Vật liệu đại cương

Chia sẻ: Nguyen Huu Toan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong tất cả các chất den in, ban den van trong Nihau vật lieu in moa, chi ten tic so den in bang in to van độ den in này phụ thuộc vào số lượng các in to có khả năng tham gia den điện.Tuy nhiên không phải mọi in to trong nguyên to đều được gia tốc khi có mặt in trường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu đại cương

Câu 1: Trình bày cấu trúc vùng năng lượng trong vật rắn? Trả lời: Trong tất cả các chất den in, ban den van trong Nihau v ật lieu in moa, chi ten tic so den in bang in to van độ den in này phụ thuộc vào số lượng các in to có khả năng tham gia den điện.Tuy nhiên không phải mọi in to trong nguyên to đều được gia tốc khi có mặt in trường.Trong một loại vật lieu đã cho s ố in to có kh ả năng den in liên quan với so sắp xếp các trạng thái in to van còn v ới cách th ức mà in to chiếm lĩnh trong các trạng thái đó.Trong riêng mỗi nguyên to ten tic các mức NL gián đoạn. Các nguyên to sắp xếp thành các tầng van các lớp được chi bởi các chữ s,p,d van f. Trong mỗi lớp lại có tương ứng 2l + 1=1,3,5 van 7 quỹ đạo khác nhau. Trong số các nguyên to, in to chiếm lĩnh các tr ạng thái có NL thấp nhất, cứ hai in to có spin đối song chi ếm một qu ỹ đ ạo phù h ợp v ới nguyên lý loại trừ Pauli .Cấu hình in to của một nguyên to cô l ập bi ểu th ị s ắp x ếp in to vào các trạng thái cho phép. Một chất có thể xem như cấu tạo bởi một s ố lớn,giả sử là N nguyên to được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong một mạng tinh thể. Ở khoảng cách tương đối xa, mỗi ntu là độc l ập v ới các nguyên to khác van có các mức NL trong ntu van cấu hình in to giống nh ư ntu đứng cô lập. Khi các ntu càng xích lại gần nhau thì các in to càng b ị kích thích b ởi các in to van các hạt nhân của các ntu lân cận ,làm cho mỗi một trạng thái in to trong ntu riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng thái in to n ằm sát nhau, hình thành nên một vùng NL điện tử. Sự giãn từ một mức năng lượng điện tử trong ntu thành một vùng NL trong vật rắn phụ thuộc vào khoảng cách gi ữa các ntu và nó bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của ntu tuy nhiên khoảng cách gi ữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ. Giữa các vùng kề nhau có th ể tồn tại những khe NL hay vùng cấm. Số các trạng thái NL điện tử trong mỗi vùng bằng tổng tất cả những tranngj thái do N ntu đóng góp. Mỗi một trạng thái NL có th ể ch ứa đ ược hai điện tử có spin đối song. Khi xếp tất cả điện tử vào các m ức NL s ẽ xu ất hiện những vùng còn trống và có thể xuất hiện những vùng bị lấp đầy một phần. Các tính chất điện của vật liệu rắn ph ụ thuộc vào c ấu trúc vùng NL đi ện tử của nó, vùng chứa các điện tử có NL cao nhất được gọi là vùng hóa tr ị , vùng dẫn là vùng có mức NL cao hơn kề trên đó. Ở 0K có thể có bốn kiểu cấu trúc vùng khác nhau. Ở loại thứ nhất, vùng hóa trị ch ỉ bị lấp đ ầy m ột ph ần. NL ứng với mức cao nhất đó bị chiếm ở 0K được gọi là NL Fermi E F. Ở loại cấu trúc vùng thứ hai vùng háo trị bị lấp đầy và còn phủ lên cả vùng dẫn; vùng này nếu không bị phủ thì hoàn toàn còn trống. Hai cấu trúc vùng cuối cùng tương tự nhau ,ở mỗi cấu trúc tất cả các trạng thái trong vùng hóa trị đều bị điện tử chiếm hết. Tuy nhiên ở đây không có sự dính ph ủ với vùng d ẫn còn tr ống; đi ều này tạo ra một khe NL xen ở giữa. Sự khác nhau giữa hai c ấu trúc vùng là ở đ ộ lớn của khe NL. Đối với vật liệu cách điện khe vùng tương đói rộng còn ttrong các bán dẫn thi lại hẹp. NL Fermi đối với hai cấu trúc vùng n ằm ở g ần chính giữa khe. Câu 2: Dựa vào khái niệm độ linh động của điện tử và cấu trúc vùng NL hãy nêu đặc điển của điện trở kim loại, điện trở của bán dẫn tinh khiết?
Trả lời: Câu 3: Nêu và giải thích tính chất dẫn điện của bán dẫn tạp chất loại p? Trả lời: Xét bán dẫn nguyên tố silic. Một ntu Si có 4 điện tử vòng ngoài m ỗi đi ện t ử này liên kết đồng hóa trị với 4 ntu Si lân cận. Giả sử 1 ntu tạp ch ất có hóa tr ị 3 đ ược thay thế vào (ntu nhóm III A:Al,B,Ga). Ta lấy bo. Một trong các m ối liên k ết đồng hóa trị xung quanh mỗi ntu này sẽ bị thiếu một điện tử. Ch ỗ thiếu đó có thể xem như là một lỗ trống liên kết yếu với ntu t ạp ch ất. Có th ể gi ải phóng l ỗ trống này khỏi ntu tạp chất bằng cách là điện tử và lỗ trống đổi chỗ cho nhau. Một lỗ trống chuyển động được coi như là ở trạng thaiskichs thích.V ậy trong trường hợp này tạp chất bo làm cho lỗ trống trong tinh thể tăng lên rất nhi ều; chỉ cần một số ntu tạp chất bằng một phần triệu số ntu bán dẫn tinh khi ết cũng làm cho số lỗ trống tăng lên hàng vạn lần,do đó độ dẫn đi ện c ủa bán d ẫn có t ạp chất lớn hơn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết hàng vạn lần. Mỗi 1 ntu t ạp chất đưa vào khe cấm một mức NL nằm sát phía trên đỉnh của vùng hóa tr ị. M ỗi lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hóa trị khi kích thích nhiệt độ 1 điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên trạng thái điện tử tạp chất. Với 1 chuyển dời như thế chỉ có một hạt tải được sinh ra trong vùng hóa trị mà không có đi ện t ử t ự do nào được tạo ra hoặc ở mức tạp chất hoặc ở vùng dẫn. Tạp chất này được gọi là acxeptơ, bởi vì nó có khả năng nhận điện tử từ vùng hóa trị và để l ại đó 1 l ỗ trống. Đối với bán dẫn tạp chất loại này, lỗ trống có mắt với nồng đ ộ cao h ơn nhiều so với điện tử (p>>n) và trong trường hợp đó vật liệu được gọi là ch ất bán dẫn loại p bởi vì tính dẫn điện chủ yếu do các đi ện tích d ương đ ảm nhi ệm. Lỗ trống được gọi là hạt tải đa số, điện tử là hạt tải thiểu số. Câu 4: Nêu và giải thích tính chất dẫn điện của bán dẫn tạp chất loại n? Trả lời: Xét bán dẫn nguyên tố Si. Một ntu Si có 4 điện tử vòng ngoài mỗi đi ện t ử này liên kết đồng hóa trị với 4 ntu Si lân cận. Gi ả s ử 1 ntu t ạp ch ất này có th ể tham gia vào liên kết. Một điện tử thừa ra ch ỉ đính một cách lỏng l ẻo xung quanh ntu tạp chất bởi lực hút tĩnh điện yếu, NL liên kết của điện tử này tương đối nh ỏ (0,01 eV) dễ bị tách khỏi ntu tạp chất khi đó nó trở thành điện tử tự do. Như vậy trong trường hợp này làm cho số điện tử tự do trong bán d ẫn tăng lên r ất nhi ều. Và chỉ cần một số ntu tạp chất bằng một phần triệu số ntu bán dẫn tinh khiết cũng làm cho số điện tử tăng lên hàng vạn lần. Mỗi 1 điện tử gắn lỏng lẻo đó chiếm một mức NL đơn nằm trong khe cấm và ngay dưới đáy vùng d ẫn. Đ ể kích thích điện tử nhảy từ một trong các trạng thaistapj ch ất này lên 1 m ức trong vùng dẫn đòi hỏi 1 NL tương ứng vơi NL liên kết điện tử. Cứ mỗi lần kích thích sẽ cấp 1 điện tử đơn vào vùng dẫn. Tạp chất này được gọi là đôn ơ. B ởi vì m ỗi điện tử đônơ được kích thích từ một mức tạp chất nên không tạo ra lỗ trống tương ứng ở trong vùng hóa trị.do đó trong bán dẫn có tạp ch ất mật độ đi ện t ử rất lớn so với mật độ lỗ trống (n>>p). Vì lẽ đó bán d ẫn có t ạp ch ất đ ược g ọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại n. Trong bán dẫn loại n các điện tử là những hạt tải đa số, còn lỗ trống là những hạt tải thiểu số.
Câu 5: Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. Từ đó giải thích tính d ẫn nhi ệt của kim loại, gốm, polyme? Trả lời: Cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu: Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền bởi cả sóng dao động mạng và điện tử tự do. Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của hai thành ph ần theo hai c ơ ch ế đó.K = kl+ke trong đó kl,ke độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử, thông thường thì một trong hai thành phần đó chiếm ưu thế. NL nhi ệt các phonon, t ức là các sóng mạng được truyền đi theo hướng chuy ển động của chúng. Thành phần kl gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng nhi ệt đ ộ cao t ới vùng nhiệt độ thấp trong vật thể. Các điện tử tự do cũng tham gia d ẫn nhi ệt. Ở vùng nóng của vật liệu điện tử tự do có động năng lớn hơn. Chúng di chuy ển đến những vùng lạnh hơn, và một phần động năng này được chuyển bù thêm cho các ntu như là kết quả của các va chạm với phonon hay là với các khuy ết tật mạng. Phần đóng góp tương dối của ke tăng theo nồng độ điện tử tự do vì có nhiều điện tử hơn tham gia vào quá trình dẫn nhiệt. Giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại: Trong KL với độ sạch cao, cơ chế điện tử vận chuyển nhiệt có ưu thế hơn phần đống góp của phonon vì điện tử không dễ bị tán xạ như phonon và có tốc độ l ớn hơn. KL là chất dẫn nhiệt hết sức tốt do có số lượng khá lớn điện tử tự do tham gia dẫn nhiệt. Vì điện tử tự do chịu trách nhiệm cả dẫn nhi ệt và d ẫn đi ện trong KL tinh khiết, tính toán lý thuyết cho thấy hai độ d ẫn đó có m ối liên h ệ phù h ợp với định luật Wiedemann Franz: L=k/σT Trong đó: σ - độ dẫn điện T – nhiệt độ tuyệt đối L – hăng số. Giá trị lý thuyết của L = 2,44.10 -8 Ω.W/(K2), không phụ thuộc nhiệt độ và như nhau đối với tất cả mọi KL nếu NL nhiệt được vận chuyển hoàn toàn bằng điện tử tự do. Tạp chất trong KL làm giảm độ dẫn nhiệt, vì các ntu tạp chất , đặc biệt là trong dung dịch rắn, hoạt động nh ư nh ững tâm tán xạ, hạ thấp hiệu quả của chuyển động diện tử. Giải thích tính dẫn nhiệt của gốm: Các vật liệu phi KL đều là những chất cách điện vì chúng không có nhi ều đi ện tử tự do. Như vậy, phonon chịu trách nhiệm chủ yếu trong dẫn nhi ệt: k e rất nhỏ so với kl. Phonon vận chuyển NL nhiệt không có hiệu quả nh ư điện tử t ự do, do phonon bị tán xạ rất mạnh bởi khuyết tật mạng. Tán xạ của các dao đ ộng nhi ệt trở nên nổi bật hơn khi nhiệt độ tăng, Do vậy, độ dẫn nhiệt của đa số các vật liệu gốm bình thường đều giảm dần khi nhiệt độ tăng, ít nh ất là ở nhi ệt đ ộ tương đối thấp. Lỗ xốp trong vật liệu gốm có th ể gây ảnh hưởng m ạnh đén đ ộ dẫn nhiệt; trong đa số trường hợp, sự tăng th ể tích lỗ xốp làm gi ảm đ ộ d ẫn nhiệt. Các lỗ xốp bên trong còn chứa không khí, khí này có đ ộ d ẫn nhi ệt c ực kỳ thấp khoảng 0,02W/mK. Giải thích tính dẫn nhiệt của polyme:
Độ dẫn nhiệt của đa số các polyme vào cỡ 0,3W/mK. Đối với lo ại vật li ệu này, NL truyền theo dao động, tịnh tiến và quay của các phân tử mạch. Độ lớn của độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào mức độ kết tinh: polyme có c ấu trúc tinh th ể và tr ật tự cao sẽ có độ dẫn nhiệt lớn hơn so với vật liệu vô định hình t ương đ ương. Đó là do dao động hiệu dụng hơn của các mạch phân tử ở ttranhj thái tinh th ể. Polyme thường được ứng dụng làm chất cách nhiệt nhờ có độ dẫn nhiệt th ấp. Tính cách nhiệt của chúng cũng như gốm, có thể được nâng cao hơn bằng cách dưa vào những lỗ xốp nhỏ, thường được tạo ra bằng cách khuấy bọt trong khi polyme hóa. Câu 6: Thế nào là chất thuận từ, nghịch từ, s ắt từ, ph ản s ắt t ừ, feri t ừ. Nêu đặc điểm của chúng? Trả lời: a) Chất thuận từ van đặc điểm. Chất thuận từ là vật liệu không từ tính, bởi vì nó chi bị t ừ hoá khi có m ột t ừ trường ngoài Trong nhiều vật, mỗi nguyên tử có một momen lưỡng cực vĩnh cửu do kết quả triệt tiêu lẫn nhau không hoàn toàn của các momen t ừ spin và các momen t ừ qu ỹ đạo. Khi không có từ trường ngoài, các momen từ nguyên tử này định hướng hỗn loạn, do đó vật liệu sẽ không có vectơ từ hoá vĩ mô riêng. Khi có t ừ tr ường ngoài các lưỡng cực nguyên tử nguyên tử này quay tự do và tính thuận từ ch ỉ th ể hiện khi có sự quay này tạo ra một định hướng ưu tiên nào đó. K ết qu ả làm tăng từ trường ngoài , gây ra độ từ thẩm tương đối lớn µ r lớn hơn 1 và do đó độ từ hoá tương đối nhỏ nhưng dương. b) Chất nghịch từ và đặc điểm. Câu 7: Hãy nêu nguồn gốc momen từ của vật liệu. Nêu đặc điểm của v ật liệu từ cứng? Câu 8: Thế nào là vật liệu từ mềm, nêu tính chất, đặc điểm của v ật li ệu từ mềm? Câu 9: Giải thích đường cong từ trễ thông qua khái niệm domen từ. So sánh sự giống nhau và khác nhau giữa vật liệu từ cứng và v ật li ệu t ừ mềm? Câu 10: Nêu đặc điểm của siêu dẫn, ứng dụng của siêu dẫn? Câu 11: Laser là gì, ứng dụng của Laser. Nêu sơ bộ cấu tạo máy phát Laser Câu 12: Nêu tính chất quang học của vật liệu phi kim lo ại. Trình bày c ơ chế phát quang của vật lieu? Câu 13: Nêu tính chất quang học của kim loại, giải thích Câu 14 : Tương tác ánh sáng với vật rắn? Câu 15 : Tương tác nguyên tử và điện