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

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 9 Tính chất điện và từ của vật liệu, gồm các nội dung chính sau tính dẫn điện; hiện tượng siêu dẫn; polymer dẫn điện; điện môi; từ trường và độ từ hóa;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 9 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 9TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ CỦA VẬT LIỆU PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 TỪ KHÓA• Electrical Resistivity• Conductor• Semiconductor• Insulator• Fermi Level• Conduction Band• Valence Band PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 VIẾT TẮT• NT: Nguyên tử• PT: Phân tử• NL: Năng lượng• LK: Liên kết• PLK: Phản liên kết PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1. TÍNH DẪN ĐIỆN Dòng điện?Dòng điện: dòng điện tích chuyển động có hướng hay dòng khuếch tán điện tích có hướng do chênh lệch điện thếCó thể tạo dòng trong VL: các e (KL, bán dẫn n), ion (ceramic, polymer), lỗ trống (bán dẫn p), e và lỗ trống (bán dẫn n – p) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 Độ dẫn điện?Định luật Ohm: U= RIĐiện trở suất: = RS/l= US/lIĐộ dẫn điện: = 1/Dạng khác của định luật Ohm: J= E, trong đó: J= I/S – mật độ dòng điện E= U/l – cường độ điện trườngPhân loại VL rắn theo khả năng dẫn điện: 1) Dẫn điện:  > 105 (m)-1 2) Bán dẫn: 10-6 <  < 105 (m)-1 3) Cách điện (điện môi): 10-20 <  < 10-6 (m)-1 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6 1.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠITrong VLKL: khi có tác dụng điện trường E→ các e chuyển động có hướng → tạo dòng điệnDòng e luôn va chạm các NT ở nút MTT → cản trở chuyển động của dòng e: coi như điện trởTăng T → dao động các NT ở nút mạng tăng + mức chuyển động hỗn độn của e tăng → điện trở tăng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 71.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠI Khi T đủ lớn, điện trở suất T của KL và HK tăng tuyến tính theo T: T= 0 + aT 0, a: hằng số với mỗi KL PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 91.1. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC MTT KIM LOẠITính dẫn điện cũng giảm do sai lệch trong cấu trúc (biên hạt, tạp chất, lệch mạng)Nguyên tắc cộng tính: = T + I + D T , I , D : điện trở suất do dao động nhiệt, tạp chất, biến dạng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10Độ dẫn điện của VL cấu trúc hạt ở mức nano Không tuân theo ĐL Ohm: quan hệ U, I là phi tuyến Do biên hạt có kích thước đáng kể so với hạt: tạo trường không liên tục Giữa các hạt nano hình thành khoảng không gian trống, dù rất nhỏ, có thể coi như môi trường giữa các bản tụ điện, cản trở dòng e chuyển động PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 111.2. GIẢI THÍCH TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRONKhi các NT sít lại gần nhau tạo liên kết, các mức năng lượng của chúng bị phân thành các vùng NL của PT liên kết (vùng hóa trị) và phản LK (vùng dẫn), giữa chúng là vùng không có e nào có mức năng lượng tương ứng (vùng cấm) 12 1.2. GT TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRON Các e có NL ở mức hóa trị: tham gia LK bền vững, không dịch chuyển trong điện trường → không tạo dòng điện Các e ở vùng dẫn: không tham gia LK, chuyển động tự do → khi chịu tác dụng điện trường: chuyển động tạo dòng điện Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn: khoảng cách Eg (không có e có mức NL tương ứng). Eg như hàng rào NL tối thiểu, cần để kích thích e từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo dòng điện PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13 1.2. GT TÍNH DẪN ĐIỆN THEO CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG ELECTRON Tính dẫn điện của VL sẽ do chiều rộng NL vùng cấm Eg quyết định Khi mức NL cao nhất bị e chiếm trùng với đỉnh của một vùng NL: các e không thể nhận thêm điện năng do điện trường ngoài → không thể hiện được tính dẫn điện: chất cách điện (chất điện môi) Mức NL cao nhất có thể bị chiếm: năng lượng Fermi (EF) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14 Chất dẫnThường là KL, có vùng dẫn và vùng hóa trị lấp một phần hoặc chồng lấp lên nhau (không có vùng cấm Eg). Bình thường luôn có các e ở vùng dẫn hoặc chỉ cần một NL rất nhỏ để đưa e lên các trạng thái trống 15 Chất cách điệnCó vùng cấm rộng (Eg> 3eV)Khi kích thích (điện áp, T) đủ lớn: một số e có thể bị kích thích từ vùng hóa trị qua vùng cấm lên vùng dẫnKhi điện áp kích thích lớn đến mức chất cách điện thành chất dẫn điện: “điện áp đánh thủng” PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16 Bán dẫn Có vùng cấm hẹp (Eg< 3eV), các e có khả năng chuyển từ vùng hóa trị qua vùng cấm lên vùng dẫn tham gia dẫn điện khi bị kích thích (điện, nhiệt) chỉ ở mức bình thường PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17 1.3. HẠT MANG ĐIỆN TÍCH ...