 2 chiều) xuất phát từ các vectơ cơ sở của các hướng được chọn thích hợp. ....................................... 8 Hình 1.5 Minh họa cách dựng ô cơ sở Wigner - Seitz cho một mạng 2 chiều.Một cách đặc biệt để tạo ra ô cơ sở là cách làm của Wigner-Seitz:........ 9 Hình 1.6. Cách sắp xếp nguyên tử trong mạng BCC hình .............................. 14 Hình 1.7 Cách sắp xếp nguyên tử trong mạng FCC hình ............................... 15 Hình 2.1 Đồ thị 𝐸𝐤 của điện tử hoàn toàn tự do là một đường parabol đối xứng qua trục tung........................................................................................... 22 Hình 2.2 Sự biến dạng của đồ thị 𝐸(k) (tại biên của các vùng Brillouin) khi trong tinh thể điện tử không còn là hoàn toàn tự do. ...................................... 24 Hình 2.3 : Sơ đồ vùng năng lượng vẽ theo các biểu diễn . ............................. 38 Hình 2.4. Minh họa sự chồng lấn của các vùng năng lượng nếu xét .............. 40 theo các hướng khác nhau. .............................................................................. 40 Hình 2.5: Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng. ............................................................. 48
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay, ngành vật lí chất rắn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Vật lí chất rắn là một ngành khoa học hết sức rộng lớn và nó đã tạo ra những vật liệu cho các ngành kỹ thuật mũi nhọn như điện tử, du hành vũ trụ, năng lượng nguyên tử... Vật lý chất rắn là một lĩnh vực rộng lớn nhằm nghiên cứu để hiểu biết và sử dụng vật chất giúp nâng cao đời sống con người. Khi đi sâu vào tìm hiểu chất rắn thì lý thuyết chính là nền tảng cho các thực nghiệm ra đời trong đó có lý thuyết vùng năng lượng vì nó giúp ta giải thích được các tính chất của vật rắn có liên quan đến cấu trúc bên trong tinh thể. Đồng thời nghiên cứu lý thuyết vùng năng lượng là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của vật lí chất rắn (chuyển động của electron trong trường toàn hoàn của tinh thể, mô hình electron liên kết yếu, mô hình electron liên kết mạnh, tính chất của electron theo lý thuyết vùng năng lượng...). Nghiên cứu lý thuyết vùng năng lượng cho ta một bức tranh đầy đủ về vật rắn. Trong lịch sử của lý thuyết chất rắn thì sự hình thành lý thuyết vùng năng lượng trong tinh thể là một thành tựu to lớn của Vật lý lý thuyết. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Lý thuyết vùng năng lượng và phân loại vật rắn theo vùng năng lượng." 2. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết vùng năng lượng, vận dụng lý thuyết này để nghiên cứu cấu trúc vùng năng lượng, từ đó tìm hiểu và phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Cấu trúc tinh thể của vật rắn. - Lý thuyết vùng năng lượng . 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc tinh thể của vật rắn. - Nghiên cứu lý thuyết vùng năng lượng và cách phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng 5. Phương pháp nghiên cứu - Đọc và nghiên cứu tài liệu tham khảo. - Thống kê, lập luận, diễn giải. 6. Cấu trúc khóa luận Ngoài phần mở đầu và kết luận thì Khóa luận gồm 2 chương: CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT RẮN. CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG VÀ PHÂN LOẠI VẬT RẮN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG. 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT RẮN 1.1. Đối xứng tịnh tiến.[4] Phép tịnh tiến T(r) là một phép biến đổi mà sau đó mỗi điểm có tọa độ 𝐫1 bất kỳ nào đó đều được tịnh tiến đi một vectơ r để trở thành có tọa độ là 𝐫1 + 𝐫 tức là: 𝑇(𝐫): 𝐫1 −> 𝐫1 + 𝐫 , đối với mọi 𝐫1 Xét tinh thể lý tưởng, tức là tinh thể hoàn hảo (các nguyên tử sắp xếp hoàn toàn theo theo đúng trật tự) và vô tận. Một tinh thể như vậy sẽ được gọi là có đối xứng tịnh tiến đối với một phép tịnh tiến 𝑇(𝐫) nào đó nếu sau phép tịnh tiến này nó là bất biến, hay nói cụ thể hơn: mỗi nguyên tử của tinh thể dịch chuyển đến vị trí của nguyên tử cùng loại và toàn tinh thể (vô tận) chuyển sang một vị trí mới trùng khít với chính nó ở vị trí cũ. Dễ dàng thấy đối với một tinh thể thì đối xứng tịnh tiến chỉ có thể có mặt khi phép tịnh tiến không phải là tịnh tiến đi một vectơ r bất kì mà là tịnh tiến đi một vectơ r đáp ứng một số điều kiện nhất định. Vì tinh thể là gián đoạn nên bằng trực giác đã có thể thấy rằng nếu xét theo một hướng x nào đó của tinh thể thì trên hướng này nhất định sẽ phải có một vectơ ngắn nhất 𝐚𝑥 (gọi là vectơ tịnh tiến cơ sở hoặc vectơ cơ sở trên hướng x) mà tinh thể sẽ bất biến khi và chỉ khi ta tịnh tiến nó đi một đoạn bằng một số nguyên lần 𝐚𝑥 (về cả 2 phía), tức là tinh thể sẽ bất biến (đối xứng) khi và chỉ khi ta thực hiện phép tịnh tiến 𝑇(𝑛𝐚𝑥 ) với n là các số nguyên (dương hoặc âm, có thể bằng 0). Vì tọa độ của một điểm bất kỳ trong không gian 3 chiều được biểu diễn thông qua 3 tọa độ của nó trên 3 trục tọa độ chọn không cùng nằm trên một mặt phẳng, do dó đối với tinh thể 3 chiều có thể nói rằng khi đã chọn được 3 hướng x, y, z phù hợp với nhau (thích hợp) làm 3 trục tọa độ thì tất cả các 3
vectơ tịnh tiến R (tức là các vectơ mà khi thực hiện phép tịnh tiến T(R) thì tinh thể sẽ bất biến) của tinh thể có thể được biểu diễn bằng công thức: 𝐑. 𝑛𝑥 𝐚𝑥 . 𝑛𝑦 𝐚𝑦 . 𝑛𝑧 𝐚𝑧 (1.1) trong đó 𝑛𝑥 , 𝑛𝑦 , 𝑛𝑧 là các số nguyên (dương hoặc âm, có thể bằng 0) và các vectơ 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 là các vectơ cơ sở tương ứng trên các hướng x, y, z. Các hướng x, y, z cũng còn hay được viết dưới dạng: 𝐑 = 𝑛1 𝐚1 + 𝑛2 𝐚2 + 𝑛3 𝐚3 (1.1′ ) Vì sao ta nói rằng 3 hướng tọa độ x, y, z phải được chọn phù hợp với nhau thì khi đó thông qua các vectơ cơ sở 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 của chúng ta mới biểu diễn được tất cả các vectơ tịnh tiến của tinh thể theo công thức (1.1) mà không phải là có thể chọn 3 hướng bất kỳ không cùng nằm trên một mặt phẳng? Vấn đề là ở chỗ nếu chọn hướng tuy không cùng nằm trên một mặt phẳng nhưng không phù hợp với nhau thì công thức (1.1) sẽ không bao hàm được hết tất cả các vectơ tịnh tiến của tinh thể. hay nói cách khác, sẽ có một số vectơ tịnh tiến của tinh thể bị bỏ sót. Ví dụ đối với cấu trúc tinh thể 2 chiều như biểu diễn trên (hình 1.1) thì nếu chọn 2 hướng x, y không phù hợp với nhau như trong hai trường hợp bộ 2 vectơ cơ sở của chúng là 𝐚5𝑥 , 𝐚5𝑦 , ta sẽ có một loạt các điểm R bị bỏ sót, mà điển hình là các điểm đánh dấu *. 4
𝐚1𝑦 𝐚2𝑦 𝐚3𝑦 𝐚2𝑥 𝐚1𝑥 𝐚3𝑥 𝐚4𝑥 ∗ 𝐚5𝑦 𝐚5𝑥 𝐚4𝑦 Hình 1.1: Minh họa một số cách chọn các cặp vectơ cơ sở thích hợp (𝐚1𝑥 , 𝐚1𝑦 ; 𝐚2𝑥 , 𝐚2𝑦 ; 𝐚3𝑥 , 𝐚3𝑦 ; 𝐚4𝑥 , 𝐚4𝑦 ) và một cách chọn cặp vectơ cơ sở không thích hợp (𝐚5𝑥 , 𝐚5𝑦 ), vẽ cho một tinh thể 2 chiều. Nhưng mặt khác, cần chú ý rằng không phải chỉ có duy nhất một cách chọn 3 hướng tọa độ x, y, z để thông qua các vectơ cơ sở 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 của chúng biểu diễn được tất cả các vectơ tịnh tiến của tinh thể theo công thức (1.1) mà có thể có nhiều cách chọn khác nhau. Điều này cũng được minh họa trên (hình 1.1). Nguyên tắc chung để 3 hướng tọa độ x, y, z nào đó có thể coi là phù hợp với nhau là hình hộp không gian do 3 vectơ cơ sở 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 của chúng tạo ra là một ô cơ sở (1.1.3) 1.2. Mạng Bravais.[3] Tập hợp tất cả các điểm có bán kính vectơ R được xác định theo công thức (1.1) khi 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 là các vectơ cơ sở trên 3 hướng được chọn thích hợp tạo thành một mạng trong không gian gọi là mạng Bravais (cũng còn có tên khác là mạng không gian (space lattice). Mỗi một điểm trên đây được gọi là một nút của mạng Bravais. 5
Mạng Bravais chỉ mới biểu diễn được tính chất tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể, chỉ cần bằng trực giác vật lý đã có thể thấy rằng mạng Bravais không phải là mạng tinh thể thực. Mạng tinh thể thực phải được mô tả bằng cách chỉ ra mạng Bravais của nó đi kèm với chỉ ra nền tinh thể (nền là từ dịch nghĩa của tiếng anh basis hoặc motif), trong đó nên tinh thể là khái niệm để chỉ cấu hình nguyên tử (có bao nhiêu nguyên tử, các nguyên tử này thuộc những loại nào và vị trí tương đối của chúng đối với nhau ra sao) tương ứng với mỗi một nút mạng Bravais. Tức là: Cấu trúc tinh thể = Mạng Bravais + Nền tinh thể Điều này được minh họa bằng (hình 1.2). Đáng chú ý là về số nguyên tử của nền tinh thể ta có:  Các tinh thể đơn giản nhất: Nền tinh thể chỉ gồm một vài nguyên tử:  Một số tinh thể hữu cơ: Nền tinh thể gồm ~ 100 nguyên tử:  Các tinh thể abumin: Nền tinh thể gồm ~ 104 nguyên tử. Trong vật lý chất rắn mà chúng ta đang nghiên cứu ở đây (có xu hướng thiên về vật lý của các chất rắn vô cơ) nói chung người ta chủ yếu chỉ xét đến các tinh thể đơn giản nhất. = Nền Hình 1.2 minh họa cấu trúc tinh thể = Mạng Bravais + Nền tinh thể. Cả 3 loại tinh thể đều được cấu tạo từ cùng một mạng Bravais (mạng vuông hai chiều), nhưng trên nền khác nhau. 6
Với định nghĩa như trên về mạng Bravais, có các nhận xét sau đây: 1) Điều quan trọng nhất là mạng Bravais phải biểu diễn được tính chất tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể, do đó các nút mạng Bravais không nhất thiết phải trùng với các nút mạng tinh thể thực (có nguyên tử nằm ở đó). 2) Nếu tinh thể được cấu tạo nên từ nhiều loại nguyên tử, hoặc nói cách khác, nếu số nguyên tử của nền tinh thể là 2 hoặc lớn hơn, thì có thể coi là mỗi loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais của riêng mình (mạng con) và khi đó mạng tinh thể sẽ gồm nhiều mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau (chú ý là nếu các mạng không giống hệt nhau thì không thể lồng vào nhau được). Một tinh thể chỉ gồm một mạng Bravais có thể gọi là tinh thể đơn giản, trong khi một tinh thể gồm nhiều mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau thường được gọi là tinh thể phức tạp. Đáng chú ý là với cách xét coi mỗi loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais của riêng mình thì để tiện cho việc xét vấn đề người ta lại thường coi là các nguyên tử nằm ngay ở chính các nút của các mạng Bravais. Hình 1.3 Sự khác biệt giữa r và R R r r: Biểu thị một điểm bất kỳ trong không gian của tinh thể (kể cả các nút của mạng Bravais). R: Chỉ biểu thị các nút mạng Bravais 1.3. Ô đơn vị và ô cơ sở.[4] 7
Đối xứng tịnh tiến đã bao hàm ý là nếu lặp đi lặp lại một “ thể tích nào đó" thì sẽ cho ra toàn tinh thể. “Thể tích nào đó" này thường được gọi là ô đơn vị (unit cell). Ô đơn vị có thể tích nhỏ nhất được gọi là ô đơn vị cơ sở (hay còn gọi vắn tắt là ô cơ sở), nó cũng còn được gọi là ô đơn vị tối giản hoặc sơ đẳng (primitive unit cell). Có nhiều cách để kiến tạo ô cơ sở, trong đó cách phổ biến nhất là lấy luôn hình hộp không gian do 3 vectơ cơ sở 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 của 3 hướng x, y, z thích hợp tạo ra làm ô cơ sở. Có 2 điểm đáng chú ý ở đây: 1) Nếu 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 là các vectơ cơ sở của 3 hướng x, y, z không thích hợp thì hình hộp không gian do chúng tạo ra sẽ chỉ là một ô đơn vị chứ không phải là ô cơ sở. 2) Trong trường hợp 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 là các vectơ cơ sở của 3 hướng x, y, z thích hợp thì vì ở đây không phải chỉ có một cách chọn một bộ hướng x, y, z thích hợp duy nhất mà có nhiều cách chọn khác nhau, nên nếu dùng hình hộp không gian do 𝐚𝑥 , 𝐚𝑦 , 𝐚𝑧 tạo ra làm ô cơ sở thì với cách làm này ta sẽ có không phải một mà là nhiều loại ô cơ sở với các hình dạng khác nhau, nhưng chúng có một điểm chung là có cùng thể tích như nhau. Các thí dụ về điều này được đưa ra trên (hình 1.4). Hình 1.4 Ví dụ về cách chọn ô cơ sở (vẽ cho một mạng 2 chiều) xuất phát từ các vectơ cơ sở của các hướng được chọn thích hợp. 8
Hình 1.5 Minh họa cách dựng ô cơ sở Wigner - Seitz cho một mạng 2 chiều.Một cách đặc biệt để tạo ra ô cơ sở là cách làm của Wigner-Seitz: Lấy một nút trên mạng Bravais, vẽ các mặt phẳng vuông góc đi qua điểm giữa của các đoạn thẳng nối nút mạng trên đây với tất cả các nút mạng lân cận của nó, khi đó hình không gian nằm trong các mặt phẳng này là ô cơ sở (hình 1.5). Có thể nói một cách tổng quát là ô cơ sở Winger-Seitz là vùng không gian gần điểm đã chọn của mạng Bravais hơn bất cứ điểm nào khác của mạng. Có thể dùng ô Wigner-Seitz để đại diện cho mạng Bravais vì các lý do sau đây:  Một mặt, ô Wigner-Seitz cũng là một ô cơ sở, tức là nó là thể tích nhỏ nhất mà nếu lặp đi lặp lại sẽ cho ta toàn tinh thể.  Nhưng mặt khác, khác với các ô cơ sở được xây dựng từ các vectơ cơ sở, ô Wigner-Seitz có tính duy nhất, vì với cách xây dựng đã tiêu chuẩn hóa, chung cho mọi loại tinh thể như đã trình bày ở trên, đối với mỗi mạng Bravais ta chỉ xây dựng được một ô Wigner-Seitz.  Hơn nữa, cách xây dựng ô Wigner-Seitz cho thấy nó mang theo mình đầy đủ tất cả các tính chất đối xứng của mạng Bravais, trong khi các ô cơ sở khác nói chung không có tính chất này. Để kết luận, một lần nữa ta nhắc lại rằng các loại ô cơ sở khác nhau đều có một tính chất chung là có thể tích như nhau và cùng chứa số nguyên tử 9
bằng số nguyên tử của nền tinh thể. Đây là tính chất xuất phát ngay từ định nghĩa ô cơ sở. 1.4. Các phép đối xứng của mạng tinh thể.[2] Tất cả các tinh thể đều có một tính chất chung là tính chất tuần hoàn tịnh tiến, ngoài ra, tùy vào các trường hợp cụ thể, chúng còn có thể có (hoặc không có) các tính chất đối xứng khác nữa. Phép đối xứng của tinh thế được định nghĩa chung như sau: Nếu sau một phép biến đổi cứng rắn (không làm thay đổi khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ trong tinh thể) nào đó mà mạng tinh thể chuyển sang một vị trí mới hoàn toàn giống như vị trí cũ (chỉ có sự đổi chỗ của các nguyên tử cùng loại), thì phép biến đổi này được gọi là phép đối xứng của tinh thể. Các phép đối xứng chủ yếu của mạng tinh thể là các phép sau đây:  Tịnh tiến.  Quay quanh một trục.  Phản xạ gương (qua một mặt phẳng). và các tổ hợp khác nhau của chúng. Chú ý là có những trường hợp mà một phép biến đổi trên đây, nếu xét đơn lẻ thì không phải là một phép đối xứng, nhưng nếu xét một tổ hợp nhất định nào đó của chúng với nhau thì lại là một phép đối xứng. Một tập hợp của các biến đổi đối xứng đi kèm thêm với hai định nghĩa: định nghĩa tích của hai yếu tố và định nghĩa yếu tố nghịch đảo, sẽ lập thành một nhóm. Các thí dụ về nhóm tinh thể là:  Nhóm tịnh tiến: T(R).  Nhóm quay quanh một trục bậc n (góc quay là bội của 2𝜋/𝑛, với n=1,2,3,4,6): 𝐶𝑛 .  Nhóm quay - nghịch đảo: 𝑆𝑛 .  Nhóm quay - phản xạ gương: 𝐶𝑛𝑣 , 𝐶𝑛ℎ . 10
 Nhóm quay quanh hai trục, một trục bậc 𝑛 và một trục bậc 2 vuông góc với trục bậc 𝑛: 𝐷𝑛 Đáng chú ý là tất cả các biến đổi thuộc nhiều nhóm đối xứng của tinh thể, thí dụ 𝐶𝑛 , 𝐶𝑛𝑣 , 𝐶𝑛ℎ , 𝑆𝑛 , 𝐷𝑛 , … đều giữ cố định một điểm nào đó của tinh thể. Các nhóm có tính chất như vậy được gọi là các nhóm điểm. Tập hợp tất cả các phép đối xứng khác nhau của tinh thể lập thành một nhóm gọi là nhóm không gian của tinh thể. Có tất cả 230 nhóm không gian, tức là có 230 loại tinh thể có các tính chất đối xứng không gian khác nhau. 1.5. Phân loại các mạng Bravais.[1] Dựa trên các tính chất đối xứng (bất biến) đối với nhóm tịnh tiến, các mạng Bravais được phân ra làm 14 loại. Ngoài tính đối xứng đối với nhóm tịnh tiến, mỗi mạng Bravais còn có tính đối xứng đối với một nhóm điểm nào đó. Các mạng có cùng một nhóm điểm tạo thành một hệ. Căn cứ vào tính đối xứng đối với các nhóm điểm khác nhau 14 mạng Bravais được chia làm 7 hệ Đáng chú ý là các hệ tinh thể được phân loại theo ôn đơn vị chứ không phải theo ô cơ sở. Điều này là dễ hiểu vì ô cơ sở chỉ cho thấy đối xứng tịnh tiến, trong khi hệ tinh thể là phân loại tinh thể theo đối xứng đối với nhóm điểm. 7 hệ tinh thể và 14 mạng Bravais Để dễ nhớ sự phân loại các mạng Bravais thành 7 hệ có thể nhớ rằng các hệ tinh thể khác nhau chẳng qua chỉ là các biến dạng của mạng lập phương (có tính đối xứng cao nhất) thành các mạng có tính đối xứng thấp dần. 1) Hệ lập phương (cubic) 𝑎=𝑏=𝑐 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90°. có 3 mạng: đơn, tâm khối (cũng còn gọi là tâm thể) và tâm mặt (cũng còn gọi là tâm diện). 11
2) Hệ tứ giác (tetragonal - bốn phương) So với hệ lập phương: kéo dài hoặc thu ngắn một cạnh c, giữ nguyên các góc vuông. Có 2 mạng: đơn và tâm khối. 𝑎=𝑏≠𝑐 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90° 3) Hệ trực giao (orthorhombic) (cũng còn gọi là hệ vuông góc hay trực thoi) So với hệ lập phương: kéo dài hoặc thu ngắn cả hai cạnh b và c, giữ nguyên các góc vuông. Có 4 mạng: đơn, tâm khối, tâm đáy và tâm mặt. 𝑎≠𝑏≠𝑐 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90° 4) Hệ hình thoi( rhombohedral) So với hệ lập phương: giữ nguyên các cạnh, chỉ thay đổi các góc bằng cách kéo hình lập phương theo một đường chéo không gian, được một hình thoi khối. Chỉ có một mạng đơn. 𝑎≠𝑏≠𝑐 𝛼, 𝛽, 𝛾 ≠ 90° 5) Hệ một nghiêng (monilinic) (cũng còn gọi là hệ đơn tà) So với hệ lập phương: ngoài thay đổi các cạnh thêm thay đổi một góc, do đó đấy trở nên hình bình hành. Có 2 mạng: đơn và tâm khối. 𝑎≠𝑏≠𝑐 𝛼 ≠ 90°, 𝛽 = 𝛾 = 90° 6) Hệ ba nghiêng (monoclinic) (cũng còn gọi là hệ tam tà) So với hệ lập phương: tất cả các cạnh, các góc đều thay đổi. Hệ có tính đối xứng kém nhất. Chỉ có một mạng đơn. 𝑎≠𝑏≠𝑐 𝛼, 𝛽, 𝛾 ≠ 90° 12
7) Hệ lục giác (hexagonal) Là hệ duy nhất không có liên quan với hệ lập phương. Chỉ có một mạng đơn. 1.6. Hệ lập phương.[4] Hệ lập phương bao gồm các mạng Bravais sau đây:  Hệ lập phương đơn (simple cubic hoặc primitive cubic, viết tắt là PC);  Lập phương tâm khối hay còn gọi là tâm thể (body-centered cubic, viết tắt là BCC);  Lập phương tâm mặt hay còn gọi là tâm diện (face-centered cubic, viết tắt là FCC); Đây là một hệ hết sức quan trọng, nhất là các mạng FCC và BCC, vì rất nhiều chất rắn kết tinh dưới dạng các mạng này, do đó sau đây ta sẽ xét hệ này cụ thể hơn một chút. 1. Cấu trúc lập phương đơn (PC) Cách thường làm nhất để chọn các vectơ cơ sở cho mạng PC là chọn luôn các cạnh của hình lập phương: 𝐚1 = 𝑎𝐢; 𝐚2 = 𝑎𝐣; 𝐚3 = 𝑎𝐤 (trong công thức này và các công thức sau đây, i, j, k là các vectơ đơn vị trực giao nhau song song với các cạnh của hình lập phương). Ô cơ sở Wigner-Seitz của mạng PC cũng là một hình lập phương. 2. Cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) Một cách chọn vectơ cơ sở là chọn hai cạnh của hình lập phương và một nửa đường chéo không gian của hình lập phương. 𝐚1 = 𝑎𝐢 𝐚2 = 𝑎𝐣 𝐚3 = 𝑎(𝐢 + 𝐣 + 𝐤)/2 13
Một cách chọn khác là: nối một đỉnh của hình lập phương với ba tâm của ba hình lập phương khác liền kề với nó, lấy các đoạn thẳng này làm vectơ cơ sở. Khi đó một cách chọn ô cơ sở là chọn hình khối được tạo nên bởi 3 vectơ cơ sở này. 𝐚1 = 𝑎(𝐢 + 𝐣 − 𝐤)/2 𝐚2 = 𝑎(𝐣 + 𝐤 − 𝐢)/2 𝐚3 = 𝑎(𝐤 + 𝐢 − 𝐣)/2 (a) (b) (c) Hình 1.6. Cách sắp xếp nguyên tử trong mạng BCC hình (a); Một cách chọn ô cơ sở cho mạng BCC hình (b); Ô cơ sở Wigner - Seitz của mạng BCC hình (c). Ô cơ sở Wigner-Seitz của mạng BCC là một hình khối 14 mặt, trong đó 8 mặt là hình lục giác đều và 6 mặt là hình vuông, với các hình lục giác đều to hơn hẳn các hình vuông, và như vậy hình khối 14 mặt này có thể coi là hình khối 8 mặt bị cắt ở các góc. 3. Cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) 14