markdown:
This action might not be possible to undo. Are you sure you want to continue?
**CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
**
Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) và tương tác giữa các
phần tử cấu thành (lực liên kết giữa các phân tử, nguyên tử), vật chất có thể tồn tại ở
trạng thái rắn, lỏng, hoặc khí (hơi). Tính chất của vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào
các cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng. Trong chương này
các khái niệm cơ bản sẽ được đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết và cấu trúc
tinh thể, không tinh thể (vô định hình) của vật rắn.
**1.1 CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
**
Trong mục này sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử và các
dạng liên kết giữa chúng, những yếu tố đóng vai trò quan trọng đối với cấu trúc và tính
chất của vật rắn và vật liệu.
1.1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử
(electron) mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ những
proton và nowtron. Hạt nowtron không mang điện còn hạt proton mang điện dương, có
điện tích bằng điện tích cảu nguyên tử. Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện vì
số lượng proton bằng số lượng điện tử. Số đó được đặc trưng bằng số thứ tự nguyên tử (Z)
trong bảng tuần hoàn Menđeleev. Vì khối lượng của proton và nơtron lớn hơn rất nhiều so
với điện tử (khoảng 1830 lần) cho nên khối lượng nguyên tử được xác định bằng khối
lượng hạt nhân của nó. Với cùng khối lượng điện tử và proton, hạt nhân có thể chứa số
lượng nơtron khác nhau và tạo thành những đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học.
Theo cơ học lượng tử, xác suất tìm thấy điện tử trên một quỹ đạo nào đó xung
quang hạt nhân được xác định bằng bốn tham số, gọi là số lượng tử. Nói một cách khác,
trạng thái năng lượng của mỗi điện tử trong nguyên tử được xác định bằng bốn số lượng tử
sau đây:
Số lượng tử chính n: có các giá trị bằng 1, 2, 3, 4, …, xác định năng lượng cho phép
của điện tử. Những điện tử có cùng số n hợp thành một lớp điện tử. Ký hiệu các lớp điện
tử lần lượt là K, L, M, N,…tương ứng với n = 1, 2, 3, 4…
Số lượng tử phương vị l: xác định các giá trị cho phép của mômen xung lượng quỹ
đạo, có trị số bằng 0, 1, 2,…(n-1). Các điện tử với l khác nhau của cùng lớp tạo thành
những phân lớp tương ứng, ký hiệu lần lượt là s, p, d, f, … ứng với l = 0, 1, 2 ,3 , … Số
lượng tử từ
: xác định khả năng định hướng cho phép của vectơ mômen xung lượng
quỹ đạo đối với chiều của từ trường bên ngoài, có trị số bằng 0,
[1]
1,
2, … l;
Số
lượng tử spin
: xác định khả năng định hướng ngược chiều nhau cảu vectơ mômen xung
**lượng spin của điện tử,
**
Ngoài ra, sự phân bố điện tử theo các mức trạng thái (khả năng có mặt tại một phân
lớp nào đó với một trạng thái năng lượng xác định) còn tuân theo nguyên lý pauli: mỗi
trạng thái với ba số lượng tử n, l,
xác định chỉ có thể chứa hai điện tử với spin ngược
chiều nhau. Dựa vào nguyên lý này, có thể dự đoán số điện tử cho phép trên các bậc năng
lượng (ứng với các lớp và phân lớp) khác nhau (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Số lượng điện tử (số trạng thái năng lượng) trên một số lớp và phân lớp
Ký hiệu Số lượng Số lượng điện tử có thể
Số lượng Ký
hiệu
phân lớp trạng thái
Trên phân
tử chính
lớp điện tử
Trên lớp
điện tử
có thể
lớp
1
K
s
1
2
2
s
1
2
2
L
8
p
3
6
s
1
2
3
M
p
3
6
18
d
5
10
s
1
2
p
3
6
4
N
32
d
5
10
f
7
14
Ví dụ. nguyên tử đồng (Cu) với số thứ thự nguyên tử Z
như sau:
1
K
2
3
L
3
, có phân phối điện tử
4
M
N
**Trong sơ đồ phân bố điện tử này (còn gọi là cấu hình điện tử) đã chỉ rõ: số lượng
**
tử chính (các số nguyên 1, 2, 3…), ký hiệu phân lớp (các chữ s, p, d), số điện tử thuộc
phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp) và ký hiệu lớp điện tử (hàng chữ hoa K, L, M, N
phía dưới). Cần lưu ý thêm rằng, ở một điều kiện xác định, điện tử có thể chuyển tử trạng
thái này sang trạng thái khác (thay đổi phân lớp hoặc lớp), khi đó nó sẽ phát ra hoặc hấp
thụ năng lượng
**dưới dạng các lượng tử ánh sang có tần số :
**
h.
h- hằng số planck (h 6.627.
ec.s)
[2]
(1.1)
**1.1.2 CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN
**
1.1.2.1. Liên kết đồng hoá trị
Liên kết này tạo ra khi hai hoặc nhiều nguyên tử góp chung nhau một số điện tử để
có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng (điện tử hoá trị). Ví dụ, nguyên tử của các nguyên tố
hoá học trong nhóm VII B ( bảng tuần hoàn Menđelêv, bảng 1.2) coa cấu trúc điện tử lớp
ngoài cùng là s2p5 (bảy điện tử). Để có đủ tám điện tử. cần kết hợp hai nguyên tử lại bằng
cách góp chung hai điện tử lớp ngoài. Do vậy tạo ra một lien kết đồng hoá trị. Liên kết
đồng hoá trị giữa hai nguyên tử Clo (Cl) trong phân tử cl2 được mô tả trên hình 1.1a. Liên
kết đồng hoá trị trong vật rắn được thực hiện nhờ sự tập thể hoá điện tử giữa một nhóm
các nguyên tử lân cận. Trên hình 1.1b nêu mô hình lien kết đồng hoá trị ( tập thể hoá điện
tử của bốn điện tử lớp ngoài cùng s2p2) trong mạng tinh thể Ge.
Những đặc điểm của liên kết đồng hoá trị là:
- Liên kết có tính định hướng, nghĩa là sắc xuất tồn tại các điện tử tham gia liên kết
lớn nhất theo phương nối tâm các nguyên tử ( hình 1.1);
- Cường độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào đặc tính liên kết giữa các điện tử hoá
trị với hạt nhân. Ví dụ, Cacbon ở dạng thù hình kim cương có liên kết đồng hoá trị rất
mạnh vì bốn điện tử hoá trị ( trong tổng số sáu điện tử) liên kết cấu hình như trực tiếp với
hạt nhân, trong khi đó, Sn thể hiện tính liên kết đồng hoá trị rất yếu vì bốn điện tử hoá trị
( trong tổng số 50 điện tử) nằm xa hạt nhân, do đó có lực liên kết yếu đối với hạt nhân. Vì
vậy kim cương có nhiệt độ nóng chảy trên 3550◦C trong khi Sn nóng chảy ở 270◦C;
Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4
[3]
1.1.2.2 Liên kết ion
**1.1.2.3 Liên kết kim loại
**
1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp
Thực ra , liên kết đồng hóa trị thuần túy chỉ có được trong trường hợp liên kết đồng
cực (giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học). Trong trường hợp liên kết dị
cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau). Điện hóa trị tham gia liên kết chịu
hai ảnh hưởng trái ngược :
-
Bị hút bởi hạt nhân “của mình”
-
Bị hút bởi hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung”
Khả năng của hạt nhân hút điện tử hóa trị được gọi là tính âm điện của nguyên tử.
Sự khác nhau về tính âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết đồng hóa trị làm cho đám
mây điện tử “chung” bị biến dạng và tạo thành ngẫu cực điện , tiền tố của liên kết ion.
:Tính ion của liên kết sẽ càng lớn nếu sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử
càng lớn. Ví dụ . Na có tính âm điện bằng 0,9 còn Cl bằng 3,0 . Do vậy liên kết giữa Na va
Cl trong hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị . Tất cả
những liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa trị.
1.1.2.5 Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals)
Liên kết đồng hóa trị cho phếp lý giải sự tạo thành những phân tử như nước (
O)
hoặc polyetylen (
) . Nhưng không cho phép lý giải sự tạo thành một số vật rắn từ
những phân tử trung hòa như nước đá polyme…
Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị , do sự khác nhau về tính âm điện của
các nguyên tử , trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực
điện sẽ tạo thành , phân tử bị phân cực . Liên kết van der waals là liên kết do hiệu ứng hút
nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn . Liên kết này là loại
[4]
liên kết yếu , rất rễ bị phá vỡ do ba động nhiệt ( khi tăng nhiệt độ). Vì vậy những chất rắn
trên cơ sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp.
[5]
[6]
[7]
**1.2. SẮP XẾP NGUYÊN TỬ TRONG VẬT RẮN
**
1.2.1 Không trật tự hoàn toàn, chất khí
Chất khí chiếm toàn bộ thể tích chứa nó có thể nén được. Các nguyên tử (phân tử)
trong chất khí luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) trên 1 đơn
vị thể tích thay đổi. Phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Vị trí tương ứng giữa chúng luôn
thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên. Trung bình mỗi nguyên tử ( phân tử) chiếm 1 thể tích
tương ứng hình cầu. Đường kính trung bình 4 nm.
Lấy 8 nguyên tử ( phân tử) của một chất khí nào đó làm gốc tọa độ, vẽ đường cong
xác suất tìm thấy 1 nguyên tử ( phân tử) khác. Tại khoảng cách d kể từ gốc tọa độ. Thấy
rằng với 0 < d <
(tương ứng đường kính nguyên tử, phân tử) xác suất đó bằng 0. Từ
giá trị d ≥
xác suất P(d) sẽ tăng liên tục bằng một tại giá trị d tương ứng đường kính
trung bình của không gian hình cầu bị nguyên tử (phân tử) chiếm chỗ .
1.2.2 Trật tự lý tưởng vật rắn tinh thể
Trong vật rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định không chỉ so với
những nguyên tử gần nhất mà cả những nguyên tử khác bất kỳ xa hơn . Không gian xung
quanh các nguyên tử có câu tạo hoàn toàn đông nhất. Nói cách khác tinh thể có trật tự xa.
Coi các nguyên tử là những quả cầu rắn giống nhau , xếp xít nhau liên tiếp theo ba
trục vuông góc x,y,z trong không gian. Nối các tâm của quả cầu nguyên tử sẽ được hình
ảnh của 1 mạng tinh thể lập phương đơn giản.HÌnh lập phương nhỏ nhất với 8 đỉnh là tâm
của 8 nguyên tử được gọi là ô cơ sở. Mỗi nguyên tử là đỉnh chung của 8 ô cơ sở gọi là nút
mạng . Khoảng cách gần nhất giữa các nút( gần bằng đường kính khôn gian hình cầu bị
nguyên tử chiếm chỗ) chính bằng cạnh a của ô cơ sở. Ứng với giá trị nhỏ nhất của năng
lượng liên kết.
Hình 1.7 Là đồ thị xác suất tìm thấy
nguyên tử tử khoảng cách d so với nguyên tử
chọn làm gốc tọa độ. khác với chất khí, trong
chất rắn tinh thể , P(d)=1 (các pic trên đồ thị) tại
những giá trị d hoàn toàn xác định đó là d = a,
, a , tương ứng khoảng cách giữa các
nguyên tử theo cạnh ,đường chéo mặt và đường
chéo không gian của ô cơ sở. Độ rộng của các
pic trên hình 1.7 đặc trưng cho giao động của
các nguyên tử quanh vị trí cân bằng ( vị trí nút
mạng) hiệu ứng của ba động nhiệt. Do sự sắp
xếp có trật tự của các nguyên tử , lên trong vật rắn tinh thể xuất hiện đặc tính quan trọng:
[8]
**tính dị hướng, tức là sự khác nhau về tính chất (cơ, lý , hóa tính … ) theo các hướng khác
**
nhau của tinh thể. Để minh họa môđunyoung ( E) của đồng ( Cu) bằng 67 GPa và 192 GPa
tương ứng theo các hướng cạnh và đương chéo không gian của ô cơ sở .
Cuối cùng muốn lưu ý rằng sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn theo mạng tinh
thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : liên kết giữa các nguyên tử số lượng các nguyên tử
gần nhất hoặc là số sắp xếp mà mỗi nguyên tử có thể chấp nhận.
1.2.3 Chất lỏng, vật rắn vi tinh thể và vô định hình.
Một cách gần đúng, thể tích của một khối lượng chất lỏng là đại lượng không đổi .
Giống như trong vật rắn các nguyên tử có xu thế tiếp xúc với nhau và chiếm một không
gian hình cầu kích thước khoảng 0.25 nm . Nên chất long không có tính chịu nén.
Sự khác nhau giữa chất lỏng và vật rắn thể hiện như sau :
Các nguyên tử luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt, vì vậy vị trí của chúng
không được xác định. trên hình 1.8a biểu diễn sơ đồ mô tả vị trí các nguyên tử của một
chất lỏng tại một thời điểm trong khôn gian hai chiều. Nhận thấy rằng, trong một vùng
không gian nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử), một số nguyên tử sắp xếp có trật tự ( giới hạn
bởi đường đứt đoạn trên hình 1.8a), nhưng không ổn định luôn luôn bị phá vỡ do ba động
nhiệt. Như vậy chất lỏng có trật tự gần. Đặc điểm “trật tự gần” được thể hiện trên đường
cong xác suất P(d) phụ thuộc vào khoảng cách d : P(d) =1 tại điểm ứng với khoảng cách
trung bình giữa các nguyên tử trong vùng “trật tự gần” ở xa hơn nữa, giá trị xác suất P(d)
luôn bằng 1, tức giống như trong chất khí. Ngược với tính dị hướng trong chất rắn của vật
rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng vì trong chất lỏng số lượng nguyên tử, phân tử trung
bình trên một đơn vị chiều dài và lực liên kết giữa chúng như nhau. Theo một hướng trong
không gian :
Độ sắp xếp chặt (tỷ lệ giữa thể tích do các nguyên tử chiếm chỗ trên tổng thể tích)
của chất lỏng kém hơn so với vật rắn (quá trình kết tinh hoặc đông rắn thường kèm theo sự
giảm thể tích.
Một cách gần đúng có thể minh họa chất khi, chất lỏng, chất rắn bằng hình ảnh
tương ứng : hội trường hòa nhạc trật khan giả khi còi báo động (khí ) khi kết thúc buổi hòa
nhạc (lỏng) và hang ngũ bộ đội chuẩn bị duyệt binh trên một quảng trường (rắn ).
Hãy làm quen với mộ đặc trưng nữa của chất lỏng là tính linh động của các nguyên
tử (phân tử), đánh giá bằng độ sệt. Chất lỏng có độ sệt thấp nên tính chảy (khả năng điền
đầy thể tích chứa nó) cao. Thực nghiệm đã chứng minh,trong chuyển biến pha lỏng - rắn
(ở nhiẹt độ nóng chảy ) độ sệt không thay đổi.
Đối với một số chất,trạng thái lỏng có độ sệt cao,các nguyên tử (phân tử) không đủ
độ linh hoạt để sắp xếp lại theo “trật tự xa” khi chuyển pha lỏng - rắn : vật rắn tạo thành
không có cấu trúc tinh thể và được gọi là vật rắn vô định hình.Ví dụ,thuỷ tinh được cấu tạo
[9]
**bởi các phân tử
**
đỉnh là các ion
**,có cấu trúc hình khối 4 mặt tam giác đều (hình 1.9),trong đó các
**
, còn tâm khối là ion
.
Ở điều kiện chế tạo thuỷ tinh bình thường,khối 4 mặt [SiO4]4- (đơn vị cấu trúc
của SiO2 có chung đỉnh O2-) (hình 1.9b) và cho cấu trúc vô định hình.Nề giảm tốc độ nguội
của thuỷ tinh lỏng,sao cho các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắp xếp theo trật tự xa,sẽ được
thuỷ tinh có cấu trúc tinh thể (hình 1.9c).
Giống như chất lỏng,vật rắn vô định hình có tính đẳng hướng.
**Hình 1.9 Cấu trúc khối 4 mặt [SiO4]4- (a) và mô
**
hình 2 chiều của thuỷ tinh SiO2 (b)
tinh thể SiO2 (c)
Cần lưu ý rằng,nếu làm nguội kim loại hoặc hợp kim lỏng với tốc độ lớn (lớn hơn
10 - 109 oC/s),vật rắn nhận được sẽ có cấu trúc vô định hình hoặc cấu trúc tinh thể với
kích thước rất nhỏ (khoảng nanomet), gọi là vật rắn vô định hình hoặc vi tinh thể (sẽ trình
bày ở mục 3.1.6)
4
[10]
**1.2.4. QUAN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT
**
Từ những trình bày ở các phần trên và sẽ được làm rõ thêm ở các chương tiếp
theo,có thể thấy rằng yếu tố quyết định tính chất của vật liệu là các dạng liên kết và cấu
trúc của nó
Hình 1.10 mô tả các dạng liên kết giữa các nguyên tử (phân tử) và bảng 1.3 cho
những giá trị minh họa một vài đặc trưng tính chất cơ học,vật lý,hóa học của một số vật
rắn.
Tính dẻo và giòn của vật liệu có thể giải thích dễ dàng thông qua dạng liên kết
tương ứng.Đối với vật liệu có liên kết đòng hóa trị, với góc nghiêng cố định giữa các
nguyên tử (phân tử),khả năng biến dạng dẻo rất kém: dưới tác dụng của ngoại lực,vật liệu
bị phá hủy (tách đứt ) khi ứng suất đạt trị số phá vỡ liên kết.Tương tự như vậy với vật liệu
có liên kết ion.
Nhiệt độ nóng chảy rất cao và độ trơ hóa học lớn của vật liệu gốm trên cơ sở các
oxit kim loại như MgO,Al2O3 ,SiO2 được giải thích bằng năng lượng liên kết đồng hóa trị
(hoặc ion) rất cao của những vật liệu này so với vật liệu kim loại.
Trong vật liệu kim loại (liên kết kim loại), cấu trúc mạng của các ion dương trong
không gian điện tử tự do chung cho phép các ion xê dịch dưới tác dụng ngoại lực: vật liệu
kim loại có tính dẻo cao.Ngoài ra,các điện tử tự do trong mạng tinh thể kim loại với tính
linh động cao,dêc dàng chuyển động theo hướng tác dụng của điện trường bên ngoài và
gradient nhiệt độ.Kim loại do vầy có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao hơn so với các vật liệu
khác.
Đồng hoá trị (Kim
cương, Si, Ge,
GaAs
Ceramic
As
Graphit
Sn
Polyme
SiO2
Mica
Van der
waals
Fe, Ni,
Co
Cr
Kim loại
(Cu, Na,
Ag
CsCl
Ion
Hình 1.10 Sơ đồ mô tả các dạng liên kết trong một số loại vật liệu thương gặp
[11]
**Như đã trình bày ở mục 1.1.2.4 và hình 1.10,trong thực tế phần lớn các loại vật liệu
**
có dạng liên kết hỗn hợp (kim loại – đồng hóa trị; kim loại – ion; đồng hóa trị - ion;.v..v..)
vì vậy tính chất của vật liệu sẽ là tổng hợp của các tính chất đặc trưng cho dạng liên kết
nêu trên.Đặc điểm liên kết và tính chất vủa một số vật liệu nêu ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Đặc điểm liên kết và tính chất vủa một số vật liệu
Tính chất
Chất và năng
Dạng
Mô hình liên
lượng liên kết
liên kết
kết
Tc
E
(eV/nguyên tử)
Đồng
hoá trị
ion
Kim
loại
Van
der
waals
Kim cương (7,0)
NaCl (3,3)
Na (1,1)
cu (3,5)
Ti (4,8)
H2 (0,01)
CH4
Cl2
Cho
(hoặc
nhận) điện tử
hoá trị
Lực hút, đẩy
tĩnh điện
Mạng
của
các ion trong
không gian
điện tử tự do
chung
α
ρ
Tính
dẻo
Cao
Cao
Thấp
Cao
Thấp
Cao
Cao
Thấp
Cao
Thấp
trung
bình
trung
bình
trung
bình
trung
bình
Cao
Cao
Cao
Thấp
Thấp
Cao
**Lực hút ngẫu
**
Thấp
cực
Cao
trung
bình
Để kết thú phần này,xin lưu ý rằng tính chất của vật liệu còn phụ thuộc rất nhiều
vào cấu trúc của chúng.Những nghiên cứu mới nhất trong tinh thể học cho thấy ,bằng cách
tạo ra hợp kim vô định hình và vi tinh thể có thể nhận được những vật liệu có cơ,lý,hóa
tính rất đặc biệt,khác hẳn những tính chất thông thường mà các vật liệu này có,với cấu trúc
tinh thể quen thuộc.
**1.3 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TINH THỂ
**
Để nghiên cứu sự sắp xếp của các nguyên tử (ion,phân tử ) trong vật rắn tinh
thể và so sánh các kiểu sắp xếp khác nhau, cần đưa ra khái niệm về mạng không gian tinh
thể (mạng tinh thể).Mạng tinh thể là đối tượng nghiên cứu đầu tiên và quan trọng của vật
liệu học vì nó rất cần thiết để nghiên cứu nhiều vấn đề khác.Ở mục này sẽ trình bày những
khái niệm cơ bản nhất về mạng tinh thể.
1.3.1.TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA TINH THỂ
Đối xứng là một trong những tính chất quan trọng của tinh thể,nó thể hiện ở
hình dạng bên ngoài,cấu trúc bên trong cuãng như các tính chất
[12]
Tính đối xứng của tinh thể được đặc trưng bởi các yếu tố đối xứng.Mỗi yếu tố
đối xứng tương ứng với một thao tác đối xứng,tức là với một biến đổi hình học xác định
để một hệ thống điểm ,đường ,phần tử ,... tự trùng lặp với chính mình trong không gian
Những yếu tố đối xứng quan trọng là
-Tâm đối xứng (tâm nghịch đảo,kí hiệu C hoặc i) : các điểm a1, a2, a3 ,..gọi là đối
xứng qua tâm với b1, b2, b3 ,..tương ứng nếu chúng trùng lặp nhau từng cặp một bằng phép
nghịch đảo qua tâm C (hình 1.11a)
-Mặt chiếu gương (kí hiệu P hoặc m) : a1, a2, a3 ,..được gọi là đối xứng gương
với b1, b2, b3 ,..tương ứng nếu chúng trùng lặp nhau từng cặp một bằng phép chiếu gương
qua mặt phẳng P (hình 1.11b).Tổ hợp của các điểm a1 được gọi là đối xứng gương với tổ
hợp của b1 qua P nếu từng điểm a1 đối xứng gương tương ứng với từng điểm b1 qua mặt
phẳng P
-Trục đối xứng (kí hiệu L hoặc n) :các điểm a1 có thể trùng lặp nhau bằng phép
quay quanh trục L một góc α,khi đó chúng được gọi là đối xứng nhau qua trục L.Số
nguyên n=
gọi là bậc của trục đối xứng.Đã chứng minh được rằng chỉ tồn tại trục
đối xứng với n = 1,2,3,4,6 (không tồn tại trục đối xứng bậc 5 và bậc cao hơn 6 (hình 1.11c)
b2
a3
a3
b3
b1
P
C
a1
b1
a1
a2
b3
a2
b2
**Hình 1.11. Các yếu tố đối xứng : tâm đối xứng (a) ,
**
mặt đối xứng (b) và trục đối xứng (c)
- Phép tịnh tiến (kí hiệu t) là một trong những yếu tố đối xứng quan trọng của cấu
trúc mạng tinh thể,ứng với thao tác tịnh tiến mạng tinh thể theo một hướng nào đó trong
không gian đi một số nguyên lần trên độ dài xác định để tinh thể trùng với chính nó.Sự
trùng lặp ở đây cần hiểu là trùng lặp các yếu tố hình học giới hạn tinh thể và cả các tính
[13]
**chất khác.Độ dài đơn vị tiến (
**
hướng không gian đã cho.
được gọi là chu kỳ tuần hoàn của mạng tinh thể theo
Ngoài những yếu tố đối xứng đơn,còn tồn tại những yếu tố đối xứng phức hợp
gồm hai hay nhiều yếu tố đối xứng hơn,đó là: trục quay chiếu gương, trục quay chiếu tâm,
trục xoắn, mặt ảnh trượt.Độc giả quan tâm có thể tìm hiểu thêm ở những tài liệu chuyên
sâu về tinh thể học.
1.3.2. Ô CƠ SỞ, HỆ TINH THỂ
Để có những khái niệm đầu tiên về mạng tinh thể,hãy xuất phát từ khái niệm đơn
giản về ô cơ sở như đã nêu ở mục 1.2.2 và hình 1.6.Thấy rằng, do tính đối xứng của tinh
thể,từ một ô cơ sở,bằng thao tác đối xứng,tịnh tiến theo 3 chiều trong không gian sẽ nhận
được toàn bộ mạng tinh thể.
Ô cơ sở được xây dựng trên 3 vectơ đơn vị
,
,
tương ứng 3 trục tọa độ Ox, Oy
và Oz.Tâm của các nguyên tử (ion hoặc phân tử) ở đỉnh ô là các nút mạng.Môdun của 3
vectơ a =
,b=
,c=
là kích thước ô cơ sở,còn gọi là hằng số mạng hay chu kỳ
tuần hoàn (chu kỳ tịnh tiến) của mạng tinh thể theo ba chiều tương ứng.Các góc tạo bởi 3
vectơ
,
, giữa
,
và
,khi hợp từng đôi một ký hiệu là
( là góc giữa
và
,
giữa
và
)
**Thấy rằng trong cùng mạng tinh thể có thể chọn được nhiều kiểu ô cơ sở khác
**
nhau (hình 1.12a).Tuy nhiên,vì ô cơ sở là đơn vị tuần hoàn nhỏ nhất của mạng tinh thể cho
nên việc lựa chọn phải thỏa mãn nguyên tắc sao cho nó đại diện đầy đủ cho tính chất và
cấu trúc của toàn bộ tinh thể .Các nguyên tắc đó là:
-Tính đối xứng của ô cơ sở phải là Tính đối xứng của tinh thể (về hình dáng bên
ngoài và các tính chất);
-Số cạnh bằng nhau và số góc (giữa các cạnh) bằng nhau của ô phải nhiều nhất;
-Nếu có các góc vuông giữa các cạnh thì số góc đó phải nhiều nhất;
-Có thể tích nhỏ nhất hoặc các cạnh bên ngắn nhất.
Ô cơ sở có thể tích nhỏ nhất và chỉ có tám nguyên tử (ion,phân tử) nằm ở đỉnh (nút
mạng) gọi là ô cơ sở đơn giản (hình 1.12b).
Phụ thuộc vò tương quan giữa ba vectơ
,
,
;ba góc
người ta phân biệt
**bảy hệ tinh thể khác nhau (hình 1.4).
**
Bằng cách tịnh tiến, đưa các phần tử (nguyên tử,ion hay phân tử) lên tâm các mặt
bên,tâm đáy hoặc tâm các ô cơ sở đơn giản,hay nói cách khác,nếu không quan tâm đến
tính đối xứng của các phần tử tại nút mạng tinh thể,chỉ khảo sát vị trí của chúng,thấy rằng
[14]
chỉ có mười bốn cách tịnh tiến các phần tử trong không gian để nhận được mười bốn kiểu
mạng tinh thể khác nhau thuộc bảy hệ tinh thể nói trên.Đó là mười bốn kiểu
mạng tinh thể Bravais.Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều biểu diễn bằng một trong
mười bốn kiểu mạng Bravais (bảng 1.4).
Hệ
thể
**tinh Quan hệ Quan hệ Các kiểu mạng Bravais
**
giữa các giữa các
Đơn giản
Tâm đáy
trục
góc
Ba
nghiêng
a # b #c
α # ß # γ
# 90º
Một
Nghiêng
a # b #c
α = γ =
90º # ß
Trực
thoi
a # b #c
α=ß=γ
= 90º
Ba
Phương
(thoi)
a=b=c
α=ß=γ
# 90º
Sáu
Phương
a=b#c
α = ß =
90º = γ =
120º
Bốn
Phương
a=b#c
α=ß=γ
= 90º
a = b =c
α=ß=γ
= 90º
Lập
Phương
**Bảng 1.4 Các kiểu mạng Bravais
**
[15]
Tâm Khối
Tâm mặt
**1.3.3. PHƯƠNG VÀ MẶT TINH THỂ
**
Phương pháp biểu diễn tinh thể bằng ô cơ sở như trình bày ở trên có ưu điểm
là tính trực quan cao nhưng không phải lúc nào cũng dễ thực hiện,nhất là đối với các mạng
tinh thể phức tạp của nhiều nguyên tố (nhiều nguyên tử,ion hay phân tử tạo thành).Nó
cũng không thuận tiện khi cần xác định vị trí tương đối giữa các phần tử hình học
(điểm,đường,mặt) trong mạng.
Một phương pháp khác cũng rất thông dụng trong tinh thể học là biểu diễn
các phần tử hình học của mạng tinh thể bằng các ký hiệu toán học – phương pháp giải tích
mô tả tinh thể - sẽ được nhắc đến ở phần này.
Để áp dụng thuận lợi phương pháp biểu diễn này,thường chọn hệ truc tọa độ
với ba trục Õ,Oy,Oz tương ứng với 3 vectơ
,
,
của ô cơ sở,nút O là gốc tọa độ (hình
**1.13).Đơn vị đo trên ba trục là giá trị hằng số mạng a,b,c.
**
1.3.3.1 Chỉ số của nút mạng
Vị trí nút mạng được ký hiệu bằng ba số,tương ứng tọa độ của nút mạng
trong hệ trục tọa độ đã chọn,đặt trong ngoặc vuông kép ([[..]]);giá trị âm của các tọa độ
được ký hiệu bằng dấu (-) trên tọa độ tương ứng .Ví dụ nút A trên hình 1.13 được ký hiệu
[[111]].Do tính đối xứng của mạng tinh thể nên tọa độ của mọi nút mạng có thể suy ra
bằng phép tịnh tiến các nút trong ô cơ sở với các bước bằng số nguyên lần hằng số mạng
Bảng 1.4. Bảy hệ tinh thể và mười bốn mạng Bravais
a,b,c. Ví dụ,nếu tọa độ của một nút trong ô cơ sở là x0, y0, z0 thì tọa độ của một nút
khác sẽ là :
x1 = x0 + n1a
y1 = y0 + n2b
(1.28)
z1 = z0 + n3c
trong đó n1 ,n2 ,n3 - các số nguyên
Tọa độ còn có thể biểu diễn dưới dạng vectơ :
=
+ n1
+ n2
+ n3
(1.29)
**1.3.3.2. Chỉ số của phương tinh thể
**
Phương tinh thể là đường thẳng đi qua các nút trong mạng tinh thể. Cách
nhau những khoảng cách theo quy luật xác định và được ký hiệu bằng ba số nguyên u, v,w
[16]
tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút gần gốc tọa độ nhất, năm trên phương đó. Chỉ số âm có
ký hiệu (-) ở trên. Trên hình 1.13 nêu một số phương [111]. [110]. [221]… Vectơ đơn vị
của phương sẽ là:
=u +v +w
Do tính đối xứng, muốn
tìm chỉ của một phương nào đó.
Chỉ cần tìm chỉ số của phương
song song với nó. Đi qua gốc tọa
đô. Những phương song song
nhưng có tính chất giống nhau tạo
thành hệ phương, ký hiệu [uvw],
Nhưng phương không song song
nhưng có tính chất giống hnhau tạo Hình 1.13 Chỉ số đường và điểm trong mạng tinh thể
thành họ phương. Ký hiệu <uvw>.
Các phương trong một họ có trị số tuyệt đối u, v, w giống nhau, chỉ đổi chon hay. Ví dụ
(hình 1.13) họ phương <100> gồm sáu phương : [010], [001], [100], [0 ī 0], [00 ī] và [ī
00].
1.3.3.3. Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Mặt phẳng tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thể được tạo nên bởi
những nút mạng. sắp sếp theo một trật tự xác định.
Chỉ số Miller của mặt phẳng tinh thể được ký hiệu bằng ba số nguyên h, k, l tỷ lệ
nghịch với những đoạn thẳng, kể từ gốc tọa độ đến giao điểm mặt phẳng đó với các trục
tọa độ tương ứng Ox. Oy, Oz. Có thể xác định những chỉ số h, k, l của một mặt phẳng tinh
thể theo các bước (ví dụ mặt phẳng P trên hình 1.14) như sau :
-
Tìm giao điểm của mặt phẳng với ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz;
- Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm tương ứng nói
trên(1; ½; 1/3 trên hình 1.14). lấy giá trị nghịch đảo của chúng (1;2;3).
- Quy đồng mẫu số chung các số nghịch đảo tìm được, ba số nguyên h, k .l, trên
phần tử số sẽ là chỉ số Miller của mặt phẳng đang xét. Mặt Phẳng P trên Hình 1.14 có chỉ
số (1.2.3)
Phương trình của mặt Phẳng trong không gian là:
[17]
**Nếu mặt phẳng song song với truc tọa độ, chỉ số Miller tương ứng sẽ tỉ lệ với 1/∞
**
nghĩa kaf nó bằng (ví dụ,mặt (001) là mặt của ô cơ sở song song trục Ox và Oy). Giá Trị
âm được kí hiệu bằng (-) trên chỉ số tương ứng.
Hệ mặt phẳng tinh thể. Ký hiệu(h, k, l) là những mặt song song, có tính chất giống
nhau, vì vậy muốn xác định chỉ số của một mặt bất kỳ chỉ cần xác định chỉ số của mặt
phẳng song song với nó, nằm ở ô cơ sở chứa trục độ. Các ,mặt phẳng tuy không song song
nhưng có tính chấy giống nhau tạo một họ mặt phẳng. Chỉ số Miller của các mặt phẳng
trong họ được ký hiệu dưới dạng {hkl}. Giá trị tuyệt đối h,k,l của chúng là như nhau, chỉ
đổi vị trí cho nhau, ví dụ {100} trong mạng tinh thể có ô cơ sở là hình lập phương gồm :
(100), (101), (001). ( ī 00). (0ī 0) và (00 ī) tức là các mặt bên và đáy của ô cơ sở.
1.3.3.4. Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương
Các chỉ số Miller trong hệ tọa độ ba trúc tỏ ra không thích hợp đối với hệ tinh thể
sáu phương, vì các phương hoặc mặt cùng họ có chỉ số khác nhau.
Để biểu diễn phương và mặt tinh thể trong hệ trong hệ sáu phương, phải dùng chỉ
số Miller- Bravais, tương ứng với hệ tọa độ gồm bốn trục : Ox, Oy, Oz và Ou (hình 1.15),
Ba trục Ox, Oy, Ou năm trên cùng mặt phẳng đáy của ô cơ sở, từng cặp hợp với nhau một
góc 120º vuông góc với trục Oz. Gốc tọa độ O là tâm của mặt đáy. Cách xác định chỉ số
Miller-Bravais hoàn toàn giống như trường hợp chỉ số Miller. Để ký hiệu mặt tinh thể, các
chỉ số được viết trong ngoặc đơn có dạng (hkil). Có thể chứng minh đượng quan hệ:
i = - (h +k)
(1.32)
**Trên hình 1.15 chỉ số của các mặt BCH, ABHG và AGLF tương ứng là (01ī0). (10ī
**
0) và (1ī 00). Những mặt phẳng này thuộc cùng một họ, với tập hợp các giá trị số tuyệt đối
của các chỉ số là như nhau {01 10}. Nếu dùng chỉ số Miller. Ký hiệu các mặt phẳng đó
tương ứng là (010), (100) và (1 ī0). Rõ rang chỉ số Miller-Bravais thể hiện đúng hơn tính
đối xứng của tinh thể sáu phương.
Hình 1.14. Cách xác định chỉ số Miller của mặt phẳng P
[18]
**1.3.4. MẬT ĐỘ NGUYÊN TỬ TRONG MẠNG TINH THỂ HỆ SỐ XẾP CHẶT
**
1.3.4.1. Mặt độ xếp
Trong tinh thể học, việc xác định mật độ xếp theo một phương trên một mặt hoặc
trong không gian (trong ô cơ sở) nhiều khí rất cần thiết. Ví dụ, nếu biết mật độ sắp xếp của
các mặt và phương trong tinh thể có thể xác định khả năng biến dạng dẻo của tinh thể,
dưới tác dụng ngoại lực biến dạng dẻo sẽ xảy ra trước tiên theo những mặt và phương trình
tinh thể có maatjd dộ xếp lớn nhất (xem mục 4.2.1, chương 4).
Mật độ sắp xếp theo phương trên một mặt hoặc trong một mạng tinh thể đặc
**Hình 1.15. Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương
**
trưng cho khả năng
chiếm chỗ của nguyên tử trong không gian mạng, lần lượt đượng xác định theo các biểu
thức :
(1.33)
Trong đó:Ml, Ms, Mu
- mật độ xếp theo phương, mặt thể tích (mạng)
L, v, s
- chiều dài, diện tích hoặc thể tích bị chiếm chỗ bởi tử
L, S,V
- tổng chiều dài, diện tích, thể tích đang xét trong tinh
thể.
[19]
Hình 1.16. Cách xác định mật độ sắp xếp Ml, Ms, Mv của ô cơ sở (mạng tinh thể)
**Hình 1.16 là ví dụ cách tính Ml, Ms, Mv cho mặt tinh thể lập phương tầm mặt (bảng
**
1.4). Coi các nút mạng là nguyên tử hình cầu, bán kính r, ô cơ sở kích thước α, khí đó:
Mật độ xếp theo phương [010]:
Mật độ xếp theo phương [110]:
Mật độ xếp theo mặt (100):
Mật độ xếp theo mặt (111):
[20]
Mật độ thể tích cuat mạng lập phương tâm mặt
**1.3.4.2. Cách sắp xếp nguyên tử trong mạng tinh thể, sự xếp chặt
**
Như trình bày ở trên, mật độ xếp đặc
trưng khả năng xếp chặt (khả năng xếp sít,
tiếp xúc với nhau) của các nguyên tử. Giả
sử các nguyên tử là những quả cầu rắn cùng
kích thước được sắp xếp sao cho mỗi
nguyên tử tiếp xúc với sáu nguyên tử xung
quanh, chung sẽ tạo ra một lớp nguyên tử
xếp chặt (mặt xếp chặt) (lớp A rên hình
1.17). Muốn đảm bảo tính xếp chặt (có lợi
về mặt năng lương khi tạo mạng tinh thể).
Lớp nguyên tử tiếp theo chỉ có thể xếp vào
lõm B (cho lớp B) hoặc lõm C tương ứng
lớp C (hình 1.17). như vậy sẽ có hai khả
năng nguyên tử xếp chặt : theo trật tự
ABABAB…hoặc ABCABCABC.
**Hình 1.17. Cách sắp xếp nguyên tử theo
**
nút phức (b.c)
Sự phá vỡ trật tự xếp gọi là khuyêt tật xếp, Trật tự sắp xếp sẽ được đề cập lại ở mục
1.4.1.
Hãy quay lại khái niệm nút mạng. cho đến bây giờ nút mạng vẫn được quan niệm
như một điểm trong không gian mạng tinh thể, tương ứng với nó chỉ một nguyên tử (hoặc
ion). Đó là trường hợp mạng tinh thể các kim loại nguyên chất với liên kết kiem loại.
Trong mạng tinh thể các hợp chất gồm nhiều nguyên tử khác loại với liên kết ion
hoặc đồng hóa trị, ứng với một nút mạng có thể hai hoặc nhiều nguyên tử (ion), tạo thành
nút phức. Các nút phwucs hoàn toàn tương đương với nhau về số lương, số loại nguyên tử,
định hướng v.v... Hình 1.18 cho ví dị về cách sắp xếp nút mạng trong mạng tinh thể đồng
(Cu) và nút phức trong NaCl, cristobalit-B (SiO2).
1.3.5. LỖ HỔNG TRONG MẠNG TINH THỂ
Lỗ hổng trong mạng tinh thể là không gian trống. giớ hạn bới hình khối nhiều mặt,
mỗi đỉnh khối là tâm nguyên tử (ion) tại nút mạng tinh thể.
[21]
**Hình 1.19. Các loại lỗ hổng trong mạng lập phương tâm mặt (a)
**
Và lập phương tâm khối (b)
Kích thướng của lỗ hổng được đánh giá bằng bán kính quả cầu nhất có thể đặt vào
lỗ hổng đó. Hình dạng lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc của mạng tinh thể Ví dụ, mạng lập
phương đơn giản có lỗ hổng lập phương, đỉnh là nút mạng ô cơ sở ngoài ra, lỗ hổng hay
gặp có dạng khối tám mặt, bốn mặt. Trên hình 1.19 mô tả hai loại lỗ hổng này trong mạng
lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối.Bảng 1.5 cho thấy các dạng và số lượng lỗ
hổng trong một vài mạng tinh thể điển hình.
Lỗ hổng có vai trò quan trọng trong nhiều trường hợp, ví dụ trong qua trình tạo
thành hợp kim hoặc chuyển pha (xem chương 3). Trong những điều kiện xác định một số
nguyên tử của nguyên tố hợp kim chiếm chỗ trong các loại lỗ hổng khác nhau của mạng
tinh thể kim loại nền , nếu chúng có kích thước tương thích, kết quả sẽ cho những hiệu ứng
mạnh thay đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu.
Bảng 1.5: dạng và số lượng lỗ hổng trong một số mạng tinh thể
Cấu trúc mạng tinh
thể
Lập phương tâm mặt
Sáu phương xếp chặt
Dạng lỗ hổng
Khối 4 mặt
Khối 8 mặt
Khối 4 mặt
[22]
**Số lượng lỗ hổng
**
trong ô cơ sở
8
4
12
**Số lượng lỗ hổng
**
trên một nguyên tử
2
1
2
**Lập phương tâm khối
**
Lập phương đơn giản
Khối 8 mặt
Khối 8 mặt
Khối 4 mặt
Khối lập phương
6
12
6
1
1
6
3
1
**1.4 MỘT SỐ CẤU TRÚC TINH THỂ ĐIỂN HÌNH CỦA VẬT RẮN
**
Ở phần này, một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn với các dạng liên kết
khác nhau sẽ được đề cập.
1.4.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT RẮN VỚI LIÊN KẾT KIM LOẠI.
Liên kết kim loại là liên kết không định hướng (xem muc 1.1.2.3), các nguyên tử
(ion, phân tử) luôn có xu hướng sắp xếp sít chặt, với nhiều liên kết ngắn, mạnh. Điều này
giải thích tại sao vật rắn với liên kết kim loại (phần lớn các nguyên tố kim loại trong bảng
tuần hoàn Menđleev) có cấu trúc mạng với mật độ xếp
những vật rắn khác.
,
và tính đối xứng cao so với
Ba cấu trúc tinh thể điển hình của liên kết kim loại là lập phương tâm khối
(lptk), lập phương tâm mặt
(lptm) và sáu phương xếp chặt
(spxc) (hình 1.20).
**1.4.1.1. Mạng tinh thể lập phương tâm khối(
**
Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, vì vậy mạng này chỉ có một hằng số
mạng. Các nguyên tử nằm ở đỉnh và trung tâm (hình 1.20a) số nguyên tử n của ô cơ sở
được tính như sau: mỗi nguyên tử ở đỉnh đồng thời là của 8 ô cơ sở nên thuộc về một ô chỉ
có 1/8 nguyên tử, nguyên tử ở tâm hoàn toàn thuộc ô cơ sở.
n
.8 + 1
nguyên tử
**Trong mô tả tinh thể. Thường quy ước nguyên tử ở đỉnh ô cơ sở trùng với gốc tọa
**
độ là một trong những nguyên tử gốc. như vậy tọa độ của các nguyên tử gốc trong mạng
là
và [
]].
[23]
**Hình 1.20 Cách sắp xếp nguyên tử trong ô cơ sở mạng
**
A2 (a) A1 (b) và A3 (c)
Mỗi nguyên tử trong mạng
được bao quanh bở tám nguyên tử với khoảng cách
và 6 nguyên tử khác xa hơn với khoảng cách là a. Như vậy số sắp xếp của mạng k bằng
tám ( hoặc k 8+6)
Từ hình 1.20a có thể thấy trong mạng , theo phương 111 và theo mặt {110}
mật độ xếp cao nhất. Để tính được mật độ xếp áp dụng công thức (1.33)
(theo(110)) = =
( theo ô cơ sở)=
Trong đó
=
, n- số nguyên tử trong mặt (110) và trong ô cơ sở;
**R, a- bán kính nguyên tử và kích thước ô cơ sở.
**
Cho rằng theo <111> các nguyên tử xếp sít nhau (hình 1.20a), ta có quan hệ giữa r
và a là:
4r = a
, suy ra r =
(1.41)
[24]
**Kết hợp (1.40) với (1.38) và (1.39) tính được:
**
1.4.1.2 Mạng lập phương tâm mặt (A1: lptm)
[25]
1.4.1.3 Mạng tinh thể sáu phương xếp chặt
**1.4.2 Mạng tinh thể của vật rắn có liên kết đồng hoá trị
**
1.4.2.1 Mạng tinh thể kim cương (A4)
Kim cương là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là
1s2 2s2 2p2, vậy số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xế p sẽ là 4 tức là mỗi một
nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gần nhấ t.
**Hình 1.22 Mạng tinh thể của kim cương a,b và liên kết trong tinh thể c
**
[26]
**Ô cơ sở mạ ng kim cương (hì nh 1.14a), được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1
**
có thêm bốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem hình 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4,
3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). nằm ở tâm của bốn khối 1/8 cá ch đề u nhau.
Các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có
độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng).
1.4.2.2 Mạng Graphit
Có mạng lục giác lớp (hình 1.15a), trong một lớp khoảng cách giữa các nguyên tử a
= 0,246nm, liên kết đồng hoá trị . Khoảng cách giữa các lớp c = 0,671nm, tương ứng với
liên kết yếu Van der Waals, garafit rất dễ bị tách lớp, rất mềm, nó được coi như là một
trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất.
**Hình 1.23. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c).
**
1.4.2.3. Cấu trúc sợi cacbon và fullerene
Sợi cacbon và fullerene là hai dạng thù hình nữa của cacbon. Thành tựu mới của
các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực vật lieu trong những năm gần đây.
Sợi cacbon được sự dụng làm “cốt” trong vật liệu compozit với “nếu” là những vật
liệu khác (xem mục 12.4). Cấu trúc sợ cacbon có thể tưởng tượng như những lớp “vỏ”
nguyên tử cacbon, sắp sếp theo hình lục giác, có lien kết đồng hóa trị mạnh (giống như lớp
đáy ô cơ sở mạng graphit). Cuốn xung trục sợi (hình 1.23b). Năng lượng liên kết đồng hóa
trị mạnh trên các lớp vỏ của sợi cho phéo tạo được những vật liệu compozit có độ bền gấp
ba lần nhưng nhẹ hơn bốn lần so với théo.
Phân tử cacbon C60, gọi là fullerene, do hai nhà bác học người Anh H. Kroto và
Mỹ R.Smalley tổng hợp được lần đầu tiên vào năm 1985. tuy nhiên giả thiết về sự tồn taih
cấu trúc lạ của phần tử cacbon đã được các nàh vậy lý thiên văn đề xướng khi nghiên cứu
cấu trúc và thanh phần các vật thể vũ trụ từ những năm bảy mươi của thế kỷ này.
Cấu trúc phần tử fullerene (C60) trình bày trên hình 1.23c : 60 nguyên tử cacbon
sắp xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều các ngũ giác
lien kết nhau qua lục giác. Một phân tử fuuleren có hình dáng giống như quả bong đá
[27]
nhiều múi. Liên keeys giữa các nguyên tử cacbon trong fullerene luôn luôn là đồng hóa trị
thuần túy.
Cấu trúc đối xứng tròn, độ cứng cao của những “quả bóng mini” – fullerene đang là
đề tài nguyên cứu hấp dẫn của các nhà vật liệu học khống những trong nghiên cứu cơ bản
mà cả những lĩnh vực ứng dingj trong kỹ thuật và công nghệ.
1.4.2.4. Các cấu trúc mạng tinh thể lien kết đồng hóa trị khác
Giống trường hợp kim cương cấu trúc mạng tinh thể của các hợp chất có liên kết
đồng hóa trị mạnh phụ thuộc vào góc giữa các liên kết, Ví dụ, mạng tinh thể của SiO2được
cấu tạo bởi những khố tứ diện tam giác đều (hình 1.9)b trong đó mỗi một ion Si4+ được bao
quanh bằng bốn ion O2- . Để đàm bảo trung hòa điện, mỗi inon O2- là đính chung của hai
khối tứ diện.
Phụ thuộc điều kiện tạo thành, cách xắp xếp các khối tứ diện. SiO2 có thể cho tinh
thể thạch anh với cấu trúc sáu phương hoặc ß-cristobalit với cấu trúc lập phương (hình
1.24). Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận được thủy tinh (cấu trúc vô đinh hình) (xem
mục 1.2.3, hình 1,9b).
**Hình 1.24 Sắp xếp khối tứ diện (SiO4) trong thạch anh (a), cristobalit (b).
**
Cấu trúc khối tứ diện được mô tả trên luôn luôn là cơ sở của các mạng tinh thể
silicat. Tuy nhiên. Phụ thuộc vào thành phần hóa học và điều kiện tạo thành, không phải
lúc nào các khối tứ diện cũng liên kết với nhau bằng một đỉnh chung như tinh thể SiO 2 . Ví
dụ, trong tinh thể forsterit, Mg2SiO4, khối tứ diện (SiO4)4- không liên kết bằng đỉnh ching
mà bẳng ion Mg2+ làm trung gian (hình 1.24c)
Slicat là “đầu vào” quang trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu gốm (ceramic) như
sẽ trình bày ở chương 9.
1.4.3. MANH TINH THỂ CỦA VẬT RẮN CÓ LIÊN KẾT ION
Cấu trúc tinh thể của vật rắn (hợp chất) kiên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:
tỷ số của số lượng ion âm (anion) trên số lượng ion dương (cation) : tỷ số
này cố định đối với từng hợp chất, phụ thuộc vào số lương điện tử tham gia liên kết, đảm
bảo tính trung hòa về điện của hệ thống;
[28]
**Tương quan kich thước giữa anion và cation ; liên kết ion là loại không đinh
**
hướng (xem mục 1.1.4.3) vì vậy trong mạng tinh thể, các ion luôn có xu hướng sắp xếp để
đạt độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất.
Sau đây nêu một số kiểu mạng điển hình.
1.4.3.1. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX
Xét mạng tinh thể của NaCL và CsCL (hình 1.25). Mạng tinh thể NaCL ( kiểu B1)
tạo nên trên cơ sở mạng lptm của anion Cl- và ngược lại. Tỷ số các ion Cl- trên số ion Na+
luôn luôn bằng 1. Khác với mang NaCl, mạng tinh thể của CsCl(kiểu B2) được tạo nên
trên cơ sở mạng lập phương đơn giản của ion CL- , ion Cs+ nằm ở lỗ hổng khối lập phương
(ở tâm khối lập phương)(hình 1.25b), tỷ số lượng ion Cl- trên ion Cs+ luôn là 1 nhưng trong
mạng NaCl. Mỗi ion Cs+ bao quanh bằng tám ion Cl- và ngược lại.
Cl
Cs
a
b
c
**Hình 1,25. Mang tinh thể của hợp chất Mx ; a)NaCl; b) CsCl; C)ZnS
**
Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể giữa NaCl và CsCl (mặc dù Na và CS có
cùng hóa trị) là do sự khác nhau về tương quan kích thước giữa các ion Na+ và Cs+ so với
ion Cl- . Tỷ số đó tương ứng là dNa/dCl = 0,91; các ion trong mang CsCl sắp xếp theo kiểu
B2 sẽ có mật độ xếp MV = 68% cao hơn so với sắp xếp theo kiểu B1 của NaCl (Mv =
53%).
Một mạng tinh thể tiêu biểu khác của hợp chất kiểu MX là của ZnS (kiểu B3). Tạo
bởi mạng lptm của các ion S2- , ion Zn2+ chiếm vị trí trong của mạng kim cương (hình
1.25c), tỷ số lượng ion ns/nZn= 4/4= , số ion S2- bao quanh ion Zn2+ bằng bốn và ngược lại.
[29]
1.4.3.2. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX2 (hoặc M2X)
c
Hình 1,26 Ô cơ sở mạng tinh thể : a) CaF2; b) Cu2O; c) TiO2 và BaTiO3
Các điều kiện nX = 2nM và KMX phải luôn luôn được đảm bảo trong mạng tinh thể
hợp chất này. Điều hình có ba kiểu mạng sau:
Mạng tinh thể fluorit CaF2 (kiểu C1), tạo bởi ô cơ sở mạng lptm của Ca2+
tám ion F- nằm ở tâm của tám hình khối nhỉ, có thể tiinhs được dễ dàng n F = 2 nc82+ = 8 và
KF-Ca= 2KCa-F = 8, tỷ số 1:2 thỏa mãn;
-
**Mạng tinh thể cuprit Cu2O (kiểu C3) : các ion O2- tạo mạng lptk, bốn ion Cu+
**
chiếm vị trí giống như bốn nguyên tử bên trong ô cơ sở kim cương (hình 1.26b). no2 = 2nCu+
= 4; KCu-O = 4, tỷ số 2:1 luôn luôn thỏa mãn;
-
**Mạng tinh thể cuprit Cu2O (kiểu C4), tạo thành bởi mạng bốn phương tâm
**
khối của Ti với α = 0.45 nm ; c = 0.29 nm, Các ion O2- chiếm vị trí mô tartreen hình 1.26c.
Số ion Ti4+ trong ô cơ sở là 1/8x8 + 1 =2, của O2- là 1/2x4 + 2 = 4.Mỗi ion Ti4+ được sáu
-
[30]
ion O2- gần nhất bao quanh ( KO-Ti = 6), còn mỗi ion O2- được bao quanh bởi 3 ion Ti4+ .Tỷ
số 1:2 thỏa mãn.
1.4.3.3. Mạng tinh thể hợp chất dạng Mm Nn Xp
Mạng tinh thể một số vật liệu gốm (ceramic) cũng có thể được tao thành trên cơ sở
mạng tinh thể của hai hay nhiều lại cation (M , N). Bari titanat có cả hai loại cation Ba 2+ và
Ti4+. Hợp chất có cấu trúc mạng lập phương ở 120ºC. (hình 1.26d).
Như vậy , có thể hình dung mạng tinh thể hợp chất ion được tạo thành trên cơ sở ô
cơ sở của anion, các cation chiếm một phần hoặc toàn bộ lỗ hổng của mạng anion đó.Bảng
1.7 là đặc trưng cấu trúc của một số hợp chất ion điển hình
**Bảng 1.7. Một số hợp chất ion và cấu trúc mạng tinh thể của chúng
**
Dạng
hợp chất
Mạng tinh
Dạng lỗ hổng
thể
của
do cation chiếm
anion
lptm
Khối 4 mặt
spxc
Khối 4 mặt
lptm
MX
MX2
M2X
M2X3
MNX3
MN2X4
Tỷ lệ số lỗ
hổng
bị Hợp chất điển hình
chiếm
1/2
ZnS, SiC, ZnO, CdS
1/2
ZnS, ZnO
NaCl, MgO, CaO, MnS,
1
TiC
1
NiAs, FeS
Khối 8 mặt
spxc
Khối 8 mặt
lp
đơn Khối
lập
1
giản
phương
lptm
Khối 8 mặt
1/2
lp
đơn Khối
lập
1/2
giản
phương
lptm
Khối 4 mặt
1
spxc
Khối 4 mặt
2/3
lptm
lptm
-
CsCl
TiO, CdCl2
CaF2, ZnO2
Na2O, Li2O
Al2O3, Fe2O3, Cr2O3
BatiO3, SrZnO3
MgAl2O4, FeAl2O4
**1.4.4 CẤU TRÚC CỦA POLYME
**
Khác với cấu trúc tinh thể các vật rắn đã xét, trong đó mỗi đơn vị cấu thành (ô cơ
sở) tạo nên từ một vài nguyên tử (ion, phân tử), polymer được tạo nên từ rất nhiều phân tử,
mỗi phân tử lại có thể tạo bởi hang triệu nguyên tử, lấy polyetylen phân tử, mỗi phân tử lại
[31]
có thể tạo bởi hang triệu nguyên tử. lấy polyetylen (C2H4)n làm ví dụ : mỗi phân tử của
polyetylen cấu taoh bởi các liên kết đồng hóa trị mạnh và có hướng giữa cacbon và hyđro:
Liên kết theo (1.44) cho phân tử polyetylen mạch kín. Nếu liên kết kép giữa hai
nguyên tử C “mở” sang hai phía: Lúc đó có thể sẽ có vô hạn các phân tử (1.45) liên kết với
nhau, cho một mạch hở dạng:
Mạch polymer tạo thành theo (1.46) gọi là mạch thẳng. Tuy nhiên, khái niệm
“thằng” chỉ là tương đối bởi vì góc tạo bởi giữa các liên kết của nguyên tử cacbon là
109,5º giống như trong kiem cương (hình 1.27a và 1.27b).
Cầu lưu ý rằng, không phải lúc nào mạch polymer cũng thằng, giá trị n trong công
thức phân tử đạy từ 103 đến 106, vì vậy có những mạch dài đến 10μm.
Liên kết giữa các mạnh trong polymer thực hiện bằng lực van der Waals.Thường
thường polymer là vật liệu vô định hình (hình 1.27b), tuy nhiên khi các mạch sắp xếp theo
một tự xác định sẽ được polymer tinh thể (hình 1.27d). Quá trình”kết tinh” của polymer
phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể và cấu trúc của các mạch thành phần (xem mục
11.2.4).
Trong thực tế, không có được polymer hoàn toàn trật tự (tinh thể). Giữa các vùng
trật tự bao giờ cũng tồn tại những vùng không trật tự ( vô định hình). Đó là polyme bán
tinh thể(hình 1.27c). vùng sắp xếp trật tự trong polymer cũng cấu tạo từ các ô cơ sở (hình
1.27d).
1.4.5 DẠNG THÙ HÌNH
Đó là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một
nguyên tố hoặc một hợp chất hóa học. Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thì hình
này sang dạng thù hình khác gọi là chuyển biến hình. Các dạng thù hình thường được ký
hiệu bằng các chữ cái Hy Lạp như : α, ß, γ,…
Cacbon là một trong những nguyên tố có nhiều dạng thù hình rất nhiều dạng thù
hình rất khác nhai, không những về cấu trúc mạng mà còn ở tính chất: bồ hóng (vô định
hình), graphit (mạng A9), kim cương (mạng A4), sợ cacbon ( cấu trúc lớp cuộn), fullere
(cấu trúc cầu C60, C100,…)(xem mục 1.4.2)
[32]
Sự tồn tại các dạng thù hình phụ thuộc vào hai yếu tố cơ bản là nhiệt độ và áp suất.
Ví dụ, graphit có thể tạo được ở điều kiện bình thường, trong khi chuyển biến thù hình
graphit sang kim cương chỉ xảy ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao.
Các dạng thù hình của sắt (Fe) cũng có thể được coi là một ví dụ điển hình, có
nhiều ý nghĩa trong kỹ thuật. Cấu trúc mạng A2 của α-Fe tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn
911ºC, α-Fe là vật liệu sắt từ điển hình ở nhiệt độ dưới 769ºC. Từ 911ºC đến 1392ºC là γFe, mạng A1. Nhiệt độ 1932ºC là nhiệt độ chuyển biến thù hình γ-Fe → δ-Fe (mạng A2
giống α-Fe).
Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể (số lương. Kích thước lỗ hổng.xem mục
1.3.5, 1.4.1.1, 1.4.1.2) cho phép γ-Fe có khả năng hào tan được nhiều hơn đáng kể các
nguyên tử của một số nguyên tố khác nhau (ví dụ, 2,14% C (trọng lượng) ở 1147ºC) so
với α-Fe (tương ứng o,02%C(trọng lượng) ở 727ºC). Đó chính là cơ sở của các công nghệ
nhieeyj luyện như tôi, ram, hóa – nhiệt luyện nhằm điều chỉnh tính chất của théo theo yêu
cầu và điều kiện làm việc cụ thể (xem mục 3.3 và .3.4)
**1.5 SAI LỆCH MẠNG TINH THỂ
**
Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên gọi là cấu trúc của tinh thẻ lý tưởng vì khi xen
kẽ đã bỏ qua dao động nhiệt và các sai hỏng trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion,
phân tử). những sai hỏng đó được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng và nội
dung phần này muốn đề cập đến điều đó .
Một số tính chất của vật rắn tinh thể như môđun Young (E), hệ số giãn nở nhiệt,
tính chất từ,…chỉ phụ thuộc chủ yếu vào dạng và lực liên kết , mà hầu như không thay đổi
do sai lệch mạng. Ngược lại, đối với một số tính chất khác như hành vi của tinh thể dưới
tác dugnj ngoại lực (biến cứng, biến dạng dẻo, xem chương 4), độ dẫn nhiệt của các chất
cách điện, bán dẫn, …thì sai lệch mạng đóng vai trò rất quan trọng.
Phụ thuộc vào kích thươc theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành:
sai lệch điểm, đường, mặt và khối.
1.5.1.sai lệch điểm.
Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều
không gian (hình 1.28).Một số sai lệch điển hình là nút trống,nguyên tử xen kẽ,nguyên tử
tạp chất.
[33]
**1.5.1.1.Nút trống và nguyên tử xen kẽ.
**
Trong tinh thể,nguyên tử luôn tham gia dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của
nút mạng.Ở nhiệt độ T xác định,năng lượng dao động của mỗi nguyên tử tuân theo lí
thuyết thống kê Maxwell_boltzman nên không giống nhau.khi một số nguyên tử nào đó có
năng lượng cao,với biên độ dao động lớn.Chúng có khả năng bứt khỏi nút mạng,để lại nút
mạng không có nguyên tử,gọi là nút trống (hình 1.28a,b).sau khi rời khỏi nút mạng,nguyên
tử có thể chuyển sang vị trí giữa các nút (cơ chế tạo nút trống Frenkel) (hình 1.28a)tạo ra
sai lệch điểm dạng nguyên tử xen kẽ.Cơ chế thứ hai gọi là cơ chế tạo nút trống của
Schottky,khi nguyên tử rời vị trí cân bằng ra bề mặt tinh thể (hinh 1.28b).
Sự xuất hiện nút trống và nguyên tử xen kẽ luôn làm xuất hiện trường ứng suất hình
cầu (trường ứng suất kéo xung quanh nút trống và nén xung quanh nguyên tử xen
kẽ).Năng lượng tạo nguyên tử xen kẽ lớn hơn nhiều so với tạo nút trống (trong kim loại
tương quan này vào khoảng 7:1) vi vậy nồng độ thực tế nguyên tử xen kẽ ít hơn nhiều so
với nút trống (bảng 1.7) và chúng ít ảnh hưởng đến tính chất của mạng tinh thể.
Mật độ nút trống có thể biểu diễn theo công thức:
Trong đó n,N _Số nút trống và số nút mạng;
Q _ năng lượng tạo nút trống;
k _hằng số Boltzman;
[34]
**T _ Nhiệt độ tuyệt đối.
**
Như vậy nồng độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ,tăng nhanh theo
nhiệt độ và có giá trị lớn nhất ở kim loại lỏng.
Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại (hợp
kim) ở trạng thái rắn .Vì vậy có ý nghĩa quan trọng thực tế,ví dụ,khi ủ đồng đều hóa thành
phần hợp kim sau khi nấu luyện hoặc khi hóa già dung rắn quá bão hòa (xem 3.3 ,
3.4).Ngoài ra nó cũng ảnh hưởng đến chuyển động (leo)của lệch trong quá trình biến dạng
dẻo ở nhiệt độ cao (hiện tượng dão nhiệt độ cao,xem mục 4.5.4).
1.5.1.2.Nguyên tử tạp chất.
Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối.Các công nghệ nấu
luyện hiện đại nhất trong phòng thí nghiệm cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch khoảng
99,999% hoặc cao hơn một chút .Phụ thuộc vào kích thước các nguyên tử tạp chất có thể
thay thế nguyên tử nền ở nút mạng (hình 1.28d) hoặc xen kẽ giữa các nút (hình 1.28c)
(xen kẽ của nguyên tử tạp chất khác so với các nguyên tử “tự xen kẽ” ở mục 1.5.1.1).Đây
cũng là sai lệch điểm và luôn kèm theo trường ứng suất hình cầu xung quanh.
Nguyên tử xen kẽ dễ khuếch tán hơn so với nguyên tử thay thế vì không cần nút
trống làm trung gian (xem mục 3.4).
Các nguyên tử tạp chất,trong điều kiện xác định có thể tương tác và cản trở chuyển
động của lệch,vì chúng có ảnh hướng đến cơ chế,hình thái quá trình biến dạng dẻo,hóa bền
(xem mục 4.2 và mục 1.5.2).
Trong tinh thể đồng hóa trị,nguyên tử tạp chất ảnh hưởng đến tính chất điện.Ví
dụ,trong mạng Ge,bốn điện tử hóa trị tạo liên kết giữa các nút,nếu nguyên tử tạp chất As
(năm điện tử hóa trị) thay thế nguyên tử Ge,điện tử hóa trị thứ năm (thừa)của As sẽ được
tự do chuyển động dưới tác dụng điện trường ngoài.Ngược lại nếu nguyên tử tạp chất là
Ga (ba điện tử hóa trị) thì sẽ thiếu một điện tử cho liên kết,đó chính là cơ sở để chế tạo các
chất bán dẫn (dạng p hoặc n) từ Ge hoặc hay Si.
Sai lệch điểm trong mạng ion luôn mang tính phúc hợp.Cấu trúc mạng ion luôn
phải đảm bảo trung hòa điên tích,vì vậy một nút trống cation luôn tồn tại song somg với
một nút trống anion bên cạnh,đó là sai lệch điểm Schottky (hình 1.28e)hay một cation xen
kẽ sẽ ở cạnh một nút trống cation (hình 1.28f): sai lệch điểm Frenkel.
Nồng độ sai lệch điểm trong mạng ion ảnh hưởng đến đọ dẫn điện của vật rắn ion.
Cuối cùng cần nói thêm rằng,trong thực tế thì rất ít khi sử dụng kim loại tinh khiết
mà thường chế tạo hợp kim bằng cách hòa tan một nguyên tố khác (“tạp chất cố ý”) vào
kim loại nền.Nguyên tử của nguyên tố hợp kim sẽ sắp xếp theo cách xen kẽ hoặc thay thế
như trên trong mạng tinh thể,tạo dung dịch rắn xen kẽ hoặc thay thế (xem mục 2.2).
[35]
**1.5.2. Sai lệch đường.
**
Sai lệch đường,về sau sẽ được gọi là lệch (dislocation) là loại sai lệch có kích thước
nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và rất lớn theo chiều thứ ba trong tinh thể.
Lý thuyết lệch là cơ sở lí thuyết độ bền,bộ phận quan trọng của vật lí chất rắn nói
chung và vật lí kim loại nói riêng.Dựa vào lí thuyết lệch ngày nay đã có thể giải thích
nhiều vấn đề về cơ tính,lí tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không giải thích được
bằng lí thuyết cổ điện.Hơn nữa lí thuyết lệch cho phép mở ra triển vọng mới ,to lớn trong
việc chế tạo kim loại và hợp kim có những tính chất đặc biệt (ví dụ,độ bền cao,tính siêu
dẻo).
1.5.2.1.Những khái niệm chung
a) Lệch biên
Có thể hình dung bằng cách chèn them một nửa mặt phẳng nguyen tử ABCD vào
nửa phần trên của tinh thể lí tưởng (hình 1.29a). Sự xuất hiện thêm nửa mặt làm cho các
mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên không hoàn toàn song song với nhau
nữa.Nửa tinh thể trên phía đường AB sẽ chịu một ứng suất nén, nửa dưới ứng suất kéo
(hình 1.29 a,b). Đường AB có chiều dài hàng vạn hằng số mạng,gọi là trục lệch,là biên
giới phía trong của nửa mặt ABCD ,vì vậy gọi là lệch biên. Nếu ngửa mặt nằm phía
trên,lệch biên được gọi là lệch dương kí hiệu là ┴ (hình 1.29b) trong trường hợp ngược lại
sẽ có lệch âm, kí hiệu dấu T.
Cũng có thể hình dung lệch biên được tạp bằng cách trượt ép mô tả trên hình 1.29
như sau: Cắt tinh thể theo mặt phẳng P (hình 1.29c),ép phần phía trên mặt P sao cho phía
phải dịch đi một đoạn bằng hằng số mạng,phía trái vẫn giữ nguyên vị trí cũ.Kết quả nhận
được (hình 1.29d) cũng giống mô hình biểu diễn ở hình 1.29b, mặt phẳng p,chứa trục lệch
gọi là mặt trượt.
[36]
**Hình 1.29 Mô hình tạo lệch trong mạng tinh thể
**
b)Lệch xoắn
Có thể hình dung bằng mô hình trượt ép (hình 1.30) cắt tinh thể lí tưởng theo một
nửa mặt phẳng ABCD (hình 1.30a),xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau sao cho các
nguyên tử mặt ngoài xê dịch một đoạn bằng hằng số mạng theo đường CD; như vậy các
nguyên tử sẽ sắp xếp lại quanh AB theo đường xoắn ốc (hinh 1.30b), AB goi là trục của
lệch xoắn.
**Hình 1.30 Mô hình tạo lệch xoắn (b) và sự sắp xếp các nguyên tử xung quanh
**
đường lệch xoắn (c)
[37]
**Lệch xoắn phải được kí hiệu ,nếu đường xoắn ốc nguyên tử xung quanh trục lệch
**
theo chiều kim đồng hồ,ngược lại sẽ có lệch trái.Mặt ABCD mặt trượt của lệch xoắn.Xung
quanh lêch xoắn cũng tồn tại trường ứng suất đàn hồi.Có thể có so sánh vị trí các mặt
phẳng tinh thể trong mạng lí tưởng,chứa lệch biên.và lệch xoắn trên hình 1.31.
c)Lệch hỗn hợp
Trong thực tế rất nhiều trường hợp một lệch có đặc trưng của cả lệch biên và lệch
xoắn,đó là lệch hỗn hợp.Hình 1.32 biễu diễn cách tạo lệch hỗn hợp bằng trượt ép.Đường
AC là trục lệch ,các thành phần biên (CC’)và xoắn (AA’)cũng như mô hình sắp xếp
nguyên tử xung quanh trục lệch được biểu diễn trên hình 1.32b.
**d)Đặc trưng về hình thái của lệch
**
Có thể tưởng tượng dễ dàng rằng do trật tự sắp xếp nguyên tử bị phá vỡ,yinh thể
xung quanh lệch bị biến dạng,càng gần đường lệch,biến dạng càng lớn.vùng tinh thể xung
quanh đường lệch (trục lệch) với bán kính cỡ hằng số mạng gọi là lõi lệch (tâm
lệch).vecto Bugers ( b) là vector đặc trưng độ xô lệch mạng,xác định phần năng lượng tự
do gia tăng khi có lệch (xem mục 1.5.2.2a).
Có thể xác định vecto Bugers như sau:Trên mặt ngoài tinh thể lí tưởng chọn nút A
bất kì làm điểm xuất phát,lần lượt nối vecto từ A đến các nút khác,theo chiều tùy ý để tạo
một vòng vecto khép kín xung quanh đường lệch gọi là vong Bugers ( hình 1.33a).
Nếu vẽ lại vòng Bugers này trên mặt ngoài tinh thể thực chứa lệch (hình 1.32b,c) nó
sẽ không khép kín,vecto BA =b là vecto cần thiết để khép kín vòng Bugers gọi là vecto
Bugers.
Lệch biên có vecto Bugers vuông góc với đường lệch,còn vecto Bugers của lệch
xoắn song song với đường lệch,vecto b của lệch hỗn hợp sẽ có cả hai thành phần.
Gía trị của vecto Bugers được tính bằng :
[38]
**Trong đó a – hằng số mạng:
**
U,v,w _ chỉ số phương tinh thể chứa b
Nếu : n =1,ta có lệch đơn vị
n = số nguyên :lệch hoàn chỉnh
n # số nguyên :lệch không hoàn chỉnh.
Mật độ lệch,kí hiệu p,là tổng chiều dài trục lệch trong một đơn vị thể tích của tinh
thể,thứ nguyên .Bảng 1.8 cho giá tri mật độ lệch trong một số kim loại và tinh thể ion.
1.5.2.2.Năng lượng và chuyển động của lệch
a) Năng lượng của lệch (F)
Năng lượng của lệch là phần gia tăng năng lượng tự do của mạng do trường biến
dạng đàn hồi xuất hiện xung quanh lệch,được tính bằng :
Trong đó a hệ số có giá trị từ 0,5 đến 1:
G _ môdun trượt,đặc trưng liên kết (khả năng chống lại trượt) của mạng tinh
thể
b _ giá trị của vecto Bugers
L _ chiều dài lệch.
Từ ( 1.49) có nhân xét :
lệch với:
Khác với sai lệch điểm,năng lượng của lệch không phụ thuộc vào nhiệt độ.
E tỉ lệ với chiều dài lệch,vì vậy luôn tồn tại lực căng T tác dụng theo đường
[39]
**Nhằm kéo duỗi thẳng đường lệch,giảm năng lượng tự do.Hiệu ứng này có ý nghĩa
**
quan trọng trong tương tác giữa lệch và chướng ngại khi nó chuyển động dưới tác dụng
của ứng suất bên ngoài (xem mục 1.5.5,4.2.3 và 4.7).
- E tỉ lệ với bình phương vecto Bugers (b) vì vậy lệch với vecto nb luôn có
xu hướng phân li thành n lệch với vecto bn để giảm năng lượng tự do vì (nb)
Ví dụ :
=
+
hoặc
+
=
+
…..Kết quả của các phản ứng lệch phân
**ly hoặc tổng hợp có thể tạo ra những lưới lệch trong mạng tinh thể.
**
Lệch có thể tương tác lẫn nhau (hút nhau khi khác dấu, đẩy nhau khi cùng
dấu) vì vậy chúng có thể huỷ lẫn nhau (khi cùng vectơ b nhưng khác dấu) hoặc tạo ra
những tường lệch, bậc lệch, vòng lệch.
-
Cuối cùng, lệch cũng có tương tác với các loại khuyết tật khác (Xem mục
1.5.5) nên có ảnh hưởng đến tính dẻo, độ bền của tinh thể.
-
**b) Chuyển động của lệch
**
Một khác biệt giữa lệch và khuyết tật điểm là lệch cân bằng về nhiệt động
kém hơn. Vì vậy nó luôn có xu hướng chuyển động.
Giả sử có một lệch biên (hình 1.34a) trong tinh thể, dưới tác dụng ứng suất
ngoài t,lệch sẽ chuyển động theo cơ chế trượt trên mặt trượt P. Lúc đó nửa mặt phẳng thừa
(A trên hình 1.35a.d) sẽ lần lượt đổi chỗ cho những nửa mặt khác đứng trước nó ở phía
trên mặt P, theo cơ chế “tiếp sức” (hình 1.34b,e,f) cho đến khi ra đến mặt ngoài, tạo một
bậc biến dạng bằng giá trị b (hình 1.34c.g)
Ngoài trượt như trên, lệch còn có thể leo khi nó thay đổi mặt phẳng chứa nó
(mặt trượt). Chuyển động leo cả chỉ xảy ra với lệch biên.
Giả sử trong tinh thể chỉ có lệch, chúng tồn tại độc lập, không ảnh hưởng lẫn
nhau và không có các khuyết tật khác thì lực tác dụng tối thiểu (fth) cần cho lệch chuyển
động (tinh thể bắt đầu biến dạng dẻo) là :
fth ≥ fp =
exp (9--
. )
( 1.51)
**trong đó : b – Vectơ Burgers
**
G - Mô đun trượt
µ - Hệ số Poisson
α - khoảng cách giữa các mặt nguyên tử, song song với mặt trượt
b’ - khoảng cách giữa các nguyên tử theo phương trượt
[40]
**fp - lực Peierls-Nabarro, có nghĩa tương tự lực ma sát trong chuyển
**
động của lệch.
Từ (1.51) thấy rằng theo mặt và phương xếp chặt nhất của tinh thể, tại đó
đạt giá
trị max, fp là min, lệch chuyển động dễ dàng nhất, tinh thể dễ biến dạng nhất (xem mục
4.2).
Từ những nội dung đã trình bày,có thể rút ra rằng tốc độ biến dạng dẻo (έ) phụ
thuộc vào chuyển động của lệch. Theo Orowan, quan hệ đó như sau :
έ = ρ.b.ν
(1.52)
**trong đó : ρ - mật độ lệch
**
b – giá trị vectơ Burgers
ν - tốc độ chuyển động của lệch.
Những khái niệm cơ bản về lệch vừa mô tả là cơ sở của lý thuyết độ bền, cho phép
giải thích những tính chất như dẻo, độ bền, phá huỷ, dão…sẽ được đề cập tỉ mỉ ở chương
4.
1.5.3 SAI LỆCH MẶT
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ
ba. Trong tinh thể, sai lệch mặt chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp,
mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể.
1.5.3.1. Biên giới hạt và siêu hạt
a) Biên giới hạt
Biên giới hạt là vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể ( xem mục 1.6). Các
nguyên tử ở biên giới hạt không sắp xếp theo trật tự mạng và có thể coi là vùng cấu trúc vô
định hình. Sức căng bề mặt biên giới hạt (γ) đặc trưng phần gia tăng năng lượng tự do ở
vùng biên giới so với các vùng phía trong để duy trì sự cân bằng nguyên tử bề mặt. Hình
1.35 là mô hình sắp xếp nguyên tử trên biên giới hạt (hình 1.25a.b) và ảnh chụp tế vi biên
giớihạt trong vật liệu đa tinh thể (hình 1.35c)
[41]
Chiều dày biên giới hạt phụ thuộc vào dộ sạch của kim loại hoặc vật liệu, có thể
đạt giá trị hàng trăm lần hằng số mạng. Kim loại càng tinh khiết, biên giới hạt càng mỏng.
Do cấu trúc không tinh thể, tính chất của biên giới hạt so với cấu trúc tinh thể như
sau :
Có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với vùng bên trong, vì vậy ở nhiệt độ cao
biên giới hạt dễ bị chảy dẻo, gây hiện tượng “ bở nóng”.
-
Hoạt tính hoá học cao hơn, dễ bị ăn mòn hoá học. Dựa vào đặc tính này,
dùng phương pháp tẩm thực để phát hiện biên giới hạt trên kính hiển vi quang học hoặc
kính hiển vi điện tử quét.
-
Biên giới hạt có tương tác mạnh với các loại sai lệch khác (nguyên tử tạp
chất, nút trống lệch), vì vậy quá trình khuyếch tán ở đây xảy ra mạnh hơn so với vùng bên
trong. Trong chuyển pha, biên giới hạt là nơi dễ tạo tâm mầm nhất.
-
**Biên giới hạt ảnh hưởng đến điện trở suất vì nó tán xạ điện tử dẫn. Ngoài ra,
**
lệch rất khó vượt qua biên giới hạt ở nhiệt độ thấp vì vậy kim loại có kích thước hạt càng
nhỏ (biên giới hạt càng nhiều) điện trở suất và độ bền càng cao ( xem mục 1.5.5.3)
-
**b) Biên giới siêu hạt
**
Siêu hạt (block) là những vùng tinh thể nhỏ (kích thước
trung bình 102 – 104), với cấu trúc tinh thể khá hoàn chỉnh định
hướng lệch nhau một góc nhỏ, ngăn cách bằng biên giới siêu
hạt.
Biên giới siêu hạt thực chất là những tường lệch, tạo nên
do các lệch cung dấu, tương tác lẫn nhau khi chúng trượt trên
những mặt trượt song song (xem mục 1.5.2.2b) và giữ nhau ở
vị trí cân bằng ( hình 1.36). Hai siêu hạt lân cận định hướng
lệch nhau một góc Ө :
Ө=
Trong đó D – là khoảng cách trung bình giữa các lệch
biên cùng dấu trên trường lệch.
Biên giới siêu hạt thường xuất hiện trong quá trình kết tinh lại (xem mục 4.2.6), có
tác dụng cản trở lệch trượt và tương tác với các loại sai lệch điểm khác nên cũng đóng vai
trò trong tính dẻo của vật liệu.
1.5.3.2. Sai lệch xếp, mặt đối tinh
Sai lệch xếp (SLX), (còn gọi là khuyết tật xếp) là sự phá vỡ trậ tự xếp chặt của tinh
thể ( xem mục 1.3.4.2). Giả sử mạng A1 có trật tự sắp xếp là ABCABCABC, vì lý do nào
[42]
đó, trật tự đó bị phá vỡ, ví dụ thừa một lớp xếp chặt đểcó SLX thừa ABAC…(hình 1.37a).
Nếu trong trật tự sắp xếp thiếu một lớp, sẽ tạo SLX thiếu (ví dụ ABCABABC , hình 1.37b)
Sai lệch xếp đặc trưng bằng năng lượng γslx , gọi là năng lượng SLX (phần gia tăng
năng lượng tự do có SLX).
SLX luôn giới hạn với vùng xung quanh bằng những lệch không hoàn chỉnh
,
**(hình 1.37c). Ở điều kiện cân bằng, độ rộng (d0) của SLX là:
**
d0=
Trong đó : G – môđun trượt
h2.h3 – vectơ Burgers của các lệch không hoàn chỉnh giới hạn SLX
γslx – năng lượng SLX.
SLX có vai trò rất lớn trong lĩnh vực hoá bền vật liệu (xem mục 4.6), vì vậy một
trong những phương hướng quan trọng nâng cao độ bền làhợp kim hoá, làm giảm γslx , tăng
độ rộng d0 ,tức là tăng cản trở chuyển động của lệch bằng SLX.
Mặt đối tinh thuờng tạo thành trong chuyển pha lỏng - rắn hoặc ở trạng thái rắn
(xem chương 3) cũng là một dạng của SLX. Ví dụ, tinh thể mạng A1 với trậ tự
ABCACBAC…(hình 1.38) gồm hai nửa tinh thể ở hai phía mặt A (lớp A) đối xứng gương
với nhau ( hình 1.38a). Như vậy chũng sẽ định hướng lệch nhau một góc Ө xác định. Mặt
A là mặt đối tinh, cũng có tác dụng cản trở chuyển động của lệch. Trên tổ chức tế vi, các
mặt đối tinh thể hiện bằng các đường song song (hình 1.38b)
1.5.3.3. Cấu trúc mặt ngoài tinh thể
Mặt ngoài tinh thể có hình thái tồn tại khác so với những mặt phẳng tinh thể ở bên
trong. Có thể tưởng tượng dễ dàng rằng đối với các nguyên tử ở mặt ngoài (mặt giới hạn
tinh thể) không có đủ số sắp xếp như các nguyên tử bên trong, vì vậy ở mặt ngoài chúng
không sắp xếp theo trật tự “ quy định” của tinh thể (hình 1.39) và tạo thành vùng sai lệch.
Sức căng bề mặt tinh thể (năng lượng bề mặt) đặc trưng phần gia tăng năng lượng tự do để
giữ các nguyên tử bề mặt ở trạng thái ổn định.
Do đặc điểm cấu trúc sai lệch cho nên lớp
mặt ngoài tinh thể cũng có những tương tác đặc
biệt với các loại sai lệch khác.
1.5.4 SAI LỆCH KHỐI
Những sai lệch có kích thước lớn
theo ba chiều trong mạng tinh thể gọi là sai lệch
khối. Sai lệch khối vĩ mô là những sai hỏng sinh ra
[43]
khi nấu, đúc hợp kim như rỗ co, tập trung tạp chất, xỉ trong vật đúc. Từ khía cạnh “vi mô”
có thể kể những sai lệch khối như các pha thứ hai tạo thành khi tiết pha từ dung dịch rắn.
Đây là những sai lệch “cố ý“ được tạo ra với mục đích nâng cao độ bền, cải thiện tính chất
theo ý muốn. Tuỳ thuộc vào cấu trúc, hình thái tồn tại, kích thước (hình 1.40) mà hiệu quả
hoá bền của những pha thứ hai này sẽ khác nhau (xem mục 1.5.5.4 và mục 4.7.3).
1.5.5. VAI TRÒ CỦA SAI LỆCH ĐỐI VỚI TÍNH CHẤT
Sự có mặt của sai lệch mạng tinh thể và tương tác giữa chúng ảnh hưởng đến tính
chất của vật liệu. Vai trò của chúng đã được giới thiệu sơ bộ khi mô tả từng loại ở trên.
Quan hệ giữa sai lệch và các tính chất cơ học, vật lý và hóa học của vật liệu sẽ được trình
bày ở các chương 4, 5 và 6.
Để giải thích tính chất cơ học (tính dẻo, độ bền, độ cứng …)cần phải dựa vào lý
thuyết độ bền, trong đó các mô hình cấu trúc vi mô được áp dụng để lý giải kết quả thực
tế. Nhũng vấn đề đó sẽ được đề cập ở chương4, Ở đây, muốn nhấn mạnh một số ví dụ điển
hình về tương tác giữa lệch với nhau và với các sai lệch khác trong hành vi cơ tính của vật
liệu.
1.5.5.1. Tương tác giữa các lệch và khái niệm về hoá bền
Xét cơ chế biến dạng dẻo thông dụng là trượt của lệch (xem mục 4.2). Ở mức độ
gần đúng, tốc độ biến dạng dẻo έ có thể xác định theo biểu thức (1.52). Trong biến dạng sẽ
có hai hiệu ứng ngược nhau xảy ra :
Mật độ lệch (ρ) tăng do các nguồn khác nhau hoạt động như biên giới hạt,
nguồn Frank – Read (hình 4.9b)…làm tăng έ.
-
Mặt khác khi ρ tăng, tương tác giữa lệch với nhau và với các sai lệch khác
tăng mạnh, làm ν giảm đáng kể, muốn duy trì έ = const, cần tăng ứng suất bên ngoài một
đại lượng dσ, đó chính là hiệu ứng hoá bền biến dạng sẽ được xét ở mục 4.2.3. Hệ số hoá
-
bền biến dạng
đặc trưng bởi độ nghiêng đường cong σ – έ trên giản đồ thử kéo.
Cơ sở của tất cả các phương pháp hoá bền vật liệu tinh thể là làm giảm tốc
đọchuyển động (ν) của lệch.
Trượt gặp các lệch trong mặt trượt giao nhau khác, trên mỗi lệch hình thành
một bậc lệch. Bậc cản trở chuyển động lệch hoặc khi cùng chuyển đông với lệch sẽ sinh
ra khuyết tật điểm hoặc các vòng lệch ở phía sau nó, gây hoá bền ( hình 1.41)
**1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể
**
1.6.1 Đơn tinh thể
Đơn tinh thể (hình 1.20a): là một khối chất rắn có mạng đồng nhất (cùng kiểu và
hằng số mạng), có phương mạng không đổi trong toàn bộ thể tích. Trong thiên nhiên: một
[44]
số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể . Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình
dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt
nhất). Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công
nghệ "nuôi" đơn tinh thể .
Đặc điểm: có tính chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt
nguyên tử khác nhau. Đơn tinh thể chỉ được dùng trong bán dẫn.
1.6.2 Đa tinh thể
Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều
(đơn) tinh thể nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể, các hạt có cùng cấu trúc và thông số
mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liê n kết với nhau
qua vùng ranh giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như đã trình bày ở hình 1.20b.
Từ mô hình đó thấy rõ:
- Mỗi hạ t là một khối tinh thể
hoàn toàn đồng nhất, thể hiện tính dị
hướng.
- Các hạt định hướng ngẫu nhiên
với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng
hướng
- Biên hạt chịu ảnh hưởng của các
hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung
gian” và vì vậy sắp xếp không trật tự (xô
lệch) như là vô định hình, kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt.
- Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kính hiển vi quang học (hì
nh 1.20c).
+ Độ hạt của tinh thể
Độ hạt có thể quan sát định tính qua mặt gãy, để chính xác phải xác định trên tổ
chức tế vi. Cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1,
2...., 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng. Cấp hạt
N=3,322lgZ+1, với Z là số hạ t có trong 1inch2 (2,542≈ 6,45cm2) dưới độ phóng đại 100
lần.
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại
(thường là x100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi.
Biên giới siêu hạt
[45]
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạ t (kích thước hàng chục - hàng trăm µm) với
phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (hàng chục độ), đến lượt mỗi hạ t nó cũng gồm
nhiều thể tích nhỏ hơn (kích thước cỡ 0,1 ÷ 10µm) với phương mạng lệch nhau một góc
rất nhỏ (≤ 1-2o) gọi là siêu hạ t hay block (hình 1.20d). Biê n giới siêu hạ t cũng bị xô lệch
nhưng với mức độ rất thấ p.
1.6.3 Textua
**Hì nh 1.22. Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi
**
(vectơ V biểu thị h−ớng kéo, trục textua là [111]).
Do biế n dạng dẻ o làm phương mạng định hướng tạo nên textua. Ví dụ, khi kéo
sợi nhôm (hình 1.22), tinh thể hình trụ khi đúc, khi phủ. Cấu trúc đa tinh thể có textua →
vật liệu có tính dị hướng. ứng dụng cho thép biến thế, tính chất từ cực đại theo chiều
textua, cực tiểu theo phương vuông góc → giảm tổn thất.
[46]
Chương 4
TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU
4.1. TÍNH CHẤT ĐIỆN
4.1.1. SỰ DẪN ĐIỆN
4.1.1.1. Độ dẫn điện
Một trong những đặc tính điện quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn
điện của nó. Hình 5.1 nêu sơ đồ bố trí thí nghiệm đo độ dẫn điện. Theo định luật Ohm,
cường độ dòng điện I liên hệ với điện áp ( hiệu số điện thế ) U theo biểu thức:
U= I R ,( 5.1)
Trong đó R- điện trở của mẫu vật liêụ mà dòng điện chạy qua. Giá trị của R phụ
thuộc vào hình dạng mẫu đo và đối với nhiều loại vật liệu, không phụ thuộc vào cường độ
dòng điện
Điện trở suất
biểu thức:
**không phụ thuộc và hình học của mẫu đo nhưng liên hệ với R qua
**
=
( 5.2)
**Trong đó l - khoảng cách giữa hai điểm đo điện áp;
**
s- tiết diện vuông gócvới hướng dòng điện
độ dẫn điện
là nghịch đảo của điện trở suất:
Biểu thị khả năng dẫn điệncủa vật liệu. Đơn vị đo
(5.3)
là: (
)-1
**Cùng với phương trình ( 5.1 ), định luật Ohm còn có thể biểu diễn dưới dạng vi
**
phân :
J=
( 5.4)
**Trong đó J= I/S- mật độ dòng điện, tức là dòng điện đi qua một đơn vị diện tích tiết
**
diện mẫu, còn
cường độ điện trường.
E=
(5.5)
**Các vật liệu rắn có độ dẫn điện trải rộng trên 27 cỡ số , có lẽ không có một tính chất
**
vật lý nào khác có được dải biến đổi rộng như thế!. Thực vậy, căn cứ vào khả năng dẫn
điện các vật liệu rắn được phân thành 3 loại: dẫn điện, bán dẫn và điện môi ( cách điện .
Các kim loại là những chất dẫn điện tốt, thường có độ dẫn điện cỡ 107 (
liệu có độ dẫn điện trung gian, nói chung từ 10-6 đến 104 (
chất bán dẫn.
)-1 . Các vật
)-1), được gọi là những
Dòng điện tạo thành do chuyển động của các hạt mang điện tích dưới tác dụng lực
của một điện trường ngoài đặt vào. Các hạt mang điện dương được gia tốc theo hướng của
[47]
điện trường , còn các hạt mang điện âm thì theo hướng ngược lại. Trong phần lớn các vật
liệu rắn, dòng điện được tải bởi các dòng điện tử, đó là sự dẫn điện bằng điện bằng điện
tử. Ngoài ra, trong các vật liệu ion, sự chuyển động thuần túy của các ion cũng có thể tạo
ra dòng điện, gọi là sự dẫn điện bằng ion. Dưới đây ta chỉ nói sự dẫn điện bằng điện tử,
còn dẫn điện bằng ion sẽ được nêu tóm tắt trong mục 5.1.3
4.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng trong các vật rắn
Trong tất cả các chất dẫn điện, bán dẫn và trong nhiều vật liệu điện môi, chỉ tồn tại
sự dẫn điện bằng điện tử và độ dẫn điện này phụ thuộc mạnh vào số lượng các điện tử có
khả năng tham gia dẫn điện. Tuy nhiên không phải mọi điện tử trong nguyên tử đều đều
được gia tốc khi có mặt điện trường. Trong một loại vật liệu đã cho, số điện tử có khả
năng dẫn điện liên quan tới sự xắp xếp các trạng thái điện tử ( hay là mức năng lượng
điện tử ) và còn với cách thức mà các điện tử chiếm lĩnh trong các trạng thái đó. Sự khảo
sát cơ bản về các vấn đề này khá phức tạp, cần vận dụng nguyên lý của cơ học lượng tử,
điều đó vượt qua khỏi khuôn khổ của cuốn sách này. Cách trình bày dưới đây bỏ qua một
số khái nịêm đơn giản và đơn giản hoá một số khái niệm khác.
Trong riêng mỗi nguyên tử tồn tại các mức năng lượng gián đoạn. Các điện tử sắp
xếp thành các tầng ( cùng với các số lượng tử chính m= 1,2,3... ) và các lớp được chỉ bởi
các chữ s, p, d, và f (ứng với các số lượng tử quỹ đạo
). Trong mỗi lớp
**lại có tương ứng 2 +1= 1.3,5 v à 7 “quỹ đạo” khác nhau. Trong số phân tử, điện tử
**
chiếm lĩnh, các trạng thái có năng lượng thấp nhất, cứ hai có spin đối song chiếm một: “
quỹ đạo”. Phù hợp với nguyên lý loại trừ. Cấu hình lượng tử của một nguyên tử cô lập
biểu thị sắp xếp điện tử vào các trạng thái cho phép.
Ta hãy ngoại suy một số quan hệ quan niệm cho các vật liệu rắn. Một chất có thể
xem như cấu tạo bởi một số lớn, giả sử là N nguyên tử, được đưa vào sắp xếp với nhau có
trật tự trong một mạng tinh thể. Ở những khoảng cách tương đối xa, mỗi nguyên tử là độc
lập với các nguyên tử khác và sẽ có mức năng lượng trong nguyên tử và cấu hình điện tử
giống như nguyên tử đứng cô lập. Tuy nhiên, khi các nguyên tử càng xích lại gần nhau thì
các điện tử càng bị kích thích ( hay là nhiễu loạn) bởi các điện tử và các hạt nhân của các
nguyên tử lân cận. Ảnh hưởng này làm cho mỗi một trạng thái điện tử trong nguyên tử
riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng thái điện tử nằm sát nhau, hình thành nên
một vùng năng lượng điện tử. Sự giãn ( mở rộng ) từ một mức năng lượng điện tử trong
nguyên tử hình thành một vùng năng lượng trong vật rắn tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa
các nguyên tử, sự giãn này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên tử bởi vì chúng bị
nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lại với nhau ( hình 5.2 ). Trong mỗi vùng
các mức năng lượng vẫn là gián đoạn, tuy nhiên khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết
sức nhỏ. Ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tạo thành vùng năng lượng có thể xảy ra
với các lớp điện tử gần hạt nhân nhất, như minh hoạ trên hình 5.2 b. Ngoài ra giữa các
[48]
vùng kề nhau có thể tồn tại những khe năng lượng ( hay còn gọi là những vùng cấm):
bình thường thì các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong
các khe này. Cách thức thông thường để biểu diễn cấu trúc vùng năng lượng điện tử trong
vật rắn chỉ như trên hình 5.2a.
Số các trạng thái năng lượng điện tử ( hay là số mức năng lượng điện tử) trong mỗi
vùng sẽ bằng tổng số tất cả những trạng thái do N nguyên tử đóng góp.
Chẳng hạn vùng s sẽ chiếm N trạng thái, còn vùng p chứa 3N trạng thái , mỗi một
trạng thái năng lượng điện tử có thể chứa đựơc hai điện tử, chúng phải có spin đối song.
Khi xếp tất cả các các điện tử vào mức năng lượng sẽ xuất hịên các vùng còn trống và
cũng có thể xuất hiện những vùng chỉ bị lấp đầy một phần.
Các tính chất điện của vật rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử của
nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện
tử . Theo quan điểm này, vùng chứa các điện tử có năng lượng cao nhất ( hay các điện tử
hoá trị ) được gọi là vùng hoá trị . Còn vùng dẫn sẽ là vùng có năng lượng cao hơn kề trên
đó mà trong đa số các trường hợp, về cơ bản là bỏ trống. Ở nhiệt độ 0K, có thể có bốn kiểu
cấu trúc vùng khác nhau. Ở loại thứ nhất ( hình 5.3a ). Vùng hoá trị chỉ mới bị lấp đầy một
phần . Năng lượng ứng với mức cao nhất đó bị chiếm ở 0K được gọi là năng lượng Fermi
EF. Đây là cấu trúc vùng điển hình cho các kim loại, đặc biệt là các điện tử kim loại có một
hoá trị s đứng đơn lẻ ( ví dụ đồng ). Mỗi nguyên tử Cu có một điện tử 4s . Vùng 4s có khả
năng chứa tới 2N điện tử. Như vậy chỉ mới có một nửa số mức năng lượng có trong vùng
hoá trị 4s là bị lấp đầy.
Ở loại cấu trúc vùng thứ hai, cũng tìm thấy trong các kim loại ( hình 5.3b. ) vùng
hoá trị bị lấp đầy còn phủ lên cả vùng dẫn: vùng này nếu như không bị phủ thì hoàn toàn
còn trống. Magiê có cấu trúc vùng kiểu này. Mỗi nguyên tử Mg có hai điện tử hoá trị 3s
nhưng khi tạo thành vật rắn thì các vùng 3s và 3p phủ lên nhau. Trong trường hợp này ở
0K, năng lượng Fermi được chấp nhận mà mức dưới đó có N nguyên tử, N trạng thái bị
chiếm, cứ hai điện tử chứa một trạng thái.
Hai cấu trúc vùng cuối cùng tương tự như nhau: ở mỗi cấu trúc tất cả các trạng thái
trong vùng hoá trị đều bị điện tử chiếm hết. Tuy nhiên ở đây không có sự dẫn phủ với
vùng còn trống; điều này tạo ra một khe năng lượng xen ở giữa. Đối với các kim loại rất
tinh khiết, các điện tử không thể có năng lượng ở trong khe này. Sự khác nhau giữa hai cấu
trúc vùng là ở độ lớn của khe năng lượng. đối với vật liệu cách điện, khe vùng tương đối
rộng ( hình 5.3.c ). Năng lượng Fermi đối với hai cấu trúc vùng này nằm ở chính giữa khe.
4.1.1.3. Tính chất dẫn điện liên quan với mô hình vùng và liên kết nguyên tử .
Chỉ có những điện tử nào có năng lượng lớn hơn mức Fermi thì mới chịu tác dụng
và được gia tốc khi có mặt điện trường. Đây là những điện tử tham gia vào qúa trình dẫn
[49]
điện. Chúng được gọi là những điện tử tự do. Trong các chất bán dẫn và chất cách điện
còn tìm thấy một thực thể điện tử khác gọi là lỗ trống, có năng lượng thấp hơn EF và cũng
tham gia dẫn điện bằng điện tử. Như sau này sẽ thấy độ dẫn điện là một hàm số trực tiếp
của số điện tử tự do và lỗ trống, thêm nữa sự phân biệt giữa các chất dẫn điện và không
dẫn điện ( cách điện và bán dẫn ) nằm ở các hạt tải điện (điện tử tự do hoặc lỗ trống ).
Kim loại
Để cho điện tử trở nên tự do, cần phải kích thích nó lên một trong những trạng thái
năng lượng cho phép và còn trống ở trên EF . Đối với các kim loại có cấu trúc vùng như
hình 5.3a hoặc 5.3b đã sẵn có mức năng lượng trống nằm sát kề ngay mức bị chiếm cao
nhất tại EF . Do vậy chỉ cần một năng lượng rất nhỏ để đưa điện tử lên các trạng thái trống
nằm dưới như nêu trên hình 5.4. Nói chung năng lượng do một điện trường cung cấp là đủ
để kích thích được một số lớn điện tử lên những trạng thái dẫn điện này.
Theo mô hình liên kết kim loại, tất cả điện tử hoá trị đều có thể chuyển động tự do,
chúng tạo thành “ khí điện tử ” phân bố đồng đều khắp trong mạng lưới các lõi ion dương.
Mặc dù những điện tử này không bị liên kết định xứ với bất cứ một nguyên tử riêng rẽ
nào, chúng vẫn phải nhờ một kích thích nhất định mới có thể trở thành điện tử dẫn thực sự
tự do. Khi đó chỉ có một bộ phận bị kích thích cũng gây nên một số tương đối lớn điện tử
tự do và hậu quả có mật độ dẫn điện cao.
Cách điện bán dẫn
Đối với các chất cách điện và chất bán dẫn, không có những trạng thái còn trống
nằm ngay bên trên của vùng hoá trị đã đầy. Do đó để trở thành tự do các điện tử phải được
nâng mức vượt qua khe vùng năng lượng, nhảy vào trạng thái còn trống ở vùng dẫn. Điều
này chỉ có thể xảy ra bằng cách cấp cho điện tử một năng lượng bằng hiệu năng lượng
giữa hai trạng thái đó xấp xỉ bằng năng lượng khe E g .Quá trình kích thích này được biểu
diễn trên hình 5.5 . Đối với nhiều vật liệu, khe vùng này rộng vài Electronvon. Thường
năng lượng kích thích là từ nguồn phi điện như nhiệt hoặc ánh sáng.
Số các điện tử bị kích thích nhiệt chuyển lên vùng dẫn phụ thuộc vào bề rộng khe
và nhiệt độ. Tại một nhiệt độ đã cho Eg càng lớn thì sác xuất để chuyển điện tử lên một
trạng thái năng lượng nằm trong vùng dẫn càng thấp. kết quả là có ít điện tử dẫn hơn.
Vùng càng rộng thì độ dẫn điện càng thấp. Như vậy sự phân biệt giữa các chất bán dẫn và
các chất cách điện là ở chỗ rộng của các khe năng lượng: đối với các chất bán dẫn khe này
là hẹp , còn trong các chất cách điện thì lại khá rộng.
Tăng nhiệt độ của chất bán dẫn hoặc chất cách điện đều làm tăng năng lượng nhiệt
kích thích điện tử. Như vậy có nhiều có nhiều điện tử được nâng lên vùng dẫn, điều này
làm tăng độ dẫn điện.
[50]
Độ dẫn điện của các chất cách điện và các chất bán dẫn cũng có thể được nhìn nhận
từ góc độ mô hình liên kết nguyên tử. Đối với các vật liệu cách điện, liên kết giữa các
nguyên tử là liên kết ion hoặc liên kết đồng hoá trị mạnh. Như vậy các điện hoá bị gắn chặt
hoặc là phân chia vào các nguyên tử riêng lẻ. Nói cách khác, các điện tử định xứ cao và
không thể nào tự do di chuyển trong khắp tinh thể được. Còn liên kết trong các bán dẫn là
đồng hoá trị ( hoặc chiếm ưu thế đồng hoá trị ) và tương đối yếu, có nghĩa các điện tử hoá
trị không liên kết mạnh với nguyên tử. Hậu quả là các điện tử này dễ bị lấy đi bởi kích
thích nhiệt hơn là các điện tử hoá trị trong chất cách điện.
4.1.1.4. Độ linh động của điện tử
Dưới tác dụng lực của điện trường đặt vào, tất cả mọi điện tử tự do đều thu được
gia tốc theo hướng ngược với hướng điện trường đó. Theo cơ học lượng từ trong mạng
tinh thể hoàn hảo sẽ không xảy ra tương tác giữa điện tử đang gia tốc và các nguyên tử.
Trong điều kiện đó, tất cả mọi điện tử tự do được gia tốc chừng nào điện trường còn tác
dụng, do đó sẽ gây ra sự tăng liên tục của dòng điện theo thời gian. Tuy nhiên ta lại thấy
dòng điện đạt tới một giá trị không đổi ngay sau khi đặt điện trường, như là có một ” lực
ma sát “ chống lại sự gia tốc bởi điện trường ngoài. Những lực ma sát này là kết quả của
sự tán xạ của các điện tử bởi các sai lệch mạng tinh thể, bao gồm các nguyên tử tạp chất,
lỗ trống, các nguyên tử xen kẽ và ngay cả các dao động nhiệt của chính bản thân các
nguyên tử. Cứ mỗi một lần tán xạ lại làm cho điện tử một lần mất động năng và thay đổi
hướng chuyển động của mình, như minh hoạ trong . Tuy nhiên vẫn có một số chuyển động
nhất định của điện tử theo hướng ngược của điện trường và dòng điện tích này chính là
dòng điện.
Hiện tượng tán xạ được biểu thị như là lực cản đối với sự đi qua của dòng điện. Có
nhiều thông số được dùng để mô tả mức độ tán xạ, trong đó có tốc độ đẩy và độ linh động
của điện tử. Tốc độ đẩy vd biểu thị tốc độ trung bình của điện tử theo hướng lực tác dụng
của điện trường đặt vào. Nó tỷ lệ thuận với điện trường:
vd = µe .
( 5.6 )
**hằng số tỷ lệ µe đựơc gọi là độ linh động điện tử, có thứ nguyên m2/V.s.
**
độ dẫn điện σ của đa số các loại vật liệu có thể biểu thị bằng :
σ = n | e| µe.
( 5.7 ).
**ở đây n-số điện tử tự do tức địên tử dẫn trong một đơn vị thể tích;
**
|e|- giá trị tuyệt đối của diện tích một điện tử (1,6.10-9C)
Như vậy dộ dẫn địên tỉ lệ với số điện tử tự do và độ linh động điện tử.
[51]
**4.1.1.5 Điện trở của kim loại
**
Như đã nói ở trên, đa số các kim loai là những chất dẫn điện rất tốt; độ dẫn điện
ở nhiệt độ phòng của nhiều kim loại phổ thông nhất được cho trong bảng 5.1.
Bảng 5.1.Độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của các kim loại và các hợp kim phổ thông
Kim loại
Độ dẫn điện (Ω.m)-1
Bạc
6,8.107
Đồng
6,0.107
Vàng
4,3.107
Nhôm
3,8.107
Sắt
1,0.107
Đồng thau (70Cu – 30Zn)
1,6.107
Thép cácbon tấm
0,6.107
Thép không gỉ
0,2.107
**Sở dĩ kim loại có độ dẫn điện cao là vì chúng có một số lớn điện tử tự do đã được
**
kích thích lên các trạng thái trống nằm trên mức Fermi. Như vậy n trong trong biểu thức
(5.7) có giá trị lớn. Để tiện trình bày, dưới đây sử dụng khái niệm điện trở suất,nghịch đảo
của độ dẫn điện.Các khuyết tật mạng tinh thể chính là những tâm tán xạ đối với điện tử
dẫn trong kim loại, bởi vậy số khuyết tật tăng lên sẽ nâng cao điện trở suất (tức hạ thấp đọ
dẫn điện). Nồng độ các khuyết tật này phụ thuộc vào nhiệt độ ,thành phần và tốc độ kết
tinh của mẫu kim loại.Qua thực nghiệm đã chứng tỏ rằng các cơ chế tán xạ là độc lập và
điện trở suất toàn phần của một kim loại là tổng các đóng góp từ dao động nhiệt , tạp chất
và biến dạng đàn hồi:
ρ( Toàn phần )= ρt +ρi +ρd.
( 5.8 )
**Trong đó ρt, , ρi và ρd lần lượt là điện trở suất riêng của nhiệt, tạp chất và biến
**
dạng..Phương trình (5.8) đôi khi còn được gọi là quy tắc Mathiessen. Hình 5.7 nêu ảnh
hưởng của các tham số tới địên trở suất toàn phần.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Ở nhiệt độ khoảng trên 2000C, điện trở suất của kim loại nguyên chất và tất cả các
hợp kim đồng- niken cho trên hình 5.7 tăng tuyến tính theo nhiệt độ. Như vậy
ρt = ρ0 + aT,
( 5.9 )
[52]
**Trong đó ρ0 và a- là các hằng số cho riêng từng kim loại.
**
sự phụ thuộc này của thành phần điện trở suất vào nhiệt độ là do tăng theo nhiệt độ
của các dao động nhiệt và các khuyết tật khác trong mạng ( ví dụ, các nút trống ) được
xem là những tâm tán xạ điện tử.
Ảnh hưởng của tạp chất
Khi pha thêm một tạp chất đơn để tạo dung dịch rắn, điện trở suất tạp chất ρi liên
hệ với nồng độ tạp chất Ci ( tính bằng phần trăm nguyên tử ) như sau :
ρi = A Ci (1- Ci ).
Trong đó A - Một hằng số không phụ thuộc thành phần nhưng phụ thuộc cả tạp
chất và kim loại nền.
Hình 5.8 cho thấy ảnh hưởng của kẽm lên điện trở ở nhiệt độ phòng của dung dịch
rắn Cu – Zn (pha α). Các nguyên tử Zn trong Cu tác dụng như những tâm tán xạ, do đó sự
nâng cao điện trở suất.
Để tính gần đúng điện trở suất của một kim loại gồm hai pha α và β có thể sử dụng
biểu thức theo đúng quy tắc hỗn hợp sau đây:
ρi = ραVα + ρβVβ
(5.11)
Trong đó VαVβ v à ραρβ - phần trăm thể tích và điện trở suất riêng phần của các
pha tương ứng.
Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi
Biến dạng đàn hồi cũng làm tăng điện trở suất do tăng số lượng các tán xạ điện tử.
Ảnh hưởng của biến dạng lên điện trở suất được biểu thị trên hình 5.7
5.1.1.6. Đặc trưng điện của các hợp kim thương mại.
Tính chất điện và các tính chất khác của đồng khiến nó trở thành vật dẫn kim loại
được dùng rộng rãi nhất. Đồng OFHC có hàm lượng oxy và tạp chất khác rất thấp và độ
dẫn điện cao đã được dung cho nhiều ứng dụng điện. Nhôm có độ dẫn chỉ bằng khoảng
một nửa của đồng, cũng thường được dung làm vật dẫn điện. Bạc có độ dẫn điện cao hơn
cả nhôm và đồng, tuy nhiên ứng dụng bị hạn chế vì giá đắt.
Có khi cần phải cải thiện độ bền cơ học của hợp kim mà không làm giảm đáng kể
độ dẫn điện của nó. Tạo hợp kim dung dịch rắn và biến dạng nguội, cả hai cách đều có thể
cải thiện độ bền nhưng lại gây tổn hại độ dẫn điện. Như vậy cần có sự thoả hiệp giữa hai
tính chất đó mà không làm giảm mạnh tính dẫn điện. Ví dụ, các hợp kim đồng berili bền
và cứng, nhưng độ dẫn điện chỉ giảm chừng năm lần so với đồng tinh khiết cao.
[53]
Trong một số ứng dụng khác, chẳng hạn như dây hoặc thanh nung trong lò, lại cần
có điện trở cao, tổn hao năng lượng do các điện tử bị tán xạ được chuyển thành năng lượng
nhiệt. Các vật liệu như thế còn phải có độ bền chống ôxy hoá ở nhiệt độ cao và đương
nhiên cả nhiệt độ nóng chảy cao. Nicrôm (hợp kim niken – crôm) được sử dụng phổ biến
trong các linh kiện lò nung.
4.1.2. Bán dẫn điện
Các vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện không cao như các kim loại, nhưng chúng lại
có một số đặc trưng điện độc đáo nên được ứng dụng rộng rãi. Tính chất điện của các vật
liệu này hết sức nhạy cảm với sự có mặt của các tạp chất ngay cả ở nồng độ thấp. Các chất
bán dẫn, trong đó tính chất điện được quy định bởi cấu trúc điện tử vốn có trong vật liệu
tinh khiết, được gọi là bán dẫn tinh khiết. Còn khi các đặc trưng điện do các nguyên tử tạp
chất quyết định thì vật liệu được gọi là chất bán dẫn tạp chất.
4.1.2.1. Bán dẫn tinh khiết.
Các chất bán dẫn tinh khiết được đặc trưng bởi cấu trúc vùng điện tử nêu trên hình
53d. Ở OK hai chất bán dẫn nguyên tố Silic (Si) và genmani (Ge) có khe năng lượng tương
ứng vào cỡ 1,1 và 0,7 eV. Cả hai đều nằm trong nhóm IV A của bảng tuần hoàn các
nguyên tố và đều có lien kết đồng hoá trị. Ngoài ra, nhiều hợp chất cũng có bản chất bán
dẫn tinh khiết. Một nhóm vật liệu như thế được hình thành giữa các nguyên tố của các
nhóm III A và V A, ví dụ như: gali asenit (GaAs) và inđi antimonite (InSb); chúng thường
được gọi là các tạp chất III – V. Các hợp chất của các nguyên tố nhóm II B và VI A cũng
biểu hiện tính bán dẫn, trong đó có catmi sunfit (CdS) và kẽm telurit (ZnTe). Khi hai
nguyên tố tạo thành những hợp chất này nằm ở vị trí cách nhau càng xa trong bảng tuần
hoàn thì liên kết nguyên tử càng trở nên ion hơn và độ lớn của năng lượng khe tăng lên.
Vật liệu có xu hướng trở nên cách điện hơn. Bảng 5.2 cho biết khe năng lượng của một số
hợp chất bán dẫn.
Khái niệm về lỗ trống.
Trong chất bán dẫn tinh khiết có khi mỗi điện tử được kích thích lên vùng dẫn sẽ để
lại một chỗ thiếu điện tử trong liên kết đồng hoá trị, tức là một trạng thái điện tử còn trống
trong vùng hoá trị như chỉ trên hình 5.5b. Có thể tưởng tượng rằng, dưới ảnh hưởng của
điện trường, vị trí thiếu điện tử này sẽ chuyển chỗ trong mạng tinh thể do chuyển động của
điện tử hoá trị khác tới, điền vào mối liên kết chưa đủ (hình 5.9)
Quá trình này xảy ra trong miền hoá trị như là chuyển động của một hạt mang điện
dương gọi là lỗ trống . Một lỗ trống được xem như có điện tích với độ lớn bằng điện tích
của một điện tử nhưng ngược dấu (+ 1,6.10-19C). Như vậy, khi có một điện trường, các
điện tử và các lố trống đều bị tán xạ bởi những chỗ không hoàn hảo trong mạng tinh thể.
Độ dẫn điện tinh khiết
[54]
Vì trong chất bán dẫn tinh khiết có hai loại hạt tải điện (điện tử tự do và lỗ trống).
Cho nên biểu thức (5.7) của độ dẫn điện phải được biến đổi để bao gồm cả số hạng đóng
góp của dòng lỗ trống.
Do đó ta có: σ = n
µe + p
µb
(5.12)
**Trong đó: p - số lỗ trống trong đơn vị thể tích
**
µb- độ linh động lỗ trống
Đối với các chất bán dẫn, độ lớn của µb luôn luôn nhỏ hơn µe . Trong chất bán dẫn
tinh khiết, cứ mỗi một điện tử được kích thích nhảy qua khe đến để lại một lỗ trống ở
trong vùng hóa trị, như vậy:
n=p
và
(5.13)
σ=n
µe+ µb) = p
(µe + µb)
(5.14)
**Độ dẫn điện tinh khiết, độ linh động điện tử và độ linh động lỗ trống ở nhiệt độ
**
phòng của một số vật liệu bán dẫn được trình bày trên bảng 5.2Bảng 5.2. Khe năng lượng,
độ linh động điện tử và lỗ trống và độ dẫn điện tinh khiết ở nhiệt độ phòng cuẩ một số vật
liệu bán dẫn.
Vật liệu
Nguyên tố
Si
Ge
Hợp chất III – V
GaP
GaAs
InSb
Hợp chất II – VI
CdS
ZnTe
Khe
năng Độ dẫn điện, Độ linh động Độ linh động lỗ
lượng eV
điện tử, m2/V.s
trống m2/V.s
(Ω.m)-1
1,11
0,67
4x10-4
2,2
0,14
0,38
0,05
0,18
2,25
1,42
0,17
10-5
2x104
0,05
0,85
7,7
0,002
0,45
0,07
2,40
2,26
-
0,03
0,03
0,01
**4.1.2.2. Bán dẫn tạp chất
**
Thực ra các chất bán dẫn thương mại đều là bán dẫn tạp chất. Khi có mặt tạp chất
ngay cả với nồng độ thấp cũng tạo ra điện tử hoặc lỗ dư thừa. Chẳng hạn, một nồng độ tạp
chất 10-12 (tức một nguyên tử tạp chất trong 1012nguyên tử) cũng đủ để làm cho silic trở
thành bán dẫn tạp chất ở nhiệt độ phòng.
Bán dẫn tạp chất kim loại n
Để minh hoạ tính bán dẫn tạp chất hình thành như thế nào, ta lại xét bán dẫn
nguyên tố silic. Một nguyên tử silic có bốn điện tử vòng ngoài, mỗi một điện tử này liên
kết đồng hoá trị với một điện tử của bốn nguyên tử silic lân cận. Bây giờ giả sử một
[55]
nguyên tử tạp chất có hoá trị năm được thay thế vào, có thể là nguyên tử của nhóm V A
bảng tuần hoàn (ví dụ, P, As, Sb). Chỉ có bốn trong năm điện tử hoá trị của những nguyên
tử tạp chất này có thể tham gia vào liên kết.
Hình 5.10. Mô hình liên kết điện tử của bán dẫn tạp chất loại n
Một điện tử thừa ra chỉ đính theo một cách lỏng lẻo vào vùng xung quanh nguyên
tử tạp chất bởi một lực hút tĩnh điện yếu như minh hoạ trên hình 5.10a. Năng lượng lien
kết của điện tử này tương đối nhỏ (vào cỡ 0,01 eV), do đó dễ bị tách khỏi nguyên tử tạp
chất, khi đó nó sẽ trở thành điện tử tự do, tức điện tử dẫn (hình 5.10b và 5.10c)
Mỗi một điện tử gắn lỏng lẻo đó chiếm một mức năng lượng đơn nằm trong khe
cấm và ngay dưới đáy vùng dẫn (hình 5.11a). Để kích thích điện tử nhảy từ một trong các
trạng thái (mức) tạp chất này lên một mức trong vùng dẫn đòi hỏi một năng lượng tương
ứng với năng lượng liên kết điện tử. Vứ mỗi lần kích thích (hình 5.11b) sẽ cấp một điện tử
đơn vào vùng dẫn. Tạp chất loại này được gọi là đônơ (tạp chất “cho”). Bởi vì mỗi điện tử
đônơ được kích thích từ một mức tạp chất nên không tạo ra lỗ trống tương ứng ở trong
vùng hoá trị.
Ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt cũng đã đủ để kích thích được một số lớn điện
tử rời khỏi các trạng thái đônơ. Thêm vào đó còn xảy ra một số chuyển dời vùng hoá trị vùng dẫn, như trên hình 5.5bl; nhưng ở mức độ có thể bỏ qua. Như vậy số điện tử ở trong
vùng dẫn vượt xa số lỗ trống ở trong vùng hoá trị (tức n >>p), và số hạng thứ nhất ở vế
phải của phương trình (5.12) lấn át số hạng thứ hai, nghĩa là:
σ
n
µe
(5.15)
Vật liệu loại này được gọi là bán dẫn tạp chất loại n. Do nồng độ của chúng, các
điện tử là những hạt tải đa số, còn lỗ trống là những hạt tải thiểu số. Đối với các chất bán
dẫn loại n, mức Fermi dịch lên phía trên tới khu vực trạng thái đônơ; vị trí chính xác của
nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ lẫn nồng độ đônơ.
Bán dẫn tạp chất loại p
Một hiệu ứng đối lập xuất hiện khi pha vào silic hoặc gecmani các tạp chất thay thế
có hoá trị ba như Al, B và Ga thuộc nhóm III A của bảng tuần hoàn. Một trong các mối
lien kết đồng hoá trị xung quanh mỗi nguyên tử này sẽ bị thiếu một điện tử. Chỗ thiếu như
thế có thể xem như một lỗ trống liên kết yếu với nguyên tử tạp chất. Có thể giải phóng lỗ
trống này khỏi nguyên tử tạp chất bằng cách điều chuyển một điện tử từ một mối liên kết
cạnh đó như minh hoạ trên hình 5.12. Thực chất là điện tử và lỗ trống đổi chỗ lẫn nhau.
Một lỗ trống chuyển động được xem như là ở trạng thái kích thích và tham gia vào quá
trình dẫn điện tương tự một điện tử đônơ bị kích thích, như đã mô tả ở trên.
Hình 5.12. Mô hình (liên kết điện tử) các bán dẫn tạp chất loại p
[56]
Cũng có thể dùng mô hình vùng năng lượng để diễn tả các kích thích tạp chất tạo ra
lỗ trống. Mỗi một nguyên tử tạp chất đưa vào khe cấm một mức năng lượng nằm rất sát
phía trên đỉnh của vùng hoá trị (hình 5.13a). Một lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hoá trị
khi kích thích nhiệt do một điện tử chuyển từ vùng hoá trị lên trạng thái điện tử tạp chất
này như biểu thị trên hình (5.13b).
Với một chuyển dời như thế chỉ có một hạt tải (một lỗ trống) được sinh ra trong
cùng hoá trị mà không có một điện tử tư do nào được tạo ra hoặc ở mức tạp chất hoặc ở
trong vùng dẫn. Tạp chất loại này được gọi là acxeptơ (tạp chất “nhận”, bởi vì nó có khả
năng nhận điện tử từ vùng hoá trị và để lại ở đó một lỗ trống – sau này gọi mức năng
lượng trong khe cấm do loại tạp chất này dây ra là trạng thái (mức) acxeptơ.
Đối với bán dẫn tạp chất loại này, lỗ trống có mặt với nồng độ cao hơn nhiều so với
điện tử (tức là p>>n), và trong trường hợp đó vật liệu được gọi là chất bán dẫn loại p bởi
vì tính dẫn điện chủ yếu do các hạt tích điện dương đảm nhiệm. tất nhiên, các lỗ trống là
hạt tải đa số còn điện tử chỉ xuất hiện ở nồng độ thiểu số. Điều đó làm cho số hạng thứ hai
trong vế phải của phương trình (5.12) chiếm ưu thế, tức là:
σ
p
µb
(5.16)
Đối với các chất bán dẫn loại p, mức Fermi nằm ở trong khe cấm và gần mức
acxeptơ.
Các chất bán dẫn tạp chất (cả hai loại n và p) đều được chế tạo từ các vật liệu ban
đầu có độ tinh khiết hết sức cao, nói chung có tổng hàm lượng tạp vào cỡ 10-7% nguyên tử.
Sau đó, bằng cách sử dụng những kỹ thuật khác nhau, người ta chủ định pha them những
nồng độ đônơ hạơc acxeptơ đặc thù. Quy trình hợp kim hoá vật liệu bán dẫn như vậy được
gọi là đôping (sự pha tạp)
Trong các chất bán dẫn tạp chất, số lớn hạt tải (hoặc điện tử hoặc lỗ trống, tuỳ
thuộc loại tạp chất) đã được tạo ta ở nhiệt độ phòng do năng lượng nhiệt cung cấp. Hệ quả
là các chất bán dẫn tạp chất có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng tương đối cao. Đa số các vật
liệu này đươc sử dụng trong các linh kiện điện tử hoạt động trong điều kiện môi trường
xung quanh.
4.1.2.3. Sự thay đổi nhiệt độ của độ dẫn điện và nồng độ hạt tải điện.
Hình 5.14 trình bày đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ dẫn điện của silic tinh khiết và của
silic đã pha tạp với 0,0013 và 0,0052% nguyên tử bo. Độ dẫn điện trong mẫu tinh khiết
tăng mạnh theo nhiệt độ. Số điện tử và số lỗ trống đều tăng lên theo nhiệt độ bởi vì có
nhiều năng lượng nhiệt hơn để kích thích các điện tử chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn.
Như vậy, giá trị của cả n và p trong biểu thức độ dẫn tinh khiết (5.14) đều tăng lên, còn độ
linh động điện tử và lỗ trống thì lại giảm nhẹ khi tăng nhiệt độ do sự tăng tán xạ điện tử và
lỗ trống bởi dao động nhiệt.
[57]
**Tuy nhiên, sự giảm µevà µb rất nhỉ so với sự tăng n và p, nên hiệu qủ của sự tăng
**
nhiệt độ vẫn là sự tăng độ dẫn điện.
Biểu thức toán học gần đúng sự phụ thuộc đỗ dẫn tinh khiết σ vào nhiệt độ T là:
ln σ
C-
(5.17)
**Thông số C là một hằng số, không phụ thuộc nhiệt độ và Eg và k lần lượt là năng
**
lượng khe và hằng số Boltzmann. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ hạt tải của bán dẫn
tinh khiết trên thực tế cũng giống như của độ dẫn điện, tức là:
ln n – ln p
C’ -
(5.18)
**Thông số C’ cũng là một hằng số, không phụ thuộc nhiệt độ.
**
Nhờ phương trình (5.18) sẽ có một phương pháp khác để biểu diễn sự phụ thuộc
nhiệt độ của độ dẫn điện của các chất bán dẫn như trên hình 5.15 với các số liệu lấy từ
hình 5.14. Hãy chú ý tới đoạn đường thẳng gây bởi vật liệu tinh khiết có thể nhanh chóng
xác định được năng lượng khe.
Theo phương trình (5.18), độ dốc của đoạn thẳng này là bằng – Eg/2k, tức là Eg có
thể được xác định như sau:
Eg = - 2k
= -2k
(5.19)
**Điều này được chỉ rõ bằng đồ thị trên hình 5.16.
**
Một đặc trưng quan trọng khác của các quan hệ nêu trên hình 5.14 và 5.15 là ở các
nhiệt độ dưới khoảng 800K (5270C) các vật liệu pha tạp bo đều là bán dẫn tạp chất loại p;
nghĩa là trên thực tế tất cả lỗ trống tải điện đều có được từ các kích thích tạp chất – các
chuyển dời điện tử từ vùng hoá trị lên các mức acxeptơ bo, để lại các lỗ trống trong vùng
hoá trị (hình 5.13). Năng lượng nhiệt có được ở các nhiệt độ đó là đủ để thực hiện một số
đáng kể những kích thích này nhưng lại chưa đủ để kích thích được nhiều điện tử từ vùng
hoá trị vượt qua khe vùng. Như vậy, độ dẫn tạp chất vượt xa độ dẫn của vật liệu tinh khiết.
Ví dụ, ở 400K (1270C) độ dẫn điện của silic tinh khiết và của vật liệu pha 0,0013 %
nguyên tử bo tương ứng cỡ 10-2 và 600 (Ω.cm)-1(hình 5.14). Sự so sánh này cho thấy độ
dẫn điện nhạy với ngay cả những nồng độ cực kỳ nhỏ của một số nguyên tố tạp chất.
Hơn nữa, độ dẫn tạp chất cũng nhạy với cả nhiệt độ, như chỉ trên hình 5.14 cho cả
hai vật liệu pha them bo. Bắt đầu từ khoảng 75K (-2000C). Trước tiên độ dẫn tăng theo
nhiệt độ, đạt đến một cực đại và sau đó lại giảm dần trước khi trở thành độ dẫn tinh khiết.
Nói theo thuật ngữ nồng độ hạt tải (tức lỗ trống, hình 5.15), lnp lúc đầu tăng tuyến tính khi
1/T giảm (tức T tăng) có thể xảy ra số lượng lớn các kích thích tạp chất ngay ở những
[58]
nhiệt độ tương đối thấp này bởi vì mức acxeptơ nằm sát ngay trên đỉnh của vùng hoá trị,
khi nhiệt độ tăng hơn nữa (1/T giảm), nồng độ lỗ trống có khi lại trở nên độc lập với nhiệt
độ (hình 5.15). Ở điểm này thực tế tất cả mọi nguyên tử bo đều đã nhận được điện tử từ
vùng hoá trị. Tức chúng đã bão hoà theo thuật ngữ vùng bão hoà trên hình 5.16 (đối với
các tạp chất đônơ người ta nói chúng trở nên cạn kiệt thay cho bão hoà). Số lỗ trống ở
trong vùng này gần bằng số nguyên tử tạp chất pha vào (tức bo).
Sự giảm độ dẫn khí tăng nhiệt độ ở trong vùng bão hoà đối với hai đường cong tạp
chất trên hình 5.14 có thể giải thích bằng sự giảm độ linh động lỗ trống. Trên biểu thức độ
dẫn tạp chất (5.16), cả n và p trong vùng này đều độc lập với nhiệt độ và sự phụ thuộc
nhiệt độ ở đây chỉ là do độ linh động.
Trên hình 5.14 và 5.15 cũng còn một điều đáng chú ý nữa là ở khoảng 800K
(527 C), độ dẫn điện của cả hai vật liệu pha tạp bo đều trở về độ dẫn tinh khiết. Ở chỗ bắt
đầu có tính bán dẫn tinh khiết, số các chuyển dời tinh khiết từ vùng hoá trị lên vùng dẫn
trở nên lớn hợn số lỗ trống do tạp chất sinh ra.
0
Vài nhận xét cuối cùng về ảnh hưởng của hàm lượng acxeptơ bo đối với tính chất
điện của silic. Trước hết, các độ dẫn tạpk chất và bão hoà cũng như các nồng độ lỗ trống
đều lớn hơn ở vật liệu có hàm lượng bo cao hơn (hình 5.14 và 5.15). Một kết quả như
mong đợi, bởi vì có mặt nhiều nguyên tử bo hơn thì số lỗ trống được sinh ra từ chúng càng
nhiều hơn. Như vậy nhiệt độ bắt đầu tính bán dẫn tinh khiết sẽ nâng cao khi hàm lượng
pha tạp tăng lên.
4.1.2.4. Linh kiện bán dẫn
Do những tính chất điện độc đáo của mình, các chất bán dẫn được ứng dụng trong
những linh kiện để thực hiện các chức năng điện tử đặc biệt. Điôt và transito đã thay thế
các đèn điện tử chân không kiểu cũ, là hai ví dụ quen thuộc. Ưu điểm của các linh kiện bán
dẫn là kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp và không cần thời gian chờ nóng máy. Các
con số khổng lồ các mạch điện cực kỳ nhỏ mà mỗi một mạch lại được tạo bởi nhiều linh
kiện điện tử, có thể tổ hợp trên một “chip” silic nhỏ bé. Sự phát minh ra các linh kiện điện
tử đã dẫn đến sự vi mạch hoá, chính là cơ sở cho sự xuất hiện và lớn mạnh cực kỳ nhanh
chóng của một ngành đứng đầu các ngành công nghiệp mới trong mấy năm qua.
Ghép chỉnh lưu p – n
Chỉnh lưu là linh kiện điện tử cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều. Trước
khi xuất hiện chỉnh lưu bán dẫn p – n , người ta sử dụng đèn điôt chân không. Ghép chỉnh
lưu p – n cấu tạo bởi một tấm bán dẫn pha tạp loại n trên một mặt và loại p trên mặt kia
(hình 5.17a). Nếu đem các tấm vật liệu loại n và p ghép lại với nhau sẽ được một chỉnh lưu
kém, bởi vì sự xuất hiện bề mặt giữa hai phần làm cho linh kiện kém hiệu quả. Do vậy
[59]
trong tất cả các linh kiện đều phải sử dụng vật liệu bán dẫn đơn tinh thể để tránh các hiện
tượng điện tử xuất hiện ở biên hạt sẽ phá huỷ hoạt động của linh kiện.
Trước khi đặt một điện áp lên mẫu p – n, hạt tải chính bên p là lỗ trống, còn bên n
là điện tử như minh hoạ trên hình 5.17a. Một điện áp ngoài có thể thiết lâph trên ghép p –
n bằng hai phân cực khác nhau. Khi dung một bộ pin, đầu dương có thể nối vào bên p và
đầu âm vào bên n, đó gọi là nối thuận. Sự đấu cực ngược lại (âm vào p và dương vào n)
được gọi là nối ngược.
Dưới tác dụng của một điện áp nối thuận (hình 5.17b), các lỗ trống bên p và điện tử
bên n đều bị hút về mặt tiếp xúc. Khi lỗ trống và điện tử gặp nhau ở gần đó, chúng liên tục
tái hợp và triệt tiêu lẫn nhau, tương ứng với:
Điện tử + lỗ trống → năng lượng
(5.20)
Như vậy ở kiểu nối này, số lượng lớn các hạt tải đi qua chất bán dẫn và tới chỗ tiếp
xúc, như được minh chứng bởi một dòng điện mạnh và một điện trở suất thấp. Đặc trưng
vôn – ampe khi nối thuận được nêu trên nửa bên phải của hình 5.18.
Khi nối nghịch (hình 5.17c), cả lỗ trống và điện tử là hạt tải đa số đều bị kéo nhanh
khỏi chỗ tiếp xúc. Sự phân cách điện tích dương và âm (tức là sự phân cực) để lại ở chỗ
tiếp xúc một vùng tương đối ít các hạt tải linh động. Sự tái hợp sẽ không xảy ra đáng kể,
như vậy chỗ tiếp xúc bây giờ trở nên cách điện cao. Hình 5.18 cũng minh hoạ đặc tính vôn
– ampe khi ghép ngược.
Điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra của quá trình chỉnh lưu được biểu thị trên hình
5.19. Ở đây điện áp vào biến thiên hình sin theo thời gian (hình 5.19a). Dòng điện cực đại
IR khi nối ngược là hết sức nhỏ so với dòng IF khi nối thuận (hình 5.19b). Sự tương ứng
giữa IF và IR và điện áp cực đại Vo đặt vào được ghi chú trên hình 5.18.
Với các điện áp lắp ngược cao, có khi cỡ hang trăm vôn, sẽ phát minh số lượng lớn
các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống). Điều này gây nên sự tăng vọt của dòng điện gọi là
hiện tượng đâm xuyên, cũng được chỉ ra trên hình 5.18 và được đề cập chi tiết hơn trong
mục 5.1.4.5 (Độ bền điện môi ).
Transito, linh kiện bán dẫn cực kỳ quan trọng mạch vi điện tử ngày nay có thể đảm
nhiệm hai chức năng cơ bản sau. Thứ nhất, chúng có thể hoạt động như đèn điện tử chân
không trước đây, đèn triot, nghĩa là chúng có thể khuyếch đại các tín hiệu điện. Thứ hai,
chúng cũng được dùng như các phương tiện chuyển mạch trong máy tính để xử lý và lưu
trữ thông tin. Có hai loại chính là transito tiếp xúc và transito hiệu ứng trường kim loại –
oxyt – bán dẫn (viết tắt là MOSFET. Theo từ tiếng Anh metal – oxide – semiconductor
field effect transistor).
Transito tiếp xúc
[60]
Transito tiếp xúc tổ hợp bởi hai tiếp xúc p – n ghép tựa lưng vào nhau theo cấu hình
n-p-n. Hình 5.20 nêu sơ đồ của một transito tiếp xúc p-n-p cùng với mạch điện của nó.
Một vùng để (base) loại n rất mỏng được đặt xen kẽ vào giữa vùng phát (emitter) và vùng
góp (collector) loại p.
Mạch bao gồm tiếp xúc phát - để (tiếp xúc 1) được lắp thuận, trong khi một điện áp
lắp ngược được đặt lên tiếp xúc dế - góp (tiếp xúc 2).
Hình 5.20. Sơ đồ của transito tiếp xúc p-n-p và mạch điện hoạt động của nó, các
đặc trưng điện áp vào và ra cho thấy sự khuyếch đại điện áp.
Hình 5.21 minh hoạ các cơ chế vận chuyển của hạt tải điện. Vì cực phát thuộc loại
p và tiếp xúc 1 được nối thuận nên có những số lượng lớn lỗ trống đi vào vùng đế loại n, ở
đây chúng là những hạt tải thiểu số và một số sẽ tái hợp với các điện tử đa số. Tuy nhiên,
nếu như cực đế hết sức hẹp và các vật liệu bán dẫn đã được chế tạo riêng thì đa số các lỗ
trống đó sẽ trườn qua vùng đế mà không bị tái hợp, sau đó qua tiếp xúc 2 và đi tới cực góp
loại p; Bây giờ chúng trở nên một phần hợp thành của mạch phát – góp. Một sự tăng nhẹ ở
điện áp đầu vào mạch phát - đế sẽ gây nên một sự tăng mạnh của điện áp trên điện trở phụ
tải trong mạch (hình 5.20). Như vậy, một tín hiệu điện áp qua transito tiếp xúc thì được
khuyếch đại lên. Hiệu ứng này cũng được minh hoạ trên hình 5.20 bởi hai đồ thị điện áp
thời gian.
Hoạt động của transito n-p-n cũng được lý giải tương tự trong đó thay cho lỗ trống,
điện tử được ấn qua vùng đế và đi vào cực góp.
MOSFET
Hình 5.22 nêu mặt cắt của một mẫu MOSFET gồm có hai đảo nhỏ bán dẫn loại p
được tạo ra trong một chất đế silic loại n; các đảo thông với nhau bằng một kênh hẹp loại
p. Các đầu nối kim loại thích hợp (đầu nguồn và đầu ra) đặt lên các đảo đó một lớp cách
điện silic đioxyt được tạo ra bằng cách oxy hoá bề mặt silic. Sau đó một đầu mối kết thúc
(cửa) đặt lên trên bề mặt của lớp cách điện đó.
Hoạt động của một MOSFET khác với transito tiếp xúc ở chỗ là ở đây chỉ có một
loại hạt tải (hoặc là điện tử hoặc là lỗ) hoạt động mà thôi. Độ dẫn điện của kênh được biến
đổi do sự có mặt của một điện trường tương đương đặt lên cửa sẽ đẩy các hạt tải (trong
trường hợp này là các lỗ) ra khỏi kênh, do đó làm giảm độ dẫn điện. Như vậy, một biến
đổi nhỏ của điện trường ở cửa sổ gây nên một biến đổi tương đối lớn của dòng điện giữa
cực nguồn và thoát. Các quá trình khác trong MOSFET rất giống như đã mô tả transito tiếp
xúc. Sự khác nhau cơ bản là ở chỗ dòng cửa là rất nhỏ với dòng cơ sở (base) của transito
tiếp xúc. Do đó, các MOSFET được sử dụng ở những nơi mà nguồn tín hiệu cần khuyếch
đại không thể cho được một dòng điện đáng kể.
Các chất bán dẫn trong máy tính.
[61]
Cùng với khả năng khuếch đại tín hiệu, các transito cũng có thể hoạt động như
những linh kiện chuyển mạch, một tính năng được sử dụng cho các xử lý số học và logic
và cùng sử dụng lưu trữ thông tin trong các máy tính. Các con số và hàm số máy tính đều
được viết thành hai số: 0 và 1 thuộc hệ đếm cơ số 2. Bây giờ thì các transito và điôt trong
mạch số sẽ hoạt động như những chuyển mạch với hai trạng thái đóng và ngắt. Như vậy,
một số đơn có thể biểu diễn bằng một tập hợp các phần tử mạch chứa các transito được
chuyển mạch thích hợp.
Mạch vi điện tử.
Trong mấy năm vừa qua, sự chuyển dời của mạch vi điện tử, trong đó hàng ngàn
phần tử và mạch điện tử được tổ hợp trong một không gian rất nhỏ, đã làm một cuộc cách
mạng trong lĩnh vực điện tử học. Cuộc cách mạng này trước hết phục vụ cho ngành hang
không vũ ủtụ, nơi cần có những máy tính, những cấu kiện điện tử rất nhỏ và đòi hỏi công
suất thấp. Nhờ những thành tựu mới trong công nghệ chế tạo. Đã đựơc giá thành của mạch
tổ hợp một cách đáng ngạc nhiên. Kết quả là mở đáy máy tính cá nhân ( PC viết tắt là từ
tiếng Anh Personnal Computer) đã được sử dụng rất phổ biến . Ứng dụng các mach tổ hợp
cũng đã xâm nhập và nhiều lĩnh vực của cuộc sống hiện nay : tính toán thông tin, cảnh
báo sản xuất và điều khiển công nghiệp cũng như mọi khâu của công nghiệp điện tử.
Những vi mạch không đắt đã được sản xuất hàng loạt với kỹ thuật chế tạo tinh xảo,
bắt đầu từ việc nuôi đơn tinh thể Silic hình trụ khá lớn vơí độ tinh khiết cao để từ đó cắt
thành những tấm mỏng hình tròn. Nhiều mạch vi điện tử ( mạch tổ hợp ). thường gọi là “
Chip” , được chế tạo ngay trên một tấm đơn. Một chip hình vuông kích cỡ 1/4 inch ( 6
mm ) trên một mặt chứa tới hàng ngàn phần tử như điôt transito, điện trở và tụ điện. Hình
5.23b chụp toàn bộ một chip vi xử lý khác cho thấy rõ sự phức tạp của một mach tổ hợp
như thế . Hiện nay những chip với 2.000 000 phần tử đang được chế tạo với cả những bộ
nhỏ cao hơn cũng sẽ chắc chắn được phát triển trong tương lai
Những mạch vi điện tử gồm nhiều lớp nằm trên qua tấm silic theo một sơ đồ chi
tiết chính xác . D ùng k ỹ thuật quang khắc ( Photolithographic ) và các kỹ thuật vi tính
khác ( ví dụ, khuếch tán, hoặc cấy ion ) và tạo ra các khu vực bán dẫn kim loại n, loại p,
điện trở hoặc dẫn cao trên một lớp. Quy trình này được lặp lại từ lớp này sang lớp khác
cho đến khi toàn bộ mạch tổ hợp được chế tạo xong.
4.1.3. TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG GỐM IN VÀ TRONG POLYME.
phần lớn các polyme và gốm ion đều là vật liệu cách điện ở nhiệt độ phòng và do
đó cấu trúc vùng năng lượng điện tử tương tự như biểu diễn trên hình 5.3 c: khe năng
lượng tương đối rộng, thường lớn hơn 2 eV. Như vậy ở nhiệt độ bình thường chỉ có rất ít
điện tử nhờ được cung cấp năng lượng có thể bị kích thích nhảy qua khe, điều đó ứng với
giá trị rất nhỏ của độ dẫn điện. Bảng 5.3 cho độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của một loạt vật
liệu như thế. Đương nhiên nhiều vật liệu được sử dụng trên cơ sở khả năng cách điện của
[62]
chúng như vậy, điện trở suất cao lại là điều mong muốn. Khi nâng cao nhiệt độ độ dẫn của
các vật liệu cách điện có thể lớn hơn của các chất bán dẫn.
Bảng 5.3. Độ dẫn điện tiêu biểu ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu phi kim loại
Độ dẫn điện ( Ω. m)-1
105
10-10 - 10-12
10-10 - 10-12
<10-10
10-10 - 10-15
Vật liệu
Graphit
Gốm:
Nhôm Oxyt
Sứ
Thuỷ tinh Na – Ca
Mica
Polyme
Phenolformaldehyt
Nylon6.6
Polymetylmetacrylat
Polyetylen
Polystyren
polytetrafloetylen
10-9 - 10-10
10-9 - 10-12
<10-12
10-13- 10-17
<10-14
<10-16
**4.1.3.1. Dẫn điện trong các vật liệu ion
**
Các cation và anion trong vật liệu ion đều có điện tích và do đó chúng đều có khả
năng di chuyển hoặc khuếch tán khi có một điện trường. Như vậy một dòng điện sẽ được
tạo thành do chuyển động thuần tuý của những ion này. Đương nhiên, anion và cation sẽ
chuyển dời ngược hướng nhau. Độ dẫn tổng của một vật liệu ion bằng tổng của các đóng
góp của điện tử ion như sau :
σtoàn phần = σ điện tử + σion
( 5.21 )
Đóng góp nào chiếm ưu thế là tuỳ thuộc vào vật liệu, độ tinh khiết và đương nhiên
còn vào nhiệt độ.
độ linh động µi ứng với mỗi loạ ion là :
µi =
(5.22 )
**trong đó ni – và Di - hoá trị và số khuếch tán của mỗi ion
**
cần chú ý là Di tỷ lệ với luỹ thừa bậc cao của nhiệt độ T. Do vậy, cũng như thành
phần điện tử, đóng góp vào độ dẫn toàn phần sẽ tăng lên khi tăng nhiệt độ. Tuy thế, đa số
các vật liệu ion vẫn giữ được tính cách điện ngay cả ở nhiệt độ cao.
[63]
**4.1.3.2. Tính chất điện của polyme
**
Phần lớn các vật liệu polyme đều dẫn điện kém ( bảng 5.3 ) vì không thể có nhiều
điện tử tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện. Cơ chế dẫn điện trong các vật liệu này rất
phức tạp, nhưng đã biết rõ các polyme có độ tinh khiết cao dẫn điện bằng điện tử
Các polyme dẫn điện
Trong nhiều năm qua đã tổng hợp được nhiều polyme có độ dẫn điện ngang với các
vật dẫn kim loại. Chúng được gọi là các polym dẫn điện. Trong các vật liệu này đã đạt
được độ dẫn điện cao tới 1.5 10-7 ( Ω. M)-1 Giá trị này tính theo thể tích tương ứng với
một phần tư, còn tính theo trọng lượng thì tương ứng với hai lần độ dẫn của đồng.
Hiện tượng trên quan sát thấy trong nhiều polyme, trong đó có polyaxetylen,
polyparaphenylen, polypyrol và polyanilin đã được pha với các phụ gia thích hợp. ( tức
điện tử tự do chiếm ưu thế ) hoặc theo loại p ( tức lỗ trống chiếm ưu thế ) tuỳ theo chất phụ
gia. Tuy nhiên chúng khác các chất bán dẫn ở chỗ các nguyên tử hoặc phân tử pha tạp
không thay thế hoặc đổi chỗ một nguyên tử nào của polyme.Polyme tinh khiết cao có đặc
trưng cấu trúc vùng điện tử của các chất cách điện ( hình 5.3 c ). Cơ chế sinh sản ra số
lượng điện tử và lỗ trống trong các polyme dẫn điện này rất phức tạp, không thể giải thích
dễ dàng, hiểu một cách đơn giảnCác nguyên tử pha tạp dẫn đến sự tạo thành những vùng
năng lượng mới phủ lên vùng hoá trị và vùng polyme tinh khiết, tạo nên các vùng dẫn hoặc
điện tử tự do hoặc lỗ trống. Bằng cách định hướng các mạch xích polyme trong khi tổng
hợp chúng, hoặc bằng phương pháp cơ hoặc sẽ tạo ra được vật liệu dị hướng cao, có độ
dẫn điện cực đại dọc theo hướng đó.
Những polyme dẫn điện này có ưu thế trong một loạt ứng dụng do chúng có trọng
lượng riêng thấp, độ dẻo cao và dễ chế tạo. Các pin tái sinh hiện đang đựơc chế tạo với
điện cực polyme có nhiều triển vọng tốt hơn kim loại. Những ứng dụng khác như làm dây
dẫn trong các cấu kiện hàng không và vũ trụ, che phủ chóng nhiễu điện cho quần áo, vật
liệu màn chắn điện từ và linh kiện điện tử.
4.1.4 ĐIỆN MÔI
Điện môi là vật liệu cách điện ( phi kim loại ), có cấu trúc lưỡng cực điện tự nhiên
hoặc nhân tạo ở mức độ phân tử hoặc nguyên tử. Vật liêu điện môi được sử dụng trong các
tụ điện như kết quả của tương tác lưỡng cực với điện trường.
4.1.4.1. Điện dung
Khi điện áp V được đặt lên một tụ điện một tấm trở thành điện tích dương tấm kia
điện tích âm với điện trường tương ứng hướng từ tấm âm sang tấm dương. Điện dung C
liên hệ với điện lượng Q mỗi tấm được tính theo biểu thức:
C =
( 5.23 )
[64]
**Đơn vị điện dung là culông/von, tức fara ( F).
**
Xét một tụ điện tấm song song với chân không trong vùng giữa hai tấm ( hình 5.24
a ) điện dung có thể tính từ biểu thức :
C=
0
.
( 5.24 )
**Trong đó s : diện tích bề mặt tấm;
**
l : khoảng cách giữa chúng;
0:
độ thẩm của chân không, là một hằng số vũ trụ có giá trị bằng
-12
8.85.10 F/m.
Nếu một vật liệu điện môi lấp đầy vùng giữa hai tấm ( hình 5.24b ) thì
C= -
( 5.25 )
Trong độ thẩm của môi trường điện môi, có giá trị lớn hơn
0
**độ thẩm tương đối, thường gọi là hằng số điện môi, là tỷ số :
**
r
r
=
( 5.26 )
lớn hơn 1 và biểu thị độ tăng điện tích điện do do đưa điện môi vào giữa hai tấm.
Hằng số điện môi là một tính chất vật liêu được xem xét trước tiên thiết kết tụ điện. Giá tri
r
**của một vật liệu điện môi trong bảng 5.4.
**
Bảng 5.4. Hằng số điện môi và độ bền điện môi của một số vật liệu
Vật liệu
Gồm :
Gốm tittanal
Mica
Steatit ( MgO- SiO2 )
Thuỷ tinh natri
sứ
silica nung
polyme:
phenolfomaldehyt
nylon 6.6
polystyren
polyetylen
polytetrafloetylen
**Hằng số điện môi
**
60Hz
1MHz
6.9
6.0
4.0
15 – 10000
5.4 – 5.7
5.5 – 7.5
5.3
4.0
2.6
2.3
2.1
[65]
**Độ bền điện môi
**
200 – 1 180
3940 – 7 875
790 – 1 380
**4.1.4.2. Vectơ điện trường và sự phân cực điện môi
**
Mỗi lưỡng cực được đặc trưng bởi mômen lưỡng cực ρ ( hình 5.25 ):
ρ=qd
(5.27)
**Trong đó q - độ lớn của mỗi điện tích;
**
d: khoảng cách giữa chúng .
Mômen lưỡng cực là một vectơ hướng từ điện tích âm tới điện tích dương. Khi có
mặt điện trường E, một ngẫu lực tác dụng lên lưỡng cực điện làm nó xếp theo hướng điện
trường như hình minh hoạ trên hình 5.26. Quá trình xếp lưỡng cực như vậy goi nlà sự
phân cực.
Trở lại với tụ điện, mật độ điện tích mặt D, tức là điện lượng trên một đơn vị điện
tích của tấm tụ điện ( C/m2 ), sẽ tỷ lệ với điện trường. Khi có chân không thì :
D=
E.
0.
( 5.28 )
**Trong trường hợp điện môi, sẽ có biểu thức tương tự :
**
D= E
( 5.29 )
**Đôi khi D còn được gọi là độ dịch điện môi
**
Sự tăng điện dung, tức tăng hằng số điện môi. Có thể giải thích bằng mô hình đơn
giản hoá về sự phân cực trong vật liệu điện môi. Hãy xét tụ điện trên hình 5.27a. Trường
hợp chân không, tấm trên được tích điện + Q0 và tấm dưới - Q0 khi đưa một điện môi vào tụ
điện đặt lên đó một điện trường, toàn bộ chất rắn giữa hai tấm tụ điện trở thành điện môi
bị phân cực ( hình 5.27c ). Kết quả là có một sự tích tụ thuần điện âm – Q’ ở bề mạt điện
môi gần tấm đã tích điện dương, và cũng bằng cách tương tự, một điện tích + Q’ xuất hiện
ở bề mặt gần tấm âm. Như vậy, nếu xem mỗi tấm cùng với bề mặt điện môi gần nó như
một vật thể, có thể cho rằng điện tích cảm ứng bởi điện môi( +Q’ và -Q’) khử bớt một phần
điện tích vốn tồn tại trên tấm đó khi có chân không ( +Q0 hoặc-Q0 ) . Điện áp giữa hai tấm
đựơc giữ ở giá trị như khi chân không bằng cách tăng điện tích ở tấm được giữ ở giá trị
như chân không bằng cách tăng điên tích ở tấm âm một lượng -Q’ và một tấm dương +Q’ .
Điện tử chạy từ tấm âm sang tấm dương bởi nguồn điện ngoài sao cho điện áp riêng được
khôi phục lại. Và như vậy điện tích trên mỗi tấm bây giờ là Q0 +Q’, tức tăng lên một lượng
Q’.Khi có mặt điện môi, mật độ điện tích mặt trên các tấm tụ điện cũng có thể biểu thị
bằng :
D=
0
E +P ( 5.30 )
**Trong đó P - độ phân cực hay là độ tăng mật độ điện tích mặt so với khi có chân
**
không, từ hình 5.27c ta có P = Q’S, ở đây S - điện tích mỗi tấm; P có thứ nguyên giống
như D ( C/ m2).Cũng có thể xem độ phân cực P là mômen lưỡng cực tổng cộng trong một
[66]
đơn vị thể tích vật liệu điện môi, hoặc là điện trường phân cực ở bên trong điện môi gây
bởi sự sắp xếp tương hỗ của nhiều lưỡng cực nguyên tử hoặc phân tử theo hướng điện
trường ngoài E đặt vào. Đối với nhiều vật liệu điện môi, P tỷ lệ với E theo hệ thức :
P=
0
( r -1 ) E
Trong trường hợp đó
( 5.31 )
r
, không phụ thuộc vào độ lớn của điện trường.
**4.1.4.3. Các dạng phân cực điện môi
**
Phân cực là hiện tượng sắp xếp lại các mômen lưỡng cực nguyên tử hoặc phân tử
vĩnh cửu hay cảm ứng theo hướng của điện trường ngoài, có bao dạng ( hay nguồn gốc )
phân cực : điện tử, ion và xoay hướng. Thông thường các vật liệu điện môi có ít nhất một
trong ba dạng phân cực đó tuỳ theo vật liệu cũng như theo cách đặt điện trường ngoài. Có
3 dạng ( hay nguồn gốc ) phân cực điện tử, ion và xoay hướng. Thông thường các vật liệu
điện môi có it nhất một trong ba dạng phân cực đó là tuỳ theo vật liệu cũng như theo cách
đặt điện trường ngoài.
Phân cực điện tử
Phân cực điện tử có thể xảy ra với những mức độ khác nhau ở tất cả các nguyên tử.
Nó là kết quả dịch chuyển trọng tâm của đám mây điện tích âm so với hạt nhân điện tích
dương
Hiện tượng này được minh hoạ trên hình 5.28b. Độ lớn P của mômen lưỡng cực
của cặp ion lag bằng tích số của độ dịch chuyển tương đối d và điện tích ion, tức là :
ρi =q di
(5.32 )
**Phân cực xoay hướng
**
Dạng thứ ba, phân cực xoay hướng chỉ tìm thấy trong những chất có mômen lưỡng
cực vĩnh cửu. Sự phân cực này là kết quả của sự xoay các mômen vĩnh cửu theo trường đặt
vào ( hình 5.28c ). Xu thế sắp xếp này bị dao động nhiệt của nguyên tử chống lại làm cho
độ phân cực giảm đi khi nhiệt độ tăng.
Phân cực toàn phần P của một chất bằng tổng số các độ phân cực điện tử, ion và
xoay hướng ( tương ứng là Pe,, Pi, P0) tức là:
P = Pe,+Pi+ P0
( hình 5.33)
**C ó thể một trong những thành phần đó vắng mặt hoặc có độ lớn không đáng kể so
**
với các thành phần khác. Ví dụ phân cực ion sẽ không tồn tại trong các vật liệu lien kết
đồng hoá trị, trong đó không có mặt ion.
[67]
**4.1.4.4. sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi
**
Trong nhiều trường hợp thực tế thường dung dòng điện xoay chiều ( AC) . Cứ mỗi
lần đổi hướng, các lưỡng cực lại phải định hướng lại theo điện trường như hình minh hoạ
trên hình 5.29 quá trình đòi hỏi một thời gian xác định. Với mỗi phân cực có một thời gian
tái định hướng tối thiểu phụ thuộc vào khả năng sắp xếp lại của các lưỡng cực riêng lẻ.
Tần số hồi phục được lấy bằng nghịch đảo của thời gian định hướng tối thiểu đó.
Nếu như tần số của điện trường vượt quá tần số hồi phục của lưỡng cực thì nó sẽ
không thể theo kịp sự đổi hướng và do đó sẽ không đóng góp vào hằng số điện môi. Sự
phụ thuộc của
r
biểu diễn bằng sơ đồ trên hình 5.30 cho điện môi có cả ba dạng phân
cực . Khi một cơ chế phân cực ngừng hoạt động, hằng số điện môi sẽ giảm đột ngột, tức
r
về cơ bản không còn phụ thuộc vào tần số nữa. Bảng 5.4 cho các giá trị của hằng số điện
môi ở 60Hz và 1MHz của một số điện môi.
Sự hấp thụ năng lượng điện bởi vật liệu điện môi đặt trong điện trường xoay được
gọi là tổn hao điện môi. Tổn hao này có thể là quan trọng ơ những tần số phục hồi đối với
mỗi loại lưỡng cực trong vật liệu. Người ta luôn mong muốn có có tổn hao điện môi thấp ở
tần số sử dụng.
4.1.4.5. Độ bền điện môi
Khi đặt lên vạt liệu điện môi những điện trường rất cao, sẽ có một lượng lớn
điện tử bị kích thích chuyển lên những mức năng lượng nằm trong vùng dẫn. Kết quả là
dòng điện chạy qua điện môi chuyển động của những điện tử này tăng lên mãnh liệt; đôi
khi sự nóng chảy, cháy hoặc bay hơi cục bộ gây lên sự thoái hoá bay hơi bất thuận nghịch
và thậm chí có thể phá huỷ vật liệu. Đây chính là hiện tượng đánh thủng điện môi. Độ bền
điện môi còn gọi là độ bền đánh thủng biểu thị độ lớn của điện trường cần thiết để tạo ra
sự đánh thủng điện môi. Độ bền điện môi của một số vật liệu được giới thiệu trong bảng
5.4.
5.1.4.6. Các vật lieu điện môi
Một số gốm và polymer được dùng làm chất cách điện và trong các tụ điện. Nhiều
loại gốm, kể cả thuỷ tinh, sứ steatite và mica có hằng số điện môi nằm trong khoảng từ 6
đên 10 ( bảng 5.4 ). Những vật liệu này có độ ổn định kích thước và độ bền cơ học, có
những ứng dụng tiêu biểu như cách điện trường dây tải điện, đế cầu dao, lò tụ ánh sang.
Titan oxyt ( TiO2) và gốm Titanat, như bari titanat ( BaTiO3) có thể được chế tạo với hằng
số điện môi hết sức cao, làm cho chúng có ứng dụng đặc biệt trong tụ điện.
Độ lớn của hằng số điện môi của phần lớn các polyme đều nhỏ hơn của gốm là vật
liệu có mômen lưỡng cực lớn hơn : giá trị
r
c ủa polyme n ói chung nằm trong khoảng 2
[68]
5. Những vật liệu này được ứng dụng làm cách điện cho dây, cáp, động cơ, máy phát
điện,…, ngoài ra cũng dùng trong một số tụ điện.
4.1.5.CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỆN KHÁC CỦA VẬT LIỆU
Hai đặc tính điện khác tương đối quan trọng và mới ở một số vật liệu sẽ được nêu
tóm tắt, đó là tính sắt điện và áp điện.
4.1.5.1. Sắt điện
Nhóm vật liệu điện môi sắt điện mang tính phân cực tự phát, tức là phân cực khi
vắng mặt điện trường. Tương tự như vật liệu sắt từ có thể cho từ tính vĩnh cửu. Trong các
vật liệu sắt điện phải tồn tại những lưỡng cực điện vĩnh cửu. Ta hãy giải thích nguồn gôc
của chúng ở bari titanat, một trong những chất sắt điện phổ thông nhất. Sự phân cực tự
phát là hệ quả của sự sắp xếp vị trí các ion Ba2+, Ti4+ và O2- trong ô cơ sở như biểu thị hình
5.31. Các ion Ba2+ nằm ở các đỉnh góc của ô cơ sở mang tính đối xứng tetrahonal ( hình
lập phuơng bị giãn nhẹ theo một phuơng ). Mômen lưỡng cực sinh ra do xê dịch tương đối
của các ion O2- và Ti4+ ra khỏi vị trí đối xứng của chúng ( hình 5.31b ). C ác O2- nằm thấp
xuống dưới một chút, còn ion Ti4+ l ại d ịch l ên tr ên so với tâm điểm của ô cơ sở. Tuy
nhiên khi nung nóng bari titanat lên trên nhiệt độ Curie sắt điện của nó ( 1200C) thì ô cơ sở
sẽ trở lại khối lập phương, vật liệu bây giờ có cấu trúc tinh thể kiểu perovskit và tính chất
sắt điện bị biến mất.
Sự phân cực tự phát của nhóm vật liệu này sinh ra như là hệ quả tương tác giữa các
lưỡng cực vĩnh cửu `lân cận, chúng sắp xếp với nhau tất cả theo cùng một hướng. Ví dụ,
trong barititanat, sự xê dich tương đối của các ion O2-, Ti4+ đều theo cùng một hướng cho
tất cả mọi ô cơ sở ở trong một miền thể tích nhất định của hợp chất. Các vật liệu sắt điện
khác như muối Rochelle (NaKC4H4O64H2O). kali đihydrophotphat (KH2PO4), kali niobit
(KNbO3) và chì ziêconat – titanat (Pb[ZrO3, TiO3 ]). Các chất sắt điện có hằng số điện môi
cực kỳ cao ở các tần số điện trường tương đối thấp, ví dụ, ở nhiệt độ phòng εr của bari
titanat có thể cao tới 5000. Do vậy, các tụ điện chế tạo bằng những vật liệu này có thể có
kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với các tụ điện làm bằng vật liệu điện môi khác.
4.1.5.2. Áp điện.
Áp điện là một tính chất khác thường của một vài vật liệu gốm: khi lực ngoài tác
dụng lên một mẫu chất thì sự phân cực sinh ra và một điện trường được thiết lập trong
mẫu. Khi đảo dấu của lực ngoài (tức là kéo chuyển sang nén) thì chiều của điện trường
cũng đảo theo. Hiệu ứng áp điện được thể hiện trên hình 5.32.Vật liệu áp điện được ứng
dụng trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng điện thành ứng suất cơ học và ngược lại
như đầu ghi âm, microphone, máy phát siêu âm, đầu đo ứng suất, đầu thu âm. Trong một
máy ghi âm. Khi đầu kim dịch chuyển theo các rãnh trên một đĩa hát, biến thiên của áp
suất lên vật liệu áp điện ở trong đầu âm chuyển đổi thành tín hiệu điện và được khuếch đại
[69]
lên trước khi cho ra loa.Các vật liệu áp điện gồm bari titanat, bari và chì ziêconat (PbZrO3),
amoni đihydrophotphat (NH4H2PO4) và thạch anh. Tính chất này là đặc trưng của các vật
liệu có cấu trúc tinh thể phức tạp với đối xứng thấp. Tính chất áp điện của mẫu chất đa tinh
thể được cải thiện bằng cách nung nóng lên trên nhiệt độ Curie của nó và sau đó làm nguội
xuống nhiệt độ phòng trong một điện trường mạnh.
**4.2. Tính chất nhiệt
**
Mục này sẽ nêu những tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt. Khi một
vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên và các kích thước
của nó giãn ra. Năng lượng có thể được truyền tới các vùng lạnh hơn của mẫu chất nếu
tồn tại gradient nhiệt độ và cuối cùng, mẫu chất có thể chảy ra. Nhiệt dung, giãn nở nhiệt
và độ dẫn nhiệt là những tính chất thường được quan tâm đối với các vật liệu rắn.
4.2.1. Nhiệt dung
Nhiệt dung cho biết khả năng của vật liệu hấp thu nhiệt từ bên ngoài, nó biểu thị
phần năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ lên một đơn vị. Bằng ngôn ngữ toán học, nhiệt
dung C được viết như sau:
C=
(5.34)
**Trong đó dQ - năng lượng cần để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT
**
Thông thường, nhiệt dung được tính theo mol của vật liệu (chẳng hạn J/mol. K hoặc
cal/mol.K). Nhiệt dung riêng (thường ký hiệu bằng chữ c nhỏ) là nhiệt dung của một đơn
vị khối lượng vật liệu, có đơn vị J/kg.K hoặc cal/g.K).
Trong thực tế, có hai cách đo nhiệt dung của vật liệu tương ứng với các điều kiện
môi trường kèm theo sự truyền nhiệt. Một là nhiệt dung đẳng tích Cv (thể tích mẫu được
giữ không đổi) và hai là nhiệt dung đẳng áp Cp luôn luôn lớn hơn Cv. Tuy nhiên, sự khác
nhau giữa chúng là rất ít đối với đa số các vật liệu rắn ở nhiệt độ phòng và thấp hơn.
Nhiệt dung do dao động mạng.
Trong đa số các vật rắn, dạng cân bằng năng lượng nhiệt chủ yếu là bằng sự tăng
năng lượng dao động của các nguyên tử. Nguyên từ trong vật liệu rắn không ngừng dao
động ở tần số rất cao và với biên độ tương đối nhỏ. Những dao động của các nguyên tử lân
cận phối hợp với nhau bằng liên kết nguyên tử và theo phương thức truyền sóng mạng, có
thể xem đó là những sóng đàn hồi hay nói đơn giản là những sóng âm, có bước sóng ngắn
và tần số rất cao, lan truyền trong tinh thể với tốc độ âm thanh. Năng lượng dao động
nhiệt của vật liệu bao gồm một dãy các song đàn hồi có phân bố và tần số khác nhau. Theo
lý thuyết lượng tử, năng lượng dao động nhiệt trong chất rắn bị lượng tử hoá; chỉ có một
số giá trị năng lượng là được phép. Một lượng tử đơn của năng lượng dao động được gọi
[70]
là một phonon (tương tự như lượng tử của bức xạ điện từ phonon). Bản thân song dao
động có khi cũng được gọi bằng thuật ngữ phonon.
Chính những dao động song (song đàn hồi) này gây nên tần xạ nhiệt của các điện tử
tự do như trong dẫn điện điện tử (mục 5.1.14) và cũng tham gia vận chuyển năng lượng
trong dẫn nhiệt (xem mục 5.2.3).
Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung
Biến thiên theo nhiệt độ của nhiệt dugn đẳng tích của nhiều chất rắn tinh thể tương
đối đơn giản như nêu trên hình 5.33: Cv bằng không ở OK nhưng tăng lên nhanh theo nhiệt
độ. Điều này tương ứng với khả năng của các song mang nâng cao năng lượng trung bình
của mình. Khả năng này được tăng lên theo nhiệt độ. Ở các nhiệt độ thấp, mối quan hệ
giữa Cv, và nhiệt độ T là:
Cv = AT3
(5.35)
**Trong đó A- hằng số không phụ thuộc vào nhiệt độ.
**
ở trên nhiệt độ
D
gọi là nhiệt độ Debyte, Cv ở nhiệt độ phòng là 25 J/mol. K
( 6 cal/mol.K ). Bảng 5.5 giới thiệu nhiệt rung riêng thực nghiệm của một số vật liệu.
Bảng 5.5. Tính chất nhiệt của một số vật liệu
Vật liệu
Cp
J/kg(1)
10-60C-1
K
W/m.K(2)
L
Ω. W/(K)2.106
Kim loại:
Nhôm
Đồng
Vàng
Sắt
Niken
Bạc
Volfram
Thép 1025
Thép không gỉ 316
Brông ( 70Cu – 30 Zn)
Gốm:
Nhôm Oxyt (Al2O3)
Berili oxyt (BeO)
Magiêoxyt ( MgO)
Spilen ( Mg Al2O3)
Silic đioxyt (SiO2)
Thuỷ tinh Na
Polyme:
Polyetylen
Polyprotylen
90
386
130
448
443
235
142
486
502
375
23.6
16.5
13.8
11.8
13.3
19.0
4.5
12.5
16.0
20.0
247
398
315
80.4
89.9
428
178
51.9
16.3 (3)
120
2.24
2.27
2.52
2.66
2.10
2.32
3.21
-
775
1050(3)
940
790
740
840
8.8
9.0(4)
13.5(3)
7.6(3)
0.5(3)
9.0(3)
60- 220
80- 100
50- 85
30.1
220(4)
37.7(4)
15.0(4)
2.0(4)
1.7(4)
0.38
0.12
0.13
-
2100
1880
[71]
-
Polystyren
Polytetrafloetylen (teflon)
Phenolphomaldehyt (bakelit)
Ninon 6.6
Polyizopren
1360
1050
1650
1670
135150
68
80- 90
220
0.25
0.15
0.24
0.14
-
Ghi chú: 1. Để chuyển đổi thành cal/g, K cần nhân với 2.39.10-4
**2. Để chuyển đổi thành cal/ s.cm, K cần nhân với 2.39.10-3
**
3. Giá trị đo ở 1000C
4. Giá trị trung bình lấy trong khoảng nhiệt độ 0
1 000 0C
**Các đóng góp nhiệt dung khác
**
Còn có các cơ chế hấp thụ năng lượng khác cũng có thể đóng góp vào nhiệt dung
toàn phần của chất rắn. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp những đóng góp này đều nhỏ so
với thành phần dao động. Có thành phần điện tử vì các điện tử hấp thụ năng lượng do sự
tăng động năng của mình. Tuy nhiên, điều này chỉ có thể đối với các điện tử dẫn. Chúng
được kích thích từ các mức đầy lên các mức còn trống ở trên năng lượng Fermi (mục
5.1.13). Trong kim loại, chỉ có những kim loại mới có khả năng chuyển dời như thế và số
này chỉ chiếm một phân lượng nhỏ của tổng số. Một tỷ phần còn nhỏ hơn nữa của các điện
tử được kích thích trong các vật liệu cách điện và bán dẫn. Do vậy, phần đóng góp của
điện tử thông thường là không đáng kể, ngoại trừ trường hợp gần nhiệt độ OK.
Ngoài ra, trong một số vật liệu, các quá trình hấp thụ năng lượng khác xảy ra ở một
số nhiệt độ, ví dụ, sự hỗn loạn hoá các spin điện tử khi nung vật liệu sắt từ qua nhiệt độ
Curie làm xuất hiện một pic mạnh trên đường cong nhiệt dung - nhiệt độ.
5.2.2. Giãn nở nhiệt
Đa số các vật liệu rắn đều nở ra khi nung và co lại khi nguội. Sự thay đổi chiều dài
theo nhiệt độ của vật liệu rắn có thể được biểu thị như sau:
= α1 (Tr – T0)
(5.36a)
Hay là
= α1
(5.36b)
Trong đó l0 là lr – tương ứng chiều dài ban đầu và chièu dài cuối cùng khi thay đổi
nhiệt độ từ T0 đến Tr
α1 - hệ số dài của giãn nở nhiệt. oC-1
[72]
Đương nhiên, sự nung nóng hay làm nguội tác dụng lên tất cả các kích thước của
vật thể, dẫn đến sự thay đổi thể tích có thể tính theo biểu thức:
(5.37)
Trong đó Vo và ∆V – tương ứng thể tích ban đầu và độ biến thiên thể tích.
- hệ số thể tích của giãn nở nhiệt
Ở nhiều loại vật liệu, giá trị của
là dị hướng, có nghĩa là nó phụ thuộc vào
hướng tinh thể. Đối với các vật liệu mà sự giãn nở nhiệt có đẳng tích hướng thì
gần
đúng bằng 3
Từ góc độ cấu trúc, sự giãn nở nhiệt được phản ánh bởi sự tăng khoảng cách trung
bình giữa các nguyên tử. Hiện tượng này có thể giải thích dễ nhất bằng cách xét đường
cong thay đổi thế năng theo khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật liệu rắn (hình 5.34).
Đường cong có dạng một hố thế năng, và khoảng cách nguyên tử cân bằng r o ở OK tương
ứng với cực tiểu của hố. Nung nóng để tăng dần nhiệt độ lên (T1, T2, T3,…) sẽ làm tăng
năng lượng dao động từ E1 lên E2, E3,… Biên độ dao động trung bình của một nguyên tử
tương ứng bề rộng của hố thế năng ở từng nhiệt độ và khoảng cách trung bình giữa các
nguyên tử được biểu thị bởi vị trí trung bình, khoảng cách này tăng lên theo nhiệt độ r o đến
r1, r2, r3,…
Thực ra, giãn nở nhiệt lien quan với dạng đường cong bất đối xứng của hố thế năng
hơn là với các biên độ dao động dạng nguyên tử được tăng lên. Nếu đường cong thế năng
là đối xứng (hình 5.34b) thì sẽ không có sự thay đổi nào về khoảng cách trung bình giữa
các nguyên tử, và hệ quả sẽ không có giãn nở nhiệt.
Hình 5.34. Sơ đồ giản thích sự giãn nở nhiệt khi đường cong thế năng không đối
xứng (a) và không giãn nở nhiệt khi đường cong thế năng đối xứng (b)
Đối với mỗi loại vật liệu (kim loại, gốm và polymer), năng lượng lien kết nguyên tử
càng lớn thì hố thế năng này càng sâu và càng hẹp hơn; kết qủa là với mức tăng nhiệt độ
đã cho, độ tăng khoảng cách nguyên tử sẽ ít hơn, gây nên giá trị α l nhỏ hơn. Bảng 5.5 liệt
kê hệ số giãn nở nhiệt dài của một số vật liệu. Chú ý đến sự phụ thuộc nhiệt độ, độ lớn của
hệ số giãn nở tăng theo nhiệt độ đặc biệt nhanh ở khu vực gần OK. Còn các giá trị cho trên
bảng 5.5 là ở nhiệt độ phòng, nếu như không có ghi chú gì khác.
Kim loại
Như đã ghi ở bảng 5.5 hệ số giãn nở nhiệt dài của một số kim loại phổ thông nằm
trong khoảng từ 5.10-6 đến 25.10-6(oC)-1. Trong nhiều ứng dụng, độ ổn định kích thước cao
khi nhiệt độ thăng giáng là rất quan trọng. Điều này đạt được nhờ phát triển một hệ hợp
kim sắt – niken và sắt –coban có trị số αl vào cỡ 10-6(oC)-1. Một hợp kim như thế đã được
[73]
dự kiến có các đặc trưng giãn nở giống như của thuỷ tinh Pyrex; khi được gắn với Pyrex
và chịu biến thiên nhiệt độ sẽ tránh được ứng suất nhiệt và sự nứt gãy có thể có ở chỗ nối.
Gốm
Trong nhiều vật liệu gốm, lực liên kết giữa các nguyên tử khá mạnh, và được phản
ánh ở giá trị hệ số giãn nở nhiệt tương đối thấp, trong khoảng 0,5 – 10 -6 và 15.10-6(oC)-1. Ở
các gốm không tinh thể và các gốm có cấu trúc tinh thể lập phương. αl là đẳng hướng.
Ngược lại, có một số vật liệu gốm dị hướng, khi nung nóng thì chúng co lại theo một số
hướng tinh thể và nở ra theo một vài hướng khác. Ở các thuỷ tinh hữu cơ, hệ số giãn nở
phụ thuộc vào thành phần. Thuỷ tinh SiO2 tinh khiết có hệ số giãn nở cực kỳ nhỏ: 0,5. 106 o
( C)-1. Điều này được giả thiết bởi mật độ nguyên tử thấp đến mức sự giãn cách giữa các
nguyên tử chỉ gây nên những biến đổi kích thước vi mô tương đối nhỏ. Tạp chất làm tăng
hệ số giãn nở.
Vật liệu gốm làm việc trong điều kiện thăng giáng nhiệt cần phải có hệ số giãn nở
nhiệt tương đối thấp và đẳng hướng. Ngoài ra, những vật liệu giòn này có thể bị nứt vỡ do
thay đổi kích thước không đồng đều, gọi là “sốc” nhiệt sẽ được nói tới ở sau.
Polyme
Nhiều vật liệu polymer giãn nở nhiệt rất mạnh, hệ số αl trong khoảng từ 50.10-6 đến
300. 10-6(oC)-1. Giá trị αl cao nhất tìm thấy ở các polymer mạch thẳng và phân nhánh bởi vì
trong đó các liên kết thứ cấp giữa các phân tử là yếu và chỉ có một số tối thiểu mạch lien
kết ngang. Khi tăng liên kết ngang hệ số giãn nở sẽ giảm và có trị số thấp nhất trong các
polymer tinh thể chịu nhiệt như bakelit, trong đó liên kết hầu như hoàn toàn là đồng hoá
trị.
4.2.3. Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ
thấp của vật liệu. Tính chất đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu là độ dẫn nhiệt,
được định nghĩa theo biểu thức
q=-k
(5.38)
**trong đó q - mật độ nhiệt thông, tức là dòng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong
**
một đơn vị thời gian (diện tích được lấy vuông góc với hướng của dòng nhiệt):
k - hệ số dẫn nhiệt.
dT/dx – građient nhiệt độ qua môi trường dẫn nhiệt.
Đơn vị của q và k tương ứng là W/m2 và W/m.K. Phương trình (5.38) chỉ có giá trị
đối với dòng nhiệt ở trạng thái ổn định, nghĩa là trong điều kiện mà mật độ dòng nhiệt
[74]
không thay đổi theo thời gian. Dấu trừ trong biểu thức chỉ dòng nhiệt truyền từ chỗ nóng
đến chỗ lạnh, tức là theo hướng giảm građien nhiệt độ.
Phương trình (5.38) có dạng tương tự với định luật Fick I của hiện tượng khuếch
tán nguyên tử (chương 3), k tương tự hệ số khuếch tán D và građient nhiệt độ có vai trò
của građient nồng độ dC/dx.
Các cơ chế dẫn nhiệt
Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền bởi cả song dao động mạng (phonon) và
điện tử tự do. Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của hai thành phần theo hai cơ chế đó:
k = k1 + ke
(5.39)
**trong đó: k1, ke - độ dẫn nhiệt bởi dao động mạng và bởi điện tử, thông thường thì
**
một trong hai thành phần đó chiếm ưu thế. Năng lượng nhiệt các phonon, tức là các song
mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. Thành phần k1 gây bởi chuyển
động thuần của các phonon từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp trong vật thể.
Các điện tử tự do (các điện tử dẫn) cũng tham gia dẫn nhiệt. Ở vùng nóng của vật
liệu điện tử tự do có động năng lớn hơn. Chúng di chuyển đến những vùng lạnh hơn, và
một phần động năng này được chuyển bù thêm cho các nguyên tử (năng lượng dao động)
như là kết qảu của các va chạm với phonon hay là với các khuyết tật mạng. Phần đóng góp
tương đối của ke tăng theo nồng độ điện tử tự do vì có nhiều điện tử hơn tham gia vào quá
trình dẫn nhiệt.
Kim loại
Trong kim loại với độ sạch cao, cơ chế điện tử vận chuyển nhiệt có ưu thế hơn phần
đóng góp của phonon vì điện tử không dễ bị tán xạ như phonon và có tốc độ lớn hơn. Kim
loại là chất dẫn nhiệt hết sức tốt do có số lượng khá lớn điện tử tự do tham gia dẫn nhiệt.
Bảng 5.5 cho độ dẫn nhiệt của nhiểu kim loại thông dụng, nói chung có giá trị trong
khoảng 20 – 400 W/m.K.
Vì địên tử tự do chịu trách nhiệm cả dẫn nhiệt và dẫn điện trong kim loại tinh khiết,
tính toán lý thuyết cho thấy hai độ dẫn đó có mối lien hệ phù hợp với định luật
Wiedemann Franz:
L=
(5.40)
**Trong đó: σ - độ dẫn điện:
**
T - nhiệt độ tuyệt đối
L - hằng số. Giá trị lý thuyết của L là 2,44.10-8Ω.W/(K)2, không phụ thuộc nhiệt độ
và như nhau đối với tất cả mọi kim loại nếu năng lượng nhiệt được vận chuyển hoàn toàn
[75]
bằng điện tử tự do. Đáng chú ý là giá trị lý thuyết này phù hợp rất tốt với các giá trị L thực
nghiệm của các kim loại đã cho trong bảng 5.5.
Tạp chất trong kim loại làm giảm độ dẫn nhiệt, lý do giống như đối với độ dẫn
điện. Cụ thể là các nguyên tử tạp chất, đặc biệt là trong dung dịch rắn, hoạt động như
những tâm tán xạ, hạ thấp hiệu quả của chuyển động điện tử. Đồ thị độ dẫn nhiệt theo
thành phần của các hợp kim đồng - kẽm (hình 5.35) cho thấy hiệu ứng đó. Theo xu thế đó,
thép không gỉ dẫn nhiệt kém hơn sắt hoặc thép hợp kim thấp.
Gốm
Các vật liệu phi kim loại đều là những chất cách nhiệt vì chúng không có nhiều điện
tử tự do. Như vậy, phonon chịu trách nhiệm chủ yếu trong dẫn nhiệt: ke rất nhỏ so với k1.
Phonon vận chuyển năng lượng nhiệt không có hiệu quả như điện tử tự do, do phonon bị
tán xạ rất mạnh bởi khuyết tật mạng.
Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu gốm cho ở bảng 5.5 nằm trong khoảng 2 ÷ 50
W/m.K ở nhiệt độ phòng. Thuỷ tinh và các gốm vô định hình khác có độ dẫn nhiệt thấp
hơn các gốm tinh thể, vì tán xạ phonon mạnh hơn nhiều khi cấu trúc nguyên tử có mức độ
không trật tự cao.
Tán xạ của các dao động nhiệt 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 nhất là ở
những nhiệt độ tương đối thấp. Hình 5.36 cho thấy, độ dẫn nhiệt bắt đầu tăng lên ở nhiệt
độ cao hơn, đó là do truyền nhiệt bức xạ; lượng nhiệt bức xạ hồng ngoại đáng kể có thể
được vận chuyển qua một số vật liệu gốm trong suốt. Hiệu quả của quá trình này tăng lên
theo nhiệt độ.
Lỗ xốp trong vật liệu gốm có thể gây ảnh hưởng mạnh đến độ dẫn nhiệt; trong đa
số trường hợp, sự tăng thể tích lỗ xốp làm giảm độ dẫn nhiệt. Trong thực tế, nhiều gốm sử
dụng làm vật liệu cách nhiệt đều có độ xốp cao. Sự truyền nhiệt qua các lỗ xốp thường là
chậm và không có hiệu quả. Các lỗ xốp bên trong thường còn chứa không khí, khí này có
độ dẫn nhiệt cực kỳ thấp, khoảng 0,02 W/m.K. Hơn nữa, sự đối lưu khí trong các lỗ xốp
cũng không có hiệu quả đáng kể.
Polyme
Như đã ghi trong bảng 5.5 độ dẫn nhiệt của đa số các polymer là vào cỡ 0,3
W/m.K. Đối với loại vật liệu này, năng lượng 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, polymer có cấu
trúc tinh thể và trật tự cao sẽ có độ dẫn nhiệt lớn hơn so với vật liệu vô định hình tương
đương. Đó là do dao động hiệu dụng hơn của các mạch phân tử ở trạng thái tinh thể.
Polyme thường được ứng dụng làm chất cách nhiệt nhờ có độ dẫn nhiệt thấp. Tính
cách nhiệt của chúng, cũng như của gốm, có thể được nâng cao hơn bằng cách đưa vào
[76]
những lỗ xốp nhỏ, thường được tạo ra bằng cách khuấy bọt trong khi polymer hoá.
Polystyren đã tạo bọt (Styrofoam) được dùng phổ biến để làm cốc uống và hộp cách nhiệt.
4.2.4. Ứng suất nhiệt.
Ứng suất nhiệt là ứng suất được gây ra trong vật thể do sự thay đổi nhiệt độ. Tìm
hiểu nguồn gốc và bản chất của ứng suất nhiệt là rất quan trọng vì những ứng suất này có
thể dẫn tới sự nứt vỡ hoặc biến dạng dẻo không mong muốn.
Ứng suất do sự giãn và co bị hạn chế
Ta hãy xét một thanh đặc đồng chất và đẳng hướng bị nung nóng hoặc làm lạnh
đồng đều, nghĩa là không có gradient nhiệt độ. Khi giãn hoặc co tự do, thanh sẽ không chịu
ứng suất. Tuy nhiên, nếu như chuyển động dọc trục của thanh bị giới hạn bởi các giá cứng
chặn ở hai đầu thì sẽ có ứng suất nhiệt. Độ lớn σ của ứng suất gây bởi độ biến thiên nhiệt
độ từ To đến Tr là:
σ = Eαr(To- Tr)
(5.41)
**Trong đó E – môđun đàn hồi
**
α1- hệ số giãn nở nhiệt dài
Khi nung nóng (Tr > To) ứng suất sẽ là nén (σ < 0), vì sự giãn nở của thanh đã bị
giữ lại. Đương nhiên, khi ithanh bị làm lạnh (Tr < To) thì sẽ có ứng suất kéo ((σ > 0). Cũng
vậy, ứng suất theo biểu thức (5.41) cũng là ứng suất cần thiết để nén (hoặc kéo) đàn hồi
thanh mẫu trở về độ dài ban đầu sau khi nó chịu giãn nở do biến đổi nhiệt độ To – Tr.
Ứng suất gây bởi građient nhiệt độ.
Khi một vật rắn bị nung hoặc làm nguội, sự phân bố nhiệt độ bên trong sẽ phụ
thuộc vào kích thước và hình dạng của nó, vào độ dẫn nhiệt của vật liệu và chỉ số biến đổi
nhiệt độ. Ứng suất nhiệt có thể hình thành do građient nhiệt độ gây ra bởi sự nung nóng
hoặc làm nguội nhanh và làm cho phần ngoài thay đổi nhiệt độ nhanh hơn phần phía trong.
Các biến đổi kích thước bộ phận có tác dụng hạn chế sự giãn hoặc co của những phần thể
tích xung quanh. Chẳng hạn khi nung nóng, phần ngoài của mẫu sẽ nóng hơn, và do đó sẽ
giãn mạnh hơn các vùng trong. Như vậy ứng suất bề mặt và ứng suất nén, xuất hiện và bị
cân bằng bởi các ứng suất kéo ở bên trong. Mối tương quan ứng suất trong – ngoài sẽ đảo
lại khi làm nguội nhanh làm cho bề mặt chịu ứng suất kéo.
Sốc nhiệt của vật liệu giòn.
Đối với các kim loại và polymer dễ uốn, ứng suất nhiệt sinh ra có thể được giảm
nhẹ nhờ có biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên, đối với đa số vật liệu gốm, tính khó uốn sẽ làm
tăng khả năng phá huỷ giòn do ứng suất nhiệt. Nguội nhanh sễ gây ra sốc nhiệt hơn là
[77]
nung nóng, vì ứng suất nhiệt sinh ra là ứng suất kéo. Sự tạo thành vết nứt và sự lan truyền
các vết nứt từ bề mặt xảy ra dễ hơn khi có ứng suất kéo.
Khả năng của vật liệu chống lại loại phá huỷ này được gọi là độ bền xung nhiệt.
Đối với gốm bị làm nguội nhanh, độ bền xung nhiệt phụ thuộc không những vào độ lớn
của sự thay đổi nhiệt độ mà còn vào tính chất cơ và nhiệt của vật liệu. Độ bền xung nhiệt
tốt nhất ở các gốm có độ bền nứt σr cao và độ dẫn nhiệt cao, cũng như môđun đàn hồi và
hệ số giãn nở nhiệt thấp. Độ bền của nhiều vật liệu chống lại loại phá huỷ này có thể ước
tính bằng thông số kháng sốc nhiệt TSR (tiếng Anh Temperature Shock Resistance).
TSR
(5.42)
Có thể phòng ngừa sốc nhiệt bằng cách biến đổi các điều kiện ngoài để giảm bớt
tốc độ nguội hoặc nung nóng và hạn chế građient nhiệt độ trong vật thể đến mức tối thiểu.
Cải thiện các đặc trưng nhiệt và cơ trong biểu thức (5.42) cũng có thể nâng cao tính kháng
sốc nhiệt của vật liệu. Trong các thông số này, hệ số giãn nở nhiệt là dễ biến đổi và dễ
khống chế nhất. Ví dụ, thuỷ tinh Na phổ thông, thường có αl vào khoảng 9. 10-6(oC)-1 đặc
biệt nhạy với sốc nhiệt như chúng ta vẫn biết. Bằng cahc giảm hàm lượng CaO và Na2O
đồng thời bổ sung B2O3 vào để tạo thành thuỷ tinh borosilicate (tức Pyrex) thì sẽ giảm
được hệ số giãn nở xuống tới khoảng 3. 10-6(oC)-1; vật liệu này hoàn toàn thích hợp cho
các chu trình nung nóng và làm nguội của lò nung. Đưa vào một số lỗ xốp tương đối lớn
hoặc một pha thứ hai mềm cũng có thể cải thiện đặc tính sốc nhiệt cuả vật liệu, cả hai biện
pháp này đều có tác dụng ngăn ngừa sự lan truyền các vết nứt nhiệt.
Thường cần phải khử ứng suất nhiệt trong các vật liệu gốm như là một biện pháp để
cải thiện độ bền cơ và đặc tính quang học của chúng. Điều này có thể thực hiện bằng ủ.
4.3. Tính Chất Từ
Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc đẩy hoặc ảnh hưởng lên các vật liệu
khác đã được biết từ hang nghìn năm nay. Tuy nhiên, những nguyên lý và cơ chế sâu xa
giải thích hiện tượng từ phức tạp và bí ẩn đến mãi thời gian khá gần đây các nhà khoa học
vẫn chưa hiểu được. Nhiều loại thiết bị công nghệ hiện đại của chúng ta dựa trên từ học và
vật liệu từ: Các máy phát và các máy biến thế điện lực, các động cơ điện, radio, điện thoại,
máy tính, và các thanh phần của hệ thống tái tạo nghe nhìn.
Sắt, một số loại thép và đá nam châm thiên nhiên là những vật liệu về các vật có
tính từ. Tuy nhiên, trên thực tế thì tất cả các chất đều phải chịu tác động ở mức độ này hay
mức độ khác của một từ trường hiện hữu. Phần này trình bày tóm tắt về nguồn gốc của từ
trường , vector từ trường và các thông số từ (Các hiện tượng thuận từ, nghịch từ, sắt từ và
ferit từ) về một số vật liệu từ khác nhau và hiện tượng siêu dẫn.
[78]
**4.3.1. Các khái niệm cơ bản
**
4.3.1.1. Lưỡng cực từ
Lực từ là do các hạt mang điện tích chuyển động gây ra. Nhiều khi cần hiểu lực từ
là lực của từ trường. Để chỉ hướng của các lực từ tại các vị trí xung quanh nguồn của từ
trường người ta vẽ các đường sức từ. Đường sức từu cho ta hình ảnh cụ thể về sự phân bố
của từ trường. Ví dụ trên hình 5.37 là của một vòng dây điện và một thanh nam châm.
Lưỡng cực từ tồn tại trong các vật liệu từ. Về một số mặt chúng tương tự như
những lưỡng cực điện(mục 5.1.4b). Lưỡng cực tù có thể xem như một thanh nam châm
nhỏ , gồm hai đầu cực bắc (N) và cực nam (S), thay cho điện tích dương và âm. Để đơn
giản ta chỉ biểu diễn các lưỡng cực từ bằng những mũi tên như chỉ trên hình 5.37c. Lưỡng
cực từ chịu sự tác động của từ trường tương tự như lưỡng cực điện chịu sự tác động của
điện trường ( hình 5.26). Lực của từ trường làm xoay các lưỡng cực hướng theo trường.
Một hiện tượng rất quen thuộc là hiện tượng kim la bàn từ hướng theo từ trường trái đất.
4.3.1.2. Các vector từ trường.
Từ trường ngoài được biểu diễn bằng H và gọi là cường độ từ trường . Từ trường
sinh ra trong một ống dây hình trụ (solenoid),gồm N vòng dây quán khít nhau với chiều
dài l và tải một dòng điện cường độ I (Hình 5.38b) tính bằng
H = NI/l
(5.43)
**Từ trường do vòng dây điện và thanh nam châm sinh ra như trên hình 5.37 là
**
trường H. Đơn vị đo H là ampe – vòng/mét hoặc là A/m.
Cảm ứng từ hay mật độ từ thong B, biểu thị từ trường bên trong chất chịu tác dụng
của trường H. Đơn vị đo của B là Tesla [ Tức Weber trên mét vuông (Wb/m2) ]
Cả B và H đều là những vector trường đặc trưng bởi độ lớn và chiều trong không
gian của trường.
Cường độ từ trường và mật độ từ thong có quan hệ với nhau theo biểu thức.
B = µH
(5.44)
**Tham số µ được gọi là độ thẩm từ, là tính chất riêng của môi trường. Trong đó H
**
tác dụng. Đại lượng B được đo minh họa trên hình 5.38b. Độ thẩm từ dược đo bằng Weber
trên ampe – mét (Wb/A.m) hay là henri trên mét (H/m)
Trong chân không thì
BO = µ O H
(5.45)
**Trong đó µ O - độ thẩm từ của chân không . Một hằng số vũ trụ có giá trị bằng 4
**
π .10 −7 ( 1,257.10-6) H/m;
[79]
**BO mật độ từ thông trong chân không như minh họa trên hình 5.38a
**
Có nhiều thông số mô tả tính chất từ của vật rắn. Ví dụ tỷ số giữa độ thẩm từ trong
vật liệu và độ thẩm từ trong chân không :
µr = µ / µ0
(5.46)
**Trong đó µ r độ thẩm từ tương đối không có thứ nguyên.
**
Độ thẩm từ hoặc độ thẩm từ tương đối của vật liệu là số đo mức độ từ hóa vật liệu
hoặc khả năng mà trường B được cảm ứng trong vật liệu khi có trường ngoài H .
Vector từ hóa ( Từ độ ) µ của vật rắn được xác định theo biểu thức.
B = µ0 H + µ0 M
(5.47)
**Khi ở trong từ trường H các momen từ của vật liệu định hướng theo trường đó và
**
**tăng cường nó bằng chính từ trường riêng của chúng. Số hạng µ 0 M trong (5.47) chính là
**
thành phần đóng góp đó.
**Độ lớn của M tỷ lệ với trường đặt vào là :
**
M = χmH
(5.48)
**Và χ m được gọi là độ từ hóa ( hệ số từ hóa) không có thứ nguyên . Hệ số từ hóa và
**
độ thẩm từ tương đối liên hệ với nhau theo:
χm = µr −1
(5.49)
**Các đơn vị từ rất dễ nhầm lẫn bởi thực tế có hai hệ được sử dụng phổ biến. Một là
**
SI (rationalized MKS [meter – kilogram – second ]); Hệ kia là CGS – EMU (centimeter –
gram – second – electromagnectic unit ) . Các đơn vị của hai hệ đó và các hệ số chuyển đổi
cho trong bảng 5.6
Bảng 5.6. Các đơn vị từ và các hệ số chuyển đổi giữa hai hệ SI và CGS – EMU
Đại lượng Ký hiệu
Cảm ứng B
từ (mật
độ
từ
thông)
Cường độ
từ trường H
Đơn vị SI
Dẫn xuất
Đơn vị
Gốc
Tesla(Wb/m2)
Kg/s.C
Ampe.vòng/m C/m.s
[80]
CGS- EMU
gauss
oersted
Chuyển đổi
1Wb/m2 = 104
gauss
1ampe.vòng/m
=4 π .10-4
ersted
Vector từ M
hóa (Từ ( SI )
độ)
Maxwell/cm2
Ampe.vòng/m C/m.s
I
(CGS − EMU )
Độ thẩm
từ
của
µ0
chân
không
µr
Độ thẩm
từ tương (SI)
đối
µ′
4 π .10-7
henry/m = 1
Không đơn vị emu
Henry/m
Không đơn vị
µr = µ′
2
Kg.m/C
(CGS – EMU)
χm
Độ từ hóa
( hệ số từ (SI)
hóa)
χ′
1ampe.vòng/m
=
10-3
maxwell/cm2
Không đơn vị
Không đơn vị
Không
đơn vị
χ m = 4πχ m′
(CGS– EMU)
Chú ý:
Đơn vị Weber (Wb) Là volt .second (V.s)
Đơn vị henry (H) là weber/ampe (Wb/A)
4.3.1.3.Nguồn gốc của momen từ
Các tính chất từ vĩ mô của vật liệu đều là hệ quả của các momen từ gắn với từng
điện tử. Khái niệm này khá phức tạp và dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử nên vượt
quá phạm vi của sách này . Dưới đây trình bày một sơ đồ được đơn giản hóa. Mỗi điện tử
trong một nguyên tử đều có các momen từ với hai nguồn gốc. Một liên quan đến quỹ đạo
của nó chuyển động quanh hạt nhân. Là một điện tích chuyển dộng. Mỗi điện tử có thể
xem như một dòng điện vòng nhỏ, sinh ra một từ trường rất yếu . Do đó có một momen từ
hướng dọc theo hướng quỹ đạo của nó, như minh họa trên hình 5.39a
[81]
**Mặt khác, mỗi điện tử còn có một chuyển động riêng là chuyển động xung quanh
**
trục của bản thân ( gọi là spin) .Do đó xuất hiện các momen từ nữa, bắt nguồn từ spin điện
tử, hướng theo trúc spin như trên hình 5.39b.
Momen từ spin điện tử chỉ có thể nhận 2 chiều đối song nhau, hoặc hướng “lên”,
hoặc hướng “xuống”. Như vậy mỗi điện tử trong nguyên tử có thể coi như một nam châm
vĩnh cửu nhỏ, có momen từ quỹ đạo và momen từ spin
Momen từ đơn vị là Magneton Bohr µ Γ có giá trị là 9,27.10-24 A.m2 . Đối với mỗi
điện tử trong nguyên tử, momen từ spin chỉ có thể nhận một trong 2 giá trị ± µ Γ ( cộng cho
spin hướng lên và trừ cho spin hướng xuống). Còn momen từ quỹ đạo thì bằng m1 .µ Γ là số
lượng tử từ ( số lượng tử không gian) của điện tử.
Trong mỗi nguyên tử cô lập, momen từ quỹ đạo và spin. Đối với một nguyên tử đã
có các lớp điện tử hoàn toàn đầy , momen tổng của nó bị triệt tiêu. Như vậy, vật liệu cấu
tạo bởi nguyên tử có các lớp điện tử hoàn toàn đầy thì không thể bị từ hóa vĩnh cửu. ví dụ
các khí trơ ( He, Ne, Ar….) cũng như nhiều vật liệu iôn khác
Trong vật liệu tồn tại các dạng từ tính sau: Thuận từ, nghịch từ, và sắt từ. Ngoài ra
phản sắt từ và feri từ được xem là những dạng phụ của sắt từ. Mỗi vật liệu đều tồn tại ít
nhất một trong dạng từ tính đó và tính chất từ của vật liệu phụ thuộc vào hành vi của các
lưỡng cực từ nguyên tử và điện tử dưới tác dụng của từ trường ngoài.
4.3.2. Nghịch từ và thuận từ.
Nghịch từ là một dạng rất yếu của từ tính, không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có một
trường ngoài tác dụng. Trường cảm ứng sinh ra do có sự thay đổi chuyển động quỹ đạo
của điện tử bởi trường ngoài.
Momen từ cảm ứng có trị số rất nhỏ và hướng ngược chiều với từ trường ngoài.
Như vậy độ thẩm từ tương đối µ r nhỏ hơn 1 ( tuy nhiên chỉ rất ít thôi) và độ từ hóa là âm.
Nghĩa là cường độ của trường B ở trong vật rắn nghịch từ sẽ nhỏ hơn ở trong chân không.
Độ từ hóa thể tích χ m của vật rắn nghịch từ vào khoảng 10-5. Khi đặt vào giữa hai cực của
một nam châm điện mạnh. Các vật liệu nghịch từ sẽ bị hút về phía những khu vực từ
trường yếu.
Hình 5.40a minh họa cấu hình các lưỡng cực từ nguyên tử của một vật liệu nghịch
từ khi có và không có từ trường ngoài. ở đây các mũi tên biểu thị các momen lưỡng cực
nguyên tử, khác với trình bày trước đây, các mũi tên chỉ biểu thị các momen điện tử . Sự
phụ thuộc của B vào từ trường ngoài H đối với vật liệu nghịch từ biểu diễn trên hình 5.41.
Bảng 5.7 ghi độ từ hóa của nhiều vật liệu nghịch từ.
[82]
H
H=0
a)
H
H=0
Sắt từ
**Hình 5.40. Cấu hình sắp xếp momen lưỡng cực tử trong vật liệu nghịch từ (a) và
**
thuận từ (b) khi có và không có từ trường ngoài.
Thuận từ
Chân không
Nghịch từ
Cường độ từ trường H
[83]
**Hình 5.41. Sơ đồ mật độ từ thông B và cường độ từ trường H đối với các
**
vaatjlieeuj thuận từ, nghịch từ và sắt từ
Tính nghịch từ có ở hầu hết tất cả các vật liệu, nhưng vì nó rất yếu nên chỉ có thể
quan sát được khi không có các dạng từ tính khác, do đó chúng ít có ý nghĩa thực tế.
Bảng 5.7. Hệ số từ hóa của nhiều vật liệu nghịch từ và thuận từ
Nghịch từ
Vật liệu
Nhôm ôxyt
Đồng
Vàng
Thủy ngân
Silic
Bạc
Natri clorua
Kẽm
Hệ số từ hóa χ m
(thể tích,đơn vị SI)
-1.81.10-5
-0.96.10-5
-3.44.10-5
-2.85.10-5
-0.41.10-5
-2.38.10-5
-1.41.10-5
-1.56.10-5
Thuận Từ
Vật liệu
Nhôm ôxyt
Đồng
Vàng
Thủy ngân
Silic
Bạc
Natri clorua
Kẽm
Hệ số từ hóa χ m
(thể tích,đơn vị SI)
2.07.10-5
3.13.10-5
1.51.10-5
3.70.10-5
1.19.10-5
8.48.10-5
1.81.10-5
1.09.10-5
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 mômen từ spin và các mômen từ quỹ đạo. Khi
không có từ trường ngoài, các mômen từ nguyên tử này định hướng hỗn loạn, do đó vật
liệu sẽ không có vector từ hóa vĩ mô riêng. Khi có từ trường ngoài các lưỡng cực nguyên
tử này quay tự do và tính thuận từ chỉ thể hiện khi sự quay này tạo ra một đinh hướng ưu
tiên nào đó như trên hình 5.40b. Kết quả làm tăng từ trường ngoài , gây ra độ thẩm từ
tương đối µ r lớn hơn 1 và do đó độ từ hóa tương đối nhỏ nhưng dương ( xem bảng 5.7 và
hình 5.41)
Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính bởi vì
chúng chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài . Mật độ từ thông trong chúng hầu như
giống trong chân không.
4.3.3. Sắt từ
Một số vật liệu kim loại có mômen từ vĩnh cửu ngay cả khi không có từ trường
ngoài và có mật độ từ rất lớn. Đó là hiện tượng sắt từ, đặc trưng ở các kim loại chuyển
tiếp: Sắt, côban, niken và một số kim loại đất hiếm như gadoli ( Gd). Hệ số từ hóa của các
vật liệu sắt từ có thể tới 106, làm cho H<<M và từ biểu thức 5.47 có thể viết:
B ≅ µ0 M
(5.50)
**Mômen từ vĩnh cửu trong các vật liệu sắt từ do spin điện tử sinh ra- đó là các spin
**
điện tử không tự triệt tiêu lẫn nhau. Sự đóng góp của mômen từ quỹ đạo so với mômen
[84]
spin. Hơn nữa, trong vật liệu sắt từ , tương tác ghép làm cho các mômen từ spin của các
nguyên tử lân cận định hướng song song với nhau ngay cả khi không có từ trường ngoài
( xem hình 5.42). Nguồn gốc của lực ghép này chưa được hiểu đầy đủ nhưng được biết là
do cấu trúc điện tử của kim loại . Sự định hướng spin song song với nhau giớ hạn trong
các miền thể tích tương đối lớn được gọi là các miền từ hóa tự nhiên ( xem mục 5.3.6)
Từ độ cực đại tức là từ độ bão hòa M s của một vật liệu sắt từ biểu thị từ độ được
tạo ra khi tất cả các lưỡng cực từ trong vật rắn đã được định hướng theo từ trường ngoàì.
Khi đó mật độ từ thông bão hòa : Bs . Độ từ hóa bão hòa bằng thể tích mômen từ riêng của
mỗi nguyên tử và số nguyên tử tương ứng là: 2,22; 1,72; 0,60 magneton Bohr
Mn2+
Hình 5.42. Sơ đồ minh họa sự định
O2-
Hình 5.43. sơ đồ sắp xếp phản song song
Hướng của các lưỡng cực từ nguyên
của các momen từ spin trong mangan oxyt
Tử trong vật liệu sắt từ
phản sắt từ
**4.3.4. Phản sắt từ và Feri từ .
**
4.3.4.1. Phản sắt từ.
Hiện tượng này là kết quả của sự định hướng phản song song : Sự sắp xếp của các
mômen từ spin của các nguyên tử hoặc các ion lân cận theo các hướng đối nghịch nhau
một cách chính xác được gọi là hiện tượng phản sắt từ. Mangan ôxyt (MnO) lad một vật
[85]
liệu phản sắt từ . Đó là một vật liệu gốm mang đặc trưng ion, có cả hai ion Mn2+ và O2không có mômen từ riêng bởi cả mômen spin và mômen quỹ đạo đều triệt tiêu hoàn toàn.
Tuy nhiên, các mômen Mn2+ lại có mômen từ riêng với nguồn gốc spin chiếm ưu thế .
Trong cấu trúc tinh thể, những ion Mn2+ lân cẫneeps mômen từ phản song song nhau ( hình
5.43). Hiển nhiên là các mômen từ đó sẽ triệt tiêu lẫn nhau và hậu quả là toàn bộ chất rắn
sẽ không có mômen từ riêng
4.3.4.2. Feri từ
Một số vật liệu gốm cũng thể hiện tính từ hóa vĩnh cửu gọi là feri từ. Các đặc trưng
từ vĩ mô của các chất sắt từ và feri từ tương tự nhau ở nguồn gốc của các mômen từ.
Nguyên lý của feri từ được minh họa bởi những feri lập phương . Những vật liệu ion này
có thể được iểu diễn bằng công thức hóa học MFe2O4. Trong đó M là một hay nhiều
nguyên tố kim loại . Ferit điển hình Fe3O4 (manhetit khoáng).
Công thức của Fe3O4 có thể viết thành Fe2+O2- - (Fe3+)2(O2)3 trong đó các ion sắt tồn
tại ở cả hai trạng thái hóa trị +2 và +3 với tỷ số 1:2. Mỗi Ion Fe2+ và Fe3+ có một mômen từ
spin riêng tương ứng bằng 4 và 5 magneton Bohr. Ngoài ra các ion O2- là trung hòa về từ .
Giữa các ion sắt có sự ghép các ion từ spin phản song song tương tự như phản sắt từ .
Tuy nhiên mômen từ spin lại do sự triệt tiêu không hoàn toàn của các mômen từ spin.
Ferit lập phương có cấu trúc tinh thể spinen đảo . Cấu trúc spinen có thể xem như
được tạo ra từ các mặt phẳng xếp chặt của các ion O 2-. Ngoài ra, có hai loại vị trí có thể bị
các ion Fe được bao quanh bởi 4 ion oxy gần nhất. Đối với loại kia, số phối trí bằng 6.
Với cấu trúc spinen đảo này một nửa số ion Fe3+ nằm ở các vị trí tám mặt , còn nửa kia
nằm ở các vị trí 4 mặt,các ion Fe2+ đều nằm ở các vị trí tám mặt .
Cation
Nút
tám mặt
mạng
Nút mạng 4
mặt
Fe3+
Moomen từ
riêng
Triệt
hoàn toàn
tiêu
Fe2+
Ghi chú:Mỗi mũi tên biểu diễn đinh hướng của một cation
Sự sắp xếp các mômen từ spin được biểu diễn trong bảng 5.8. Mômen từ spin của
tất cả ion Fe3+ khử lẫn nhau và do đó không có sự đóng góp nào vào sự từ hóa của chất
rắn . Còn các momen Fe2+ với momen spin sắp xếp theo cùng chiều hướng sẽ có momen
tổng đảm bảo sự từ hóa. Như vậy độ bão hòa của chất rắn Feri từ có thể tính bằng tích của
các momen spin riêng của mỗi ion Fe2+ với số ion Fe2+ tương ứng.
[86]
Các Ferit lập phương thanh phần mới có thể tạo ra nhờ thay thế một số ion Fe trong
cấu trúc tinh thể bằng các ion kim loại phụ gia. Trong công thức hóa học của Ferit M2+O2- (Fe3+)2(O2-)3, thay thế cho Fe2+, M2+ cũng là các ion hóa trị hai như : Ni2+,Mn2+, Co2+, Cu2+.
Mỗi ion đó có một momen từ spin riêng khác 4 ( xem bảng 5.9)
Bảng 5.9 :Momen từ riêng của cation
Cation
Momen
từ
riêng (magneton Bohr)
Fe3+
5
Fe2+
4
Mn2+
5
Co2+
3
Ni2+
2
Cu2+
1
Như vậy bằng cách điều chỉnh các thành phần tạo ra các hợp chất Ferit có tính chất
từ khác nhau. Ví dụ từ Ferit Ni với công thức NiFe2O4 có thể tạo ra các hợp chất Ferit hỗn
hợp chứa 2 ion kim loại hóa trị hai như (Mn, Mg) Fe2O3 trong đó tỷ số Mn2+:Mg2+ có thể
thay đổi
Các vật liệu gốm khác có tính chất Ferit gồm các ferit sáu phương và các garnet .
Ferit sáu phương có cấu trúc tương tự như spinen đảo , với đối xứng lục giác, công thức
hóa học của chúng là AB12O19 trong đó A là kim loại hóa trị hai như :Ba, Pb, Sr. Còn B là
loại hóa trị ba như: Al, Ga, Cr hoặc Fe. Hai ferit sáu phương phổ biến là PbFe12O19 và
BaFe12O19
Các garnet có cấu trúc tinh thể rất phức tạp , được biểu diễn bằng công thức tổng
quát RE3Fe5O12. ở đây RE là một ion đất hiếm như : Sm, Eu, Gd, hoặc Y.Phổ biến nhất là
garnet Y3Fe5O12.
Độ từ hóa bão hòa của các vật liệu feri từ không cao như các chất sắt từ. Mặt khác
các ferit ở các dạng vật liệu gốm là những điện môi điện tử tốt. Trong một số ứng dụng từ,
chẳng hạn như các biến thế cao tần, độ dẫn điện thấp là điều mong muốn nhất.
[87]
**4.3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN TÍNH CHẤT TỪ
**
Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử trong vật rắn sẽ tăng, các
momen từ nguyên tử sẽ quay dễ dàng. Do đó khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các
nguyên tử dẫn tới sự hỗn loạn của mọi momen từ.
Đối với các vật liệu sắt từ , phản sắt từ và feri từ , chuyển đông nhiệt nhiệt nguyên
tử chống lại lực tương tác ghép giữa các momen lưỡng cực nguyên tử., gây ra sự xếp
hướng lầm lẫn của các lưỡng cực, kể cả khi có từ trường ngoài. Do đó từ độ bão hòa của
các chất sắt từ và feri từ đều giảm. Từ độ bão hòa sẽ cực đại ở từ độ OK vì khi đó dao
động nhiệt là cực tiểu. Khi nhiệt độ tăng, từ độ bão hòa giảm dần và sau đó tụt tới 0 ở
nhiệt độ curie Tc. Đặc tính từ độ - nhiệt độ của Fe và Fe3O4 được biểu diễn trên hình 5.45.
ở nhiệt độ Tc lực ghép spin với nhau mất tác dụng và khi nhiệt độ cao hơn Tc. Vật liệu sắt
từ và Feri từ đều trở thành thuận từ. Nhiệt độ curie thay đổi theo vật liệu , ví dụ sắt, coban,
niken, Fe3O4 có các trị số tương ứng là ;: 768, 1120, 335, và 5850C..
Tính phản sắt từ cũng phụ thuộc nhiệt độ. Nó biến mất ở nhiệt độ Neel. Cao hơn
nhiệt độ này ở các vật liệu phản sắt từ cũng trở thành nghịch từ.
4.3.6. ĐÔMEN ( MIỀN TỪ ) VÀ TỪ TRỄ
Mỗi vật liệu sắt từ và feri từ ở nhiệt độ dưới Tc được cấu tạo bởi những vùng thể
tích nhỏ, trong đó tất cả các momen lưỡng cực từ đều định hướng song song với nhau với
độ từ hóa đạt bão hòa ( hình 5.46). Mỗi vùng đó gọi là một miền từ (đômen) – một miền từ
hóa tự nhiên. Các đômen lân cận phân cách nhau bởi các vùng biên hay vách . qua đó
hướng từ hóa thay đổi dần ( hình 5.47). Thông thường các đômen có kích thước vi mô và
trong đa tinh thể mỗi hạt có thể chứa các đômen đơn. Do đó một vật rắn sẽ có một số
lượng lớn đômen với những hướng từ hóa khác nhau. Từ trường M của vật rắn sẽ là tổng
vector từ hóa của tất cả các đômen. Phần đóng góp của mỗi đomen phụ thuộc vào thể tích
của nó. Một vật chứa từ hóa có tổng vector từ hóa của tất cả các đômen bằng không.
Đối với chất sắt từ và feri từ, mật độ từ thong B và cường độ từ trường H không tỷ
lệ với nhau.Nếu như vậy vật chưa được từ hóa sơ bộ thì hàm số B biến đổi theo H giống
như hình 5.48. Đường cong đi từ gốc ,khi H tăng thì B lúc đầu cũng tăng chậm, sau nhanh
hơn, cuối cùng nằm ngang vì không phụ thuộc vào H nữa. Gía trị cực đại này của B được
gọi là mật độ từ thong bão hòa Bs, tương ứng với độ từ hóa bão hòa Ms , đã nêu ở trên.
Theo phương trình 5.44.Độ thẩm từ µ là độ dốc của đường cong B-H.
Hình 5.48 cho thấy µ phụ thuộc vào H. Độ dốc đường cong B-H tại điểm H=0 là
một đặc tính của vật liệu, được gọi là độ thẩm từ ban đầu µ i .
Khi trường H tác dụng, các đômen thay đổi hình dạng và kích thước nhờ sự dịch
chuyển các vách đômen. Trên hình 5.48 là sơ đồ cấu trúc miền từ tại nhiều điểm dọc theo
đường cong B-H. Ban đầu, momen của các đômen định hướng hỗn loạn không có trường
[88]
**B( Hoặc M).Khi có từ trường ngoài, những đômen nào có định hướng thuận lợi (hoặc gần
**
song song) với từ trường ngoài sẽ lớn hơn nhờ thu hẹp các đômen khác hướng không
thuận lợi. Qúa trình này được phát triển theo cường độ từ trường H cho đến khi vật rắn trở
thanh đơn đômen duy nhất đinh hướng như gần từ trường ngoài. Bão hòa tù bắt đầu khi
đơn đômen tự quay để định hướng theo từ trường H.
Từ điểm bão hòa S ( hình 5.49), khi từ trường H giảm và đổi hướng đường cong
không trùng với đường ban đầu nữa vì trừ B đã giảm chậm hơn trường đặt vào H. Đó là
hiện tượng trễ từ. Tại điểm R khi trường H bằng 0 vẫn còn một trường B được gọi là độ
từ dư hay là mật độ từ thong dư Br , tức là vật liệu vẫn còn bị từ hóa khi đã mất từ trường
ngoài H.
Tính trễ và độ từ hóa vĩnh cửu có thể được giải thích bằng sự dịch chuyển của các
vách đômen. Khi giảm và đổi hướng từ trường từ điểm bão hòa S (hình 5.49) thì quá trình
biến đổi cấu trúc đômen cũng đổi lại. Trước hết là sự xoay hướng của cả đơn đômen theo
trường hướng mới. Tiếp đó, những đômen có momen xếp theo trường hướng mới sẽ hình
thành và lớn lên nhờ mất dần các đômen cũ. Tuy nhiên, sự chuyển dịch các vách miền từ
để tăng từ trường theo hướng ngược lại bị cản trở, gây ra hiện tượng trễ của B theo H. Khi
trường ngoài bằng 0, một phần thể tích của các đômen vẫn còn định hướng theo trường cũ,
đó là nguyên nhân tồn tại của độ từ dư Br .
Để giảm trường B ( Điểm C, hình 5.49) cần đặt một trường H có trị số - Hc ngược
với hướng ban đầu; Hc được gọi là độ khử từ, hay là lực khử từ. Tiếp tục tăng cường độ
trường theo hướng ngược lại thì cũng đạt tới bão hòa ở phía đối diện ứng với điểm S`.
Tiếp tục biến đổi trường lần nữa cho tới điểm bão hòa ban đầu (S) sẽ kết thúc một vòng từ
trễ và có thêm một độ từ dư âm (-Br) và một độ khử từ dương (Hc).
Đặc tuyến B-H trên hình 5.49 biểu diễn một vòng từ trễ đạt tới bão hòa. Tuy nhiên,
vẫn có trễ từ mà không cần tăng trường H cho đến bão hòa trước khi đổi hướng trên hình
5.50 vòng NP là một đường từ trễ chưa bão hòa. Như vậy, có thể đổi hướng trường tại một
điểm bất kỳ trên đường cong và tạo ra những vòng từ trễ khác nhau. Hình 5.50 cho thấy
vòng trễ LM tương ứng trường H được biến đổi tới không. Một phương pháp phá bỏ từ
hóa ( khử từ) một chất sắt từ hay feri từ là từ hóa lặp đi lặp lại trong một trường H luôn đổi
hướng và giảm cường độ.
4.3.7. VẬT LIỆU TỪ MỀN
Kích thước và hình dạng của đường cong từ trễ của các vật liệu sắt từ và feri từ có
tầm quan trọng thực tế. Diện tích bên trong vòng từ trễ biểu thị tổn hao năng lượng trong
một đơn vị thể tích vật liệu, trong một chu trình từ hóa – khử từ. Tổn hao năng lượng được
tính bằng lượng nhiệt sinh ra trong vật liệu và làm tăng nhiệt độ của nó.
[89]
Các vật liệu sắt từ và feri từ được phân hóa thành vật liệu từ mền hoặc vật liệu từ
cứng tùy theo đặc tính từ trễ của chúng . Vật liệu từ mền được sử dụng trong các linh kiện
chiu từ trường xoay chiều với tổn hao năng lượng phải thấp; Ví dụ , làm lõi máy biến thế.
Vì lý do này diện tích vòng từ trễ phải nhỏ, vòng cần mảnh và hẹp như trên hình 5.51. Do
đó, vật liệu từ mền thẩm từ ban đầu cao và độ khử thấp. Vật liệu đó có thể đạt được độ từ
hóa bão hòa bằng một từ trường tương đối thấp( tức dễ bị từ hóa và khử từ) và có tổn hao
năng lượng từ trễ thấp.
Từ trường bão hòa và độ từ hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu. ví dụ,
trong các ferit lập phương, sự thay thế Fe2+ bằng một ion kim loại hóa trị hai như Ni2+
( trong FeO- Fe2O3) sẽ làm thay đổi độ từ hóa bão hòa. Ngược lại hệ số từ hóa và độ khử
từ Hc lại nhạy với biến đổi cấu trúc hơn là biến đổi thành phần. Ví dụ, sự dịch chuyển dễ
dàng của các vách đômen khi từ trường thay đổi độ lớn và hướng làm cho trường (lực )
khử từ nhỏ. Trong khi đó các khuyết tật cấu trúc như các hạt không từ tính hoặc các lỗ
trống trong vật liệu từ lại kìm hãm sự chuyển động của các vách đômen và do đó làm tăng
trường khử từ. Như vậy, vật liệu từ mền phải không có các khuyết tật cấu trúc.
Một tính chất quan trọng nữa của vật liệu từ mền là điện trở. Ngoài tổn hao từ trễ
còn có tổn hao năng lượng gây bởi dòng điện được cảm ứng trong vật liệu do từ trường
biến thiên cường độ và hướng theo thời gian, đó là dòng điện xoáy. Để giảm tổn hao năng
lượng này đặc biệt ở tần số cao cần sử dụng các vật liệu từ mền có điện trở suất lớn. Các
vật liệu đó có thể là các hợp kim ( dạng dung dịch rắn) sắt- silic và sắt – niken. Các ferit
gốm được dùng phổ biến vì chúng là những chất cách điện thuần túy. Tuy nhiên, khả năng
ứng dụng hơi bị hạn chế do chúng có hệ số từ hóa tương đối nhỏ. Gần đây vật liệu từ mền
vô định hình và nanomet (finemet) dạng băng mỏng của các hợp kim hệ Fe ( Cr, Ni, Co) –
B (Si) với tính từ mền tốt đang được khai thác sử dụng đặc biệt trong tần số chung và cao.
Tính chất của các vật liệu từ mền xem ở bảng 5.10. Tính từ mền của các vật liệu có thể
được nâng cao cho một số ứng dụng nhờ xử lý nhiệt trong từ trường. Bằng cách này có thể
nhận được một vòng từ trễ chữ nhật rất thích hợp trong mạch khuếch đại từ và biến thế
xung. Ngoài ra vật liệu từ mền còn được dung trong các máy phát, động cơ, đinamô và
mạch chuyển đổi.
Bảng 5.10. các tính chất tiêu biểu của vật liệu từ mền
Vật liệu
Độ
thẩm
Thành phần
từ
tương
%
trọng đối
lượng
ban
đầu µ i
Điện
Tổn hao từ suất
Mật độ từ
trễ
trong
Ωm
thông bão
một
chu
hòa, Tesla
trình , J/m3 (
(Gauss)
erg/ cm3)
Sắt thỏi thương mại
99,95 Fe
2.14
150
[90]
270
1.0.10-7
trở
( 2700)
Sắt silic ( đinh hướng)
45 permalloy
97 Fe, 3Si
55 Fe, 45 Ni
1400
2500
(21 400)
40
2.01
(400)
(20 100)
120
1.60
(1200)
4.7.10-7
4.5.10-7
(16 600)
Supermalloy
79 Ni, 15 Fe
75000
5Mo, 0,5 Mn
Ferrox cube A
48 Mn Fe2O4
1400
52 ZnFe2O4
Ferrox cube B
36 NiFe2O4
650
64 ZnFe2O4
6.0.10-7
0.80
(8 000)
40
0.33
(400)
(3 300)
35
0.36
(350)
2 000
107
(3 600)
**4.3.8. VẬT LIÊU TỪ CỨNG
**
Vật liệu từ cứng được dùng làm nam châm vĩnh cửu, vật liệu này cần có độ từ dư,
trường khử từ và mật độ từ thông bão hòa cao cũng như độ thẩm từ ban đầu thấp và tổn
hao từ trễ cao. Các đặc tính từ trễ của vật liệu từ cứng cho trên hình 5.51. Có thể lien hệ độ
cứng tương đối (năng lượng từ) của vật liệu với tích số Br, Hc, nó bằng khoảng hai lần
năng lượng càn để phá hủy từ hóa một đơn vị thể tích vật liệu. Như vậy, vật liệu từ có
năng lượng càng cao nếu tích Br, Hc càng lớn. Như đã nêu, tính cánh từ trễ lien quan tới
khả năng dịch chuyển các vách đômen từ. Khi sự dịch chuyển này bị cản trở thì từ trường
khử từ và hệ số từ hóa đều tăng lên, để phá hủy từ hóa cần một trường ngoài lớn. Rõ ràng
quá trình này có lien quan tới cấu trúc vi mô của vật liệu. Sự dịch chuyển vách đômen sẽ
khó khăn khi có những phần tử tiết ra nhỏ mịn. Đa số nam châm vĩnh cửu được sử dụng
rộng rãi là thép sắt từ hợp kim với volfram và crom khi xử lý nhiệt thích hợp, kết hợp với
cacbon trong thép tạo thành những hạt volfram cacbit và crom cacbit phân tán. Chúng kìm
hãm đặc biệt hiệu quả sự dịch chuyển vách đômen. Một số hợp kim từ cứng được phát
triển sau này có chứa nhiều nguyên tố hợp kim như sắt, coban, niken, nhôm và đồng. Nhờ
xử lý nhiệt thích hợp sẽ tạo ra những hạt sắt- coban đơn đômen có từ tính cao ở trong nền
[91]
**một pha không từ tính. Các hợp kim chứa đất hiếm (Sm, Nd, Pr,…) có và không có coban
**
loại tinh thể và vi tinh thể có triển vọng sử dụng lớn nhờ các đặc trưng từ cứng rất cao của
chúng. Các feri từ được dùng làm nam châm đều là ferit sáu phương. Bảng 5.11 giới thiệu
tính chất của một số loại vật liệu từ cứng.
Bảng 5.11. Giới thiệu các tính chất tiêu biểu của vật liệu từ cứng
Vật liệu
Trường khử
thành phần Độ từ dư
từ
Hc
%
trọng Br tesla
Ampe.vong/m
lượng
(Gauss)
(oersted)
Thép cacbon
Mactenxit
Thép volfram
98,1 Fe
0,9 C1Mn
92,8Fe6W
0,5 Cr
Cunife
20Fe20Ni
60Cu
Cunico
29Co21Ni
50Cu
Alnico 8 thiêu 34Fe7Al
kết
14Ni35Co
4Co5Ti
Ferrox dur
( định hướng)
0,95
(9 500)
0,95
(9 500)
0,54
(5 400)
0,34
(3 400)
0,76
(7 600)
0,32
(3 200)
400
(50)
5 900
(74)
44 000
( 550)
54 000
(650)
123 000
( 1 550)
240 000
(3 000)
(BH)max
Nhiệt độ Điện trở
J/m3
ρ
curie
(Gauss –
suất
0
Ωm
Tc C
Oersted)
1 600
(0,2.106)
2 600
(0.33.106)
12 000
(1,5.106)
6 400
(0,8.106)
36 000
(4,5.106)
20 000
(2,5.106)
-
-
760
3,0.10-7
410
1,8.10-7
860
2,4.10-7
860
450
-
≈ 104
BaO6Fe2O3
4.3.9.LƯU TRỮ TỪ
Trong những năm qua vật liệu từ đã ngày càng quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ
thông tin, ví dụ, đối với máy tính. Trong khi các linh kiện bán dẫn chỉ dùng làn bộ nhớ sơ
cấp, thì các đĩa và băng từ lại có khả năng lưu trữ những lượng thông tin lớn và với giá
thành thấp hơn. Ngày nay ngành công nghiệp ghi âm và truyền hình đang hy vọng nhiều
vào băng từ để lưu trữ và cải tạo các chương trình audio (nghe) và video (nhìn).
Các dữ liệu máy tính, âm thanh hoặc hình ảnh dưới dạng các tín hiệu điện tử đều
được chuyển nạp rồi lưu giữ lại trong các khu vực rất nhỏ của môi trường lưu trữ từ. Việc
nạp thông tin và lấy ra từ băng hoặc đĩa được thực hiện nhờ một đàu từ. Đó là một cuộn
dây quấn xung quanh một lõi (vật liệu từ) có xẻ một khe. Dữ liệu được đưa vào (hay
“ghi”) bằng tín hiệu điện qua cuộn dây làm lõi từ sinh một từ trường đi qua khe. Từ trường
[92]
này sẽ từ hóa một khu vực rất nhỏ trên đĩa hoặc băng (nằm trực tiếp bên trong đầu từ). Khi
ngắt trường, sự từ hóa vẫn còn lưu lại và tín hiệu đã được lưu trữ. Cũng chính đầu từ đó
được dùng để tái hiện (tức là “đọc”) thông tin đã lưu trữ. Khi băng hoặc đĩa đi qua khe của
đầu từ, mỗi một biến đổi của từ trường băng (đĩa) sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng trong
cuộn dây đầu từ. Điện áp này được khuếch đại rồi chuyển về dạng (hoặc đặc trưng)
nguyên gốc. Đa số các từ môi đều gồm những hạt rất nhỏ dạng hình kim hoặc que của ferit
γ − Fe 2O3 hay các hợp kim pha tạp của nó. Khi chế tạo những hạt này được sắp xếp sao
cho trục dài của chúng song song với hướng chuyển động qua đầu từ (hình 5.52).
Mỗi hạt là một đơn đômen, chỉ có thể bị từ hóa sao cho momen từ của nó nằm dọc
theo trục đó. Có thể có hai trạng thái từ, tương ứng với vecto từ hóa bão hòa theo hướng
trục và hướng ngược lại. Hai trạng thái này có thể lưu trữ thông tin ở dạng số ( số 1 và số 0
). Trong một hệ thống, số 1 được biểu diễn bằng một phép đổi lại hướng từ trường, từ một
khu vực nhỏ trong môi trường lưu trữ sang một khu vực khác, khi có nhiều hạt hình kim
của mỗi một khu vực như vậy đi qua đầu từ. Thiếu phép đổi hướng giữa các khu vực lân
cận sẽ được biểu thị bởi số 0.
Vòng từ trễ cho môi trường lưu trữ từ phải tương đối hẹp và chữ nhật. Yêu cầu này
bảo đảm cho sự lưu trữ được vĩnh cửu và sự đảo chiều từ hóa chỉ xảy ra trong một khoảng
hẹp của cường độ từ trường đặt vào. Thông thường mật độ từ thông bão hòa nằm từ 0,4 và
0.6 Tesla.
4.3.10. SIÊU DẪN (ĐIỆN)
Siêu dẫn về cơ bản là một hiện tượng điện : Tuy nhiên có những vấn đề phức tạp
liên quan đến trạng thái siêu dẫn và ngoài ra các vât liệu siêu dẫn được ứng dụng trước tiên
trong các nam châm có khả năng tạo ra những từ trường cao.
Đa số các kim loại khi được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần OK thì điện trở giảm
xuống từ từ , đạt tới một giá trị nhất định, đó là đặc tính của riêng kim loại. Tuy nhiên có
một số ít vật liệu, khi ở nhiệt độ rất thấp, điện trở giảm đột ngột từ một giá trị xác định
xuống tới không và vẫn giữ như vậy khi tiếp tục làm lạnh nữa. Đó là hiện tượng siêu dẫn
(điện). Các vật liệu đó được gọi là các chất siêu dẫn. Còn nhiệt độ tại đó đạt tới trạng thái
siêu dẫn được goi là nhiệt độ giới hạn Tc. Hình 5.53 cho biết đặc trưng điện trở - nhiệt độ
của các vật liệu siêu dẫn va không siêu dẫn. Nhiệt độ tới hạn thay đổi tùy theo tính chất
siêu dẫn nhưng chỉ trong khoảng từ dưới 1K cho đến 20K đối với kim loại và hợp kim.
Mới đây người ta đã phát hiện một số gốm oxyt phức hợp có nhiệt độ tới hạn tới 100K
hoặc cao hơn (siêu dẫn nhiệt độ cao).
ở những nhiệt độ dưới Tc trạng thái siêu dẫn sẽ mất đi khi đặt vào một từ trường đủ
mạnh, gọi là từ trường tới hạn Hc, Hc phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm khi nhiệt độ tăng.
Tương tự có một mật độ dòng điện tới hạn Jc thấp hơn nó vật liệu vẫn là siêu dẫn . Hình
5.54 là sơ đồ không gian nhiệt độ - từ trường – mật độ dòng điện . Phân chia các trạng thái
[93]
dẫn thường và siêu dẫn. Vị trí của biên giới phân chia đương nhiên phụ thuộc từng vật
liệu. Ở vùng nhiệt độ , từ trường và mật độ dòng điện nằm trong khoảng giữa gốc tọa độ
và biên giới này, vật liệu sẽ là siêu dẫn; Ngoài biên giới vật liệu dẫn điện bình thường.
Hiện tượng siêu dẫn được giải thích bằng một lý thuyết khá phức tạp. Về bản chất,
trạng thái siêu dẫn có được là do tương tác giữa cặp điện tử dẫn . Chuyển động của những
điện tử ghép cặp này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt và các nguyên tử tạp
chất. Nhờ vậy, điện trở vốn tỷ lệ với cường độ tán xạ điện tử sẽ bằng không.
Căn cứ vào hành vi từ các chất vật liệu siêu dẫn, các vật liệu siêu dẫn có thể phân
chia thanh loại I và loại II. Vật liệu loại I, khi đang ở trạng thái siêu dẫn là hoàn toàn
nghịch từ tức là mọi từ trường đặt vào đều bị vật siêu dẫn đẩy ra ( hình 5.54a). Còn khi trở
lại trạng thái dẫn điện bình thường thì từ trường lại đi qua ( hình 5.54b). Hiện tượng này
có tên gọi hiệu ứng Mcissner ( hình 5.55). Khi tăng H , vật liệu vẫn là nghịch từ cho đến từ
trường tới hạn Hc. Tại điểm này tính dẫn điện trở lại bình thường và từ thông xâm nhập
toàn bộ vật liệu. Nhiều kim loại như nhôm, chì ,thiếc thuộc loại I.
Các chất siêu dẫn loại II nghịch từ hoàn toàn khi từ trường đặt vào thấp và đẩy toàn
bộ từ trường ra ngoài. Tuy nhiên, sự chuyển biến trạng thái siêu dẫn sang trạng thái dẫn
thường diễn ra từ từ, giữa từ trường tới hạn dưới và từ trường tới hạn trên, ký hiệu tương
ứng là Hc1 và Hc2. Tại Hc1 các đường từ thông bắt đầu xâm nhập vào vật liệu và quá trình sẽ
kết thúc tại Hc2. Tại từ trường của Hc1 và Hc2, vật liệu tồn tại trong trạng thái hỗn hợp gồm
những vùng dẫn thường và vùng siêu dẫn.
Các chất siêu dẫn loại II ưu điểm hơn siêu dẫn loại I do nhiệt độ và từ trường tới
hạn của chúng cao. Hiện nay, ba chất siêu dẫn được sử dụng phổ biến là hợp kim niobi ziêconi ( Nb – Sn), niobi – titan (Nb – Ti) và hợp chất liên kim loại niobi – thiếc (Nb 3Sn).
Bảng 5.12 cho biết một số chất siêu dẫn loại I và loại II cùng với mật độ và từ thông tới
hạn của chúng.
Rất gần đây (1986-1987), một loại vật liệu gốm chứa đồng oxyt, bình thường là
chất cách điện, đã được phát hiện là các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao một cách
khác thường. Nghiên cứu đầu tiên tập chung vào hợp chất YBa2Co3O7 Với cấu trúc tinh thể
phức tạp kiểu perovski và nhiệt độ tới hạn khoảng 95K. Các vật liệu gốm siêu dẫn mới có
nhiệt độ tới hạn cao hơn cũng đã và đang được phát triển. Ví dụ, Hệ Bi- Ca- Cu- O có T c
≈ 115K. Hệ TI – Ba – Ca- Cu- O có Tc = 125K và hệ Hg- Ba- Cu- O có Tc= 130K. Các vật
liệu này thuộc nhóm vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ cao. Bản chất và cơ chế siêu dẫn của
chúng hiên nay chưa hoàn toàn sáng tỏ.
Triển vọng ứng dụng của những vật liêu này khá lớn, vì nhiệt độ tới hạn của chúng
ở trên 77K, tức cho phép dùng nitơ lỏng, một chất làm lạnh rẻ so với hydro lỏng và heli
lỏng. Tuy nhiên, vật liệu gốm siêu dẫn mới cũng có nhiều nhược điểm. Trước hết là tính
giòn của chúng, hạn chế khả năng chế tạo siêu dẫn dạng dây sợi.
[94]
Bảng 5.12 . Nhiệt độ và mật độ từ thông tới hạn của một số vật liệu siêu dẫn chọn lọc.
Vật liệu
**Nhiệt độ tới Mật độ từ Vật liệu
**
Nhiệt độ Mật độ từ
hạn Tc, K
thông
tới
tới
hạn thông
tới
βc
βc
Tc, K
hạn
hạn
(1
(1)
tesla )
tesla
Các nguyên tố
Các hợp chất và hợp kim
Nhôm
1.18
0.0105
Hợp kim Nb- Ti 10.2
12
Chì
7.19
0.0803
Hợp kim Nb- Zr 10.8
11
Thủy ngân
4.15
0.0411
Nb3Sn
18.3
22
Thiếc
3.72
0.0305
Nb3Al
18.9
32
Titan
0.40
0.0056
Nb3Ge
23.0
30
Vofram
0.02
0.0001
V3Ga
16.5
22
Niobi (Nb) 9.26
Pb6Mo6O8
14.0
45
Ghi chú: 1) Mật độ từ thông tới hạn ( µ 0 H c ) của các nguyên tố được đo ở 0K. Đối
với các hợp chất và hợp kim lấy là µ 0 H C′ 2 bằng tesla đo ở 0K.
Hiện tượng siêu dẫn có những ứng dụng thưc tế đa dạng. Các nam châm siêu dẫn
có khả năng tạo ra những từ trường mạnh có công suất tiêu thụ thấp hơn hiện đang được
sử dụng trong các thiết bị thử nghiệm và nghiên cứu khoa học. Chúng cũng đang được ứng
dụng trong lĩnh vực cộng hưởng từ (MR) và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI). Trong y học
như một công cụ chuẩn đoán . Những bất thường trong các mô và cơ quan nội tạng có thể
được phát hiện nếu tạo được những ảnh cắt chéo. Có thể phân tích hóa sinh các mô cơ thể
nhờ phổ cộng hưởng từ( MRS).
Vật liệu siêu dẫn còn có những ứng dụng quan trọng khác . Các lĩnh vực đang được
khai thác bao gồm: 1) Truyền tải điện năng bằng vật liệu siêu dẫn với tổn hao công suất
thấp và trang thiết bị sẽ được vận hành ở điện áp thấp; 2) Nam châm cho các máy hạt năng
lương cao; 3) truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao hơn cho máy tính; 4) tàu đệm từ
cao tốc với đệm nâng nhờ lực đẩy của từ trường
Trở ngại lớn nhất để áp dụng các vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm
chủ nhiệt độ rất thấp. Hy vọng là các khó khăn này sẽ được khắc phục cùng với sự phát
triển các thế hệ mới của các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao hợp lý.
**4.4. TÍNH CHẤT QUANG
**
Tính chất quang được hiểu là hành vi của vật liệu đối với tác dụng của bức xạ điện
tử và đặc biệt là ánh sáng trông thấy. Trong phần này trình bày trước hết mọt số nguyên lý
và khái niệm cơ bản liên quan đến bản chất của bức xạ điện từ và những tương tác có thể
của nó đối với vật rắn. Tiếp đó là các tính chất quang của các vật liệu kim loại và phi kim
loại với các đặc trưng hấp thụ , phản xạ, và lan truyền của chúng. Mục cuối cùng sẽ nêu
khái quát về huỳnh quang, quang dẫn, laze, và ứng dụng thực tế của các hiện tượng đó.
[95]
**4.4.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
**
4.4.1.1. Bức xạ điện từ
Theo quan niệm cổ điển, bức xạ điện từ được xem như là sóng gồm hai thành phần
từ trường và điện trường vuông góc với nhau và với cả phương truyền ( hình 5.56). ánh
sáng nhiệt ( hay là năng lương bức xạ), sóng rada, sóng radio, tia R o ntgen tất cả đều là
dạng bức xạ điện từ. Mỗi một dạng được đặc trưng trước tiên bởi phạm vi đặc thù của
bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó. Phỏ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ ( do các chất
phóng xạ phát ra) có bước song cờ 10-12m( 10-3 mm). Qua tia Rôntgen, tia tử ngoại, ánh
sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và cuối cùng đến sóng radio ( sóng vô tuyến điện) với bước
sóng dài tới 105m. Phổ này được cho trên hình 5.56 theo thang loga.
Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng từ 0,4 µm
(4.10-7 m) đến 0,7 µm . Màu sắc cảm nhận được do bước sóng xác định, ví dụ bức xạ có
bước sóng cỡ 0,4 µm hiện màu tím. Ánh sang trắng đơn giản là hỗn hợp của các màu sắc .
Phần này chủ yếu trình bày các vấn đề có liên quan đến các bức xạ nhìn thấy, theo định
nghĩa chỉ là những bức xạ mà mắt ta nhạy cảm được.
Tất cả các bước xạ điện từ đều truyền qua chân không với cùng một tốc độ bằng tốc
độ anh sáng (C=3.108 m/s).Tốc độ này liên hệ với hắng số điện môi ε0 và độ thẩm từ của
chân không µ0 bởi hệ thức C=1/
Hơn nữa tần số
theo hệ thức:
và bước sóng
của bức xạ điện từ đều là hàm số của tốc độ C
C=
**số được đo bằng (Hz),một Hz bằng một chu kỳ trong một giây .Thang tần số của
**
dạng bức xạ điện từ khác nhau cũng cho trên phổ hình(hình 5.57)
Nhiều khi tích hợp hơn là xem bức xạ điện từ theo quan điểm cơ học lương tử .Bức
xạ điện từ không phải là các sóng mà là gồm các nhóm hay các bó năng lượng được gọi là
các photon .Năng lượng E cảu một photon bị lượng tử hóa ,tức là chỉ có thể có những giá
trị riêng quy định bởi hệ thức:
E=hv=hC/
Trong dó h:hắng số Planck.có giá trị 6,63.10-34J.s.Như vậy năng lượng photon tỷ lệ
với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ.Năng lượng photon cũng được cho
trên phổ điện từ (hình 5.57)
Khi mô tả những hiện tượng quang học liên quan đến tươn tác giữa bức xạ và chất
thì sự lý giải thường thuận lợi hơn nếu xem xét ánh sáng theo quan điểm photon .Trong
một số trường hợp khác thì quan niệm sóng lại thích hợp hơn .Đôi khi lại sử dụng cả hai
cách tiếp cận .
[96]
**4.4.1.2 .Tương tác ánh sáng với vật rắn
**
Khi anh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác (chẳng hạn từ không khí
vào vật rắn )thì một số bức xạ ánh sáng có thể truyền qua môi trường .một số bị hấp thụ và
một số bị phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường .cường độ Io của chùm sáng
truyền qua .hấp thụ và phản xạ tương ứng là IT,IAvà IR.tức là :
I0= IA+IT +IR.
Trong đó T,A,R tương ứng biểu diễn độ truyền qua (IT/I0),độ hấp thụ (IA/I0) và độ
phản xạ (IR/I0).tức là những tỷ phần của ánh sáng tới được truyền qua ,phản xạ và hấp thụ
bởi vật liệu .
Những vật liệu có khả năng truyền sáng với độ hấp thụ và phản xạ tương đối nhỏ là
những vật phổ trong suốt .người ta có thể nhìn qua chúng .Những vật trong mờ là những
vật liệu mà khi ánh sáng đi qua chúng sẽ bị tán xạ vào trong vật liệu đến mức mà khi qua
một mẫu vật liệu đó thì không phân biệt rõ ràng được đối tượng .Còn những vật không cho
ánh sáng nhìn thấy truyền qua gọi là vật đục .
Các kim loại khối đều đục với toàn bộ phổ nhìn thấy được ,nghĩa là tất cả bức xạ
ánh sáng đều bị hoăc là hấp thụ hoặc là phản xạ.Mặt khác ,các vật liệu cách điện đều có
thể làm trong suốt .Ngoài ra một số vật liệu bán dẫn là trong suốt còn số khác là đục .
4.4.1.3.Tương tác nguyên tử và điện tử
Các hiện tượng quang học xảy ra ở bên trong vật rắn đều có liên quan đến những
tương tác giữa bức xạ điện từ và nguyên tử ,ion và điện tử.Hai hiện tượng quan trọng nhất
trong những tương tác này là sự phân cực điện tử và sự chuyển rời năng lượng điện tử.
Phân cực điện tử
Một trong hai thành phần của song điện từ là điện trường biến thiên nhanh .ở phạm
vi tần số tháy được điện trường này tương tác với đam mây điện tử bao quanh trường
nguyên tử và gây ra sự phân cực điện tử .Cứ mỗi lần thành phần điện trường thay đổi
hướng là một lần làm lệnh đám mây điện tử so với hạt nhân nguyên tử ,như đã biểu thị trên
hình 5.28a .Hai hệ quả của sự phân cực này là 1)một phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ và
2) sóng ánh sáng bị chậm lại khi đi qua môi trường .Hệ quả thứ hai biểu hiện sự khúc xạ sẽ
thảo luận trong mục 5.4.3a
Chuyển dời điện tử
Sự hấp thụ và phát xạ điện từ có thể gây nên sự chuyển dời các điện tử từ trạng thái
này sang trạnh thái năng lượng khác .Để dễ thảo luận ta xét riêng một nguyên tử ,đồ thị
năng lượng nguyên tử của nó được biểu diễn trên hình 5.58.Một điện tử có thể bị kích
thích chuyển từ một trạng thái đã chiếm ở mức năng lượng E2 lên một trạng thái nằm ở
mức năng lượng cao hơn ,E4 chằng hặn bằng cáh hấp thụ một photon năng lượng :
[97]
hv=
Trong đó
là hiệu năng lượng giữa hai mức .ở đây có một số khái niệm quan
**trọng cần lưu ý :
**
-Thứ nhất ,các trạng thái của nguyên tử là gián đoạn nên chỉ tồn tại những khoảng
cách
riêng giữa các mức năng lượng :như vậy chỉ có những photon nào có tấn số
tương ứng với những
cho phép đó thì mới được hấp thụ bởi các chuyển dời điện tử
.Hơn nữa ,trong mỗi lần kích thích .phải là tất cả (chứ không thể một phần ) năng lượng
photon được hấp thụ
-Thứ hai:điện tử này không thể lưu lại vô thời hạn ở trạng thái kích thích :sau một
thời gian ngắn ,nó lại nhảy trở về trạng thái cơ bản của mình hoặc một mức năng lượng
thấp hơn và phát xạ điện từ (thuật ngữ bức xạ gọi là sự thứ phát ).có thể có nhiều con
đường nhảy trở về ,nhưng trong bất cứ trường hợp nào cũng phải có sự bảo toàn năng
lượng cho các chuyển dời điện tử hấp thụ và phát xạ .
Như sẽ trình bày ở sau ,các đặc tính quang học của vật rắn liên quan đến hấp thụ và
phát xạ điện từ đều được giải thích nhờ cấu trúc vùng năng lượng điện từ của vật liệu và
các nguyên lý liên quan đến sự chuyển dời điện tử như nêu ở trên .
4.4.2.CÁC TÍNH CHẤT CỦA QUANG HỌC CỦA KIM LOẠI
Hãy khảo sát sơ đồ vùng năng lượng điện tử kim loại minh họa trên hình 5.3a và
5.3b:trong cả hai trường hợp đều có một vùng năng lượng cao chỉ mới bị các điện tử
chiếm một phần .Bức xạ ánh sáng tới sẽ kích thích các điện tử chuyển lên trạng thái năng
lượng chưa bị chiếm nằm ở trên mức Fermi,như các biểu thị trên hình 5.58a kết quả là ánh
sáng tới bị hấp thụ phù hợp với biểu thức (5.56).Chính vì vậy mà kim loại là đục.Sự hấp
thụ hoàn toàn chỉ xảy ra trong một lớp mặt ngoài rất mỏng thường thường nhỏ hơn
0,1µm:như vậy chỉ có những màng kim loại mỏng hơn 0,1µm mới có khả năng truyên ánh
sáng nhìn thấy .
Kim loại hấp thụ được mọi tần số của ánh sáng nhìn thấy bởi vì liên tục có những
trạng thái điện từ còn trống ,chúng cho phép chuyển rời các điện tử như chỉ trên hình 5.59a
.Thực ra các kim loại đều đục đối với tất cả các bức xạ điện từ ở vùng tần số thấp của phổ
từ sóng vô tuyến điện ,qua hồng ngoại ,ánh sáng nhìn thấy cho đến khoảng giữa bức xạ tử
ngoại .các kim loại đều trong suốt đối với tất cả các bức xạ có tần số cao(Tia Rơnghen và
tia gamma).
Phần lớn bức xạ bị hấp thụ sẽ được thứ phát bề mặt dưới dạng ánh sáng nhìn thấy
có cùng bước sóng,ta có ánh sáng phản xạ .Sơ đồ chuyển rời điện tử được trên hình
5.59b.Độ phản xạ cảu phần lớn các kim loại nằm giữa 0,90 và 0,95 ,một phần nhỏ năng
lượng của quá trình này nhảy xuống của điện tử bị chuyển thành nhiệt .
[98]
Bởi vì các kim loại đều đục và phản xạ mạnh nên màu cảm nhận rõ của chúng được
xác định phân bố bước sóng của chùm tia phản xạ .Sự xuất hiện của màu bạc khi chiếu ánh
sáng chứng tỏ kim loại có phản xạ mạnh trên toàn bộ giải phổ nhìn thấy .Nói cách khác
,đối với chùm tia phản xạ ,thành phần tần số và số lượng photon thứ phát này cũng gần
giống như đối với chùm tia tới .Nhôm và bạc là hai kim loại có tinh phản xạ như vậy .Còn
đồng và vàng lại thể hiện hai màu đỏ -da cam và mầu vàng bởi vì có một phần năng lượng
gắn với các photon ánh sáng có bước sóng ngắn đã không được thứ phát .
4.4.3. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI
Do cấu trúc vùng năng lượng điện tử của mình mà các vật liệu phi kim loại có thể là
trong suốt đối với ánh sáng nhìn thầy.Do đó ngoài phản xạ và hấp thụ còn cần khảo sát các
hiện tượng khúc xạ truyền qua .
4.4.3.1.Khúc xạ
Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của các vật liệu trong suốt thì giảm tốc độ và kết
quả là bị lệnh hướng tại mặt giới hạn .Hiện tượng đó gọi là khúc xạ .Chỉ số khúc xạ (chiết
suất ) n của một chất được định là tỷ số giữa tốc độ trong chân không c và tốc độ trong
môi trường v,tức là
n=c/v
Độ lớn của n phục thuộc vào bước song ánh sáng .Hiệu ứng này được chứng minh
bằng tán sắc ánh sáng quen thuộc,tức là sự phân tách một chùm tia trắng thành các tai
thành phần khác mầu khác nhau bằng một lăng kính thủy tinh .Chiết suất không chỉ ảnh
hưởng đến quang lộ ánh sáng của ánh sáng ,mà như giải thích dưới đây sẽ ảnh hưởng đến
phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt .
Giống như biểu thức (5.51) xác định độ lớn của c ta có một biểu thức tương đương
cho tốc độ ánh sáng v ở trong một môi trường là:
**Ở đây E và M tương ứng là hằng số điện môi và độ thẩm từ của chất .từ biểu thức
**
(5.57) ta có:
=
Trong đó
tương ứng là hằng số điện môi và độ thẩm từ tương đối. Bởi vì
phần lớn các chất chỉ có từ tính nhẹ,
do đó:
5.60
**Như đã nêu ở trên (mục 5.4.1.3) , hiện tượng khúc xạ có liên quan đến sự phân cực
**
điện tử ở những tần số tương đối cao của ánh sáng nhìn thấy :như vậy thành phần điện tử
[99]
của hằng số điện môi có thể được xác định từ các phép đo chiết suất ứng dụng biểu thức
5.60.
Bởi vì sự truyền chậm của bức xạ điện từ trong một môi trường là do sự phân cực
điện tử gây ra ,nên kích thước của các nguyên tử hoặc ion cấu thành có ảnh hưởng đáng kẻ
đến độ lớn của hiệu ứng này .Nói chung các nguyên tử hoặc ion càng lớn thì sự phân cực
điển tử càng mạnh ,tốc độ ánh sáng càng chậm và chiết suất càng lớn .Chiết suất của thủy
tinh Na-Ca tiêu biểu gần bằng 1,5.Cho thêm các ion lớn bari và chì (bằng BaO và PbO)
vào thủy tinh sẽ làm tăng chiết suất lên đáng kẻ .Ví dụ như thủy tinh nhiều chì (chiếm tới
90% trọng lượng PbO) có chiết suất khoảng 2,1.Các gốm tinh thể có cấu trúc lập phương
và các thủy tinh có chiết suất đẳng hướng (nghĩa là không phụ thuộc vào hướng tinh thể )
mặt khác các tinh thể không lập phương nhưng lại có chiết suất n bất đẳng hướng ,tức là
chiết suất lớn nhất dọc theo những hướng có mật độ ion cao nhất .Bảng 5.13 cho chiết suất
của mốt số thủy tinh ,gốm và polyme trong suốt.
Bảng 5.13. Chiết suất của một số vật liệu trong suốt
Vật liệu
Gốm
Thủy tinh SiO2
Thủy tinh Na-Ca
Thủy tinh Pyrex
Thủy tinh Flint nén
Corunđông (Al2O3)
Periclaz (MgO)
Thạch anh (SiO2)
Spinen(MgAl2O4)
Chiết suất
trung bình
1.458
1.51
1.47
1.65
1.76
1.74
1.55
1.72
Vật liệu
Chiết suất
trung bình
Polyme
Polytetrafloetylen
Polyetylen
Polystyren
Polymetylmetacrylat
Polypropylen
1.35
1.51
1.60
1.49
1.49
4.4.3.2 Phản xạ
Khi bức xạ ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác ,một phần ánh
sáng bị bức xạ ở trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Ngay cả khi môi trường đều và
trong suốt.Độ phản xạ R biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ ở mặt phân cách tức là :
R=IR/I0
Trong đó I0 và IR –cường độ của chùm tới và chùm phản xạ
Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt phẳng giới hạn thì:
Trong đó n1 và n2 –chiết của hai môi trường .
[100]
Nếu như ánh sáng tới không vuông góc với mặt phân cách R sẽ phụ thuộc vào góc
tới .Khi ánh sáng được truyền từ chân không hoặc không khí vào một chất rắn S thi:
Vì chiết suất của không khí rất gần với đơn vị. Như vậy chiết suất của chất rắn càng
cao độ phản xạ càng lớn.Đối với thủy tinh silicat tiêu biểu ,độ phản xạ vào khoảng 0,05
.Chiết suất của vật rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng ,do đó đọ phản xạ cũng biến đổi
theo bước sóng.
Tổn hao phản xạ đối với thấu kinh và các dụng cụ quang học khác có thể giảm đáng
kể nếu phủ lên bề mặt phản xạ những lớp rất mỏng bằng điên môi như magie fluorit(MgF2)
4.4.3.3.Hấp thụ
Các vật liệu phi kim loại có đục hay trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy và nếu là
trong suốt ,chúng thường hiện màu .Về nguyên lý ,bức xạ ánh sáng bị hấp thụ trong loại
vật liệu này theo ba cơ chế cơ bản có ảnh hưởng lên các đặc tính truyên qua .Một trong ba
cơ chế này là sự phân cực điện tử (mục 5.4.1.3) .Sự hấp thụ bởi phân cực điện tử chỉ
quang trọng ở những tần số lân cận tần số hồi phục của các nguyên tử cấu thành .Hai cơ
chế khác liên quan với các chuyển dời điện tử ,chúng phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng
lượng điện tử của vật liệu ,cấu trúc vùng của các chất bán dẫn và các chất cách điện được
trình bày trong mục 5.1.1.2. Một trong các cơ chế hấp thụ này có liên quan đến những kích
thích điển tử nhảy vượt qua khe vùng.Một cơ chế nữa liên quan đến chuyển dời điện tử
vào mức tạp chất hoặc khuyết tật nằm trong khe vùng.
Hấp thụ photon ánh sáng có thể xảy ra do kích thích điển tử từ vùng hóa trị đã gần
đầy vượt qua khe vùng và tới một trạng thái còn trống ở trong vùng dẫn như biểu diễn trên
hình 5.60a: xuất hiện một điện tử tự do trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa
trị .Năng lượng kích thích
liên quan với tần số photob bị hấp thụ vẫn theo biểu thức
(5.56) .Những kích thích này chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng photon lớn hơn đọ lớn khe
vùng ER nghĩa là nếu :
hv>ER
hay viết theo bước sóng
hc/ >ER
Hình 5.60: Cơ chế hấp thụ photon đối với các vật liệu phi kim loại(a)
Và sự phát xạ một photon ánh sáng (b)
Ánh sáng thấy được có bước sóng ngắn nhất
và ngắn nhất
do đó năng lượng cực tiểu của ánh sáng nhìn thấy tương ứng bằng:
[101]
=
( 5.66a)
=
( 5.66b)
Những kết quả này nói lên rằng ,những vật liệu ph kim nào có khe vung lớn hơn 3,1
eV sẽ không hấp thụ một ánh sáng một ánh sáng nhìn thấy nào .Nếu có độ tinh khiết cao
chúng sẽ hiện ra trong suốt và có màu .Mặt khác ,các bán dẫn nào có khe cùng hẹp hơn
1,8eV sẽ hấp thụ toàn bộ phổ ánh sáng nhìn thấy nhờ các chuyển dởi điện tử từ vùng hóa
trị sang vùng dẫn :như vậy chúng đều đục ,Còn những vật liệu có khe trong khoảng giữa
1,8eV và 3,1eV thì chỉ hấp thụ một phần phổ ánh sáng nhìn thấy ,do đó ta nhìn thấy chúng
mờ và có mầu.Mỗi vật liệu phi kim loại trở nên đục tại một số bước sóng nhất định ,tùy
thuộc vào độ lớn ER.Ví dụ kim cương có khe vùng 5,56eV ,là đục đối với bức xạ có bước
sóng ngắn hơn 0,22µm .
Sự hấp thụ bức xạ ánh sáng cũng có thể xẩy ra trong các vật rắn điện môi có khe
vùng rộng do những chuyển rời điện tử không phải từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Các tạp
chất hoặc khuyết tật khác có thể tạo nên những mức điện tử trong khe vùng như là những
mức đonơ (cho) và acxepto (nhận) (xem hình 5.1.2.2.) .Bức xạ ánh sáng có bước sóng
thích hợp có thể bị hấp thụ bởi kết quả chuyển dời điện tư từ hoặc đến những mức này
,như minh họa trên hình 5.61a .Năng lượng điện từ bị hấp thụ bởi các kích thích điện tử
phải được tiêu tán bằng một phương thức nào đó theo nhiều cơ chế khác nhau.Ví dụ, bằng
sự tái hợp trực tiếp điển tử và lỗ trống thep phản ứng (hình 5.60b):
Có thể xảy ra những chuyển dời điện tử nhiều bước nhờ có các mức tạp chất nằm
trong khe vùng .Hình 5.61b cho thấy khả năng phát xạ hai photon bằng sự giáng điện tử từ
một trạng thái trong vùng dẫn xuống một mức tạp chất ,rồi lại từ đó nhảy về vùng hóa
trị .Hoặc là một trong các bước chuyển dời có thể sản sinh một photon (hình 5,61c),ở đây
phần năng lượng tương ứng được tiêu tán dưới dạng nhiệt
Tất cả các bước xạ điện từ đều truyền qua chân không với cùng một tốc độ bằng tốc
độ anh sáng (C=3.108 m/s).Tốc độ này liên hệ với hắng số điện môi ε0 và độ thẩm từ của
chân không µ0 bởi hệ thức
C=1/
Hơn nữa tần số
và bước sóng
của bức xạ điện từ đều là hàm số của tốc độ C
theo hệ thức:
C=
[102]
**Tần số được đo bằng (Hz),một Hz bằng một chu kỳ trong một giây .Thang tần số
**
của dạng bức xạ điện từ khác nhau cũng cho trên phổ hình(hình 5.57)
Nhiều khi tích hợp hơn là xem bức xạ điện từ theo quan điểm cơ học lương tử .Bức
xạ điện từ không phải là các sóng mà là gồm các nhóm hay các bó năng lượng được gọi là
các photon .Năng lượng E cảu một photon bị lượng tử hóa ,tức là chỉ có thể có những giá
trị riêng quy định bởi hệ thức:
E=hv=hC/
Trong dó h:hắng số Planck.có giá trị 6,63.10-34J.s.Như vậy năng lượng photon tỷ lệ
với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ.Năng lượng photon cũng được cho
trên phổ điện từ (hình 5.57)
Khi mô tả những hiện tượng quang học liên quan đến tươn tác giữa bức xạ và chất
thì sự lý giải thường thuận lợi hơn nếu xem xét ánh sáng theo quan điểm photon .Trong
một số trường hợp khác thì quan niệm sóng lại thích hợp hơn .Đôi khi lại sử dụng cả hai
cách tiếp cận .
4.4.1.2 .Tương tác ánh sáng với vật rắn
Khi anh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác (chẳng hạn từ không khí
vào vật rắn )thì một số bức xạ ánh sáng có thể truyền qua môi trường .một số bị hấp thụ và
một số bị phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường .cường độ Io của chùm sáng
truyền qua .hấp thụ và phản xạ tương ứng là IT,IAvà IR.tức là :
I0= IA+IT +IR.
Trong đó T,A,R tương ứng biểu diễn độ truyền qua (IT/I0),độ hấp thụ (IA/I0) và độ
phản xạ (IR/I0).tức là những tỷ phần của ánh sáng tới được truyền qua ,phản xạ và hấp thụ
bởi vật liệu .
Những vật liệu có khả năng truyền sáng với độ hấp thụ và phản xạ tương đối nhỏ là
những vật phổ trong suốt .người ta có thể nhìn qua chúng .Những vật trong mờ là những
vật liệu mà khi ánh sáng đi qua chúng sẽ bị tán xạ vào trong vật liệu đến mức mà khi qua
một mẫu vật liệu đó thì không phân biệt rõ ràng được đối tượng .Còn những vật không cho
ánh sáng nhìn thấy truyền qua gọi là vật đục .
Các kim loại khối đều đục với toàn bộ phổ nhìn thấy được ,nghĩa là tất cả bức xạ
ánh sáng đều bị hoăc là hấp thụ hoặc là phản xạ.Mặt khác ,các vật liệu cách điện đều có
thể làm trong suốt .Ngoài ra một số vật liệu bán dẫn là trong suốt còn số khác là đục .
[103]
**4.4.1.3.Tương tác nguyên tử và điện tử
**
Các hiện tượng quang học xảy ra ở bên trong vật rắn đều có liên quan đến những
tương tác giữa bức xạ điện từ và nguyên tử ,ion và điện tử.Hai hiện tượng quan trọng nhất
trong những tương tác này là sự phân cực điện tử và sự chuyển rời năng lượng điện tử.
Phân cực điện tử
Một trong hai thành phần của song điện từ là điện trường biến thiên nhanh .ở phạm
vi tần số tháy được điện trường này tương tác với đam mây điện tử bao quanh trường
nguyên tử và gây ra sự phân cực điện tử .Cứ mỗi lần thành phần điện trường thay đổi
hướng là một lần làm lệnh đám mây điện tử so với hạt nhân nguyên tử ,như đã biểu thị trên
hình 5.28a .Hai hệ quả của sự phân cực này là 1)một phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ và
2) sóng ánh sáng bị chậm lại khi đi qua môi trường .Hệ quả thứ hai biểu hiện sự khúc xạ sẽ
thảo luận trong mục 5.4.3a
Chuyển dời điện tử
Sự hấp thụ và phát xạ điện từ có thể gây nên sự chuyển dời các điện tử từ trạng thái
này sang trạnh thái năng lượng khác .Để dễ thảo luận ta xét riêng một nguyên tử ,đồ thị
năng lượng nguyên tử của nó được biểu diễn trên hình 5.58.Một điện tử có thể bị kích
thích chuyển từ một trạng thái đã chiếm ở mức năng lượng E2 lên một trạng thái nằm ở
mức năng lượng cao hơn ,E4 chằng hặn bằng cáh hấp thụ một photon năng lượng :
hv=
Trong đó
là hiệu năng lượng giữa hai mức .ở đây có một số khái niệm quan
**trọng cần lưu ý :
**
-Thứ nhất ,các trạng thái của nguyên tử là gián đoạn nên chỉ tồn tại những khoảng
cách
riêng giữa các mức năng lượng :như vậy chỉ có những photon nào có tấn số
tương ứng với những
cho phép đó thì mới được hấp thụ bởi các chuyển dời điện tử
.Hơn nữa ,trong mỗi lần kích thích .phải là tất cả (chứ không thể một phần ) năng lượng
photon được hấp thụ
-Thứ hai:điện tử này không thể lưu lại vô thời hạn ở trạng thái kích thích :sau một
thời gian ngắn ,nó lại nhảy trở về trạng thái cơ bản của mình hoặc một mức năng lượng
thấp hơn và phát xạ điện từ (thuật ngữ bức xạ gọi là sự thứ phát ).có thể có nhiều con
đường nhảy trở về ,nhưng trong bất cứ trường hợp nào cũng phải có sự bảo toàn năng
lượng cho các chuyển dời điện tử hấp thụ và phát xạ .
Như sẽ trình bày ở sau ,các đặc tính quang học của vật rắn liên quan đến hấp thụ và
phát xạ điện từ đều được giải thích nhờ cấu trúc vùng năng lượng điện từ của vật liệu và
các nguyên lý liên quan đến sự chuyển dời điện tử như nêu ở trên .
[104]
**4.4.2.CÁC TÍNH CHẤT CỦA QUANG HỌC CỦA KIM LOẠI
**
Hãy khảo sát sơ đồ vùng năng lượng điện tử kim loại minh họa trên hình 5.3a và
5.3b:trong cả hai trường hợp đều có một vùng năng lượng cao chỉ mới bị các điện tử
chiếm một phần .Bức xạ ánh sáng tới sẽ kích thích các điện tử chuyển lên trạng thái năng
lượng chưa bị chiếm nằm ở trên mức Fermi,như các biểu thị trên hình 5.58a kết quả là ánh
sáng tới bị hấp thụ phù hợp với biểu thức (5.56).Chính vì vậy mà kim loại là đục.Sự hấp
thụ hoàn toàn chỉ xảy ra trong một lớp mặt ngoài rất mỏng thường thường nhỏ hơn
0,1µm:như vậy chỉ có những màng kim loại mỏng hơn 0,1µm mới có khả năng truyên ánh
sáng nhìn thấy .
Kim loại hấp thụ được mọi tần số của ánh sáng nhìn thấy bởi vì liên tục có những
trạng thái điện từ còn trống ,chúng cho phép chuyển rời các điện tử như chỉ trên hình 5.59a
.Thực ra các kim loại đều đục đối với tất cả các bức xạ điện từ ở vùng tần số thấp của phổ
từ sóng vô tuyến điện ,qua hồng ngoại ,ánh sáng nhìn thấy cho đến khoảng giữa bức xạ tử
ngoại .các kim loại đều trong suốt đối với tất cả các bức xạ có tần số cao(Tia Rơnghen và
tia gamma).
Phần lớn bức xạ bị hấp thụ sẽ được thứ phát bề mặt dưới dạng ánh sáng nhìn thấy
có cùng bước sóng,ta có ánh sáng phản xạ .Sơ đồ chuyển rời điện tử được trên hình
5.59b.Độ phản xạ cảu phần lớn các kim loại nằm giữa 0,90 và 0,95 ,một phần nhỏ năng
lượng của quá trình này nhảy xuống của điện tử bị chuyển thành nhiệt .
Bởi vì các kim loại đều đục và phản xạ mạnh nên màu cảm nhận rõ của chúng được
xác định phân bố bước sóng của chùm tia phản xạ .Sự xuất hiện của màu bạc khi chiếu ánh
sáng chứng tỏ kim loại có phản xạ mạnh trên toàn bộ giải phổ nhìn thấy .Nói cách khác
,đối với chùm tia phản xạ ,thành phần tần số và số lượng photon thứ phát này cũng gần
giống như đối với chùm tia tới .Nhôm và bạc là hai kim loại có tinh phản xạ như vậy .Còn
đồng và vàng lại thể hiện hai màu đỏ -da cam và mầu vàng bởi vì có một phần năng lượng
gắn với các photon ánh sáng có bước sóng ngắn đã không được thứ phát .
4.4.3. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI
Do cấu trúc vùng năng lượng điện tử của mình mà các vật liệu phi kim loại có thể là
trong suốt đối với ánh sáng nhìn thầy.Do đó ngoài phản xạ và hấp thụ còn cần khảo sát các
hiện tượng khúc xạ truyền qua .
4.4.3.1.Khúc xạ
Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của các vật liệu trong suốt thì giảm tốc độ và kết
quả là bị lệnh hướng tại mặt giới hạn .Hiện tượng đó gọi là khúc xạ .Chỉ số khúc xạ (chiết
suất ) n của một chất được định là tỷ số giữa tốc độ trong chân không c và tốc độ trong
môi trường v,tức là
n=c/v
[105]
Độ lớn của n phục thuộc vào bước song ánh sáng .Hiệu ứng này được chứng minh
bằng tán sắc ánh sáng quen thuộc,tức là sự phân tách một chùm tia trắng thành các tai
thành phần khác mầu khác nhau bằng một lăng kính thủy tinh .Chiết suất không chỉ ảnh
hưởng đến quang lộ ánh sáng của ánh sáng ,mà như giải thích dưới đây sẽ ảnh hưởng đến
phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt .
Giống như biểu thức (5.51) xác định độ lớn của c ta có một biểu thức tương đương
cho tốc độ ánh sáng v ở trong một môi trường là:
**Ở đây E và M tương ứng là hằng số điện môi và độ thẩm từ của chất .từ biểu thức
**
(5.57) ta có:
=
Trong đó
tương ứng là hằng số điện môi và độ thẩm từ tương đối. Bởi vì
phần lớn các chất chỉ có từ tính nhẹ,
do đó:
5.60
**Như đã nêu ở trên (mục 5.4.1.3) , hiện tượng khúc xạ có liên quan đến sự phân cực
**
điện tử ở những tần số tương đối cao của ánh sáng nhìn thấy :như vậy thành phần điện tử
của hằng số điện môi có thể được xác định từ các phép đo chiết suất ứng dụng biểu thức
5.60.
Bởi vì sự truyền chậm của bức xạ điện từ trong một môi trường là do sự phân cực
điện tử gây ra ,nên kích thước của các nguyên tử hoặc ion cấu thành có ảnh hưởng đáng kẻ
đến độ lớn của hiệu ứng này .Nói chung các nguyên tử hoặc ion càng lớn thì sự phân cực
điển tử càng mạnh ,tốc độ ánh sáng càng chậm và chiết suất càng lớn .Chiết suất của thủy
tinh Na-Ca tiêu biểu gần bằng 1,5.Cho thêm các ion lớn bari và chì (bằng BaO và PbO)
vào thủy tinh sẽ làm tăng chiết suất lên đáng kẻ .Ví dụ như thủy tinh nhiều chì (chiếm tới
90% trọng lượng PbO) có chiết suất khoảng 2,1.
Các gốm tinh thể có cấu trúc lập phương và các thủy tinh có chiết suất đẳng hướng
(nghĩa là không phụ thuộc vào hướng tinh thể ) mặt khác các tinh thể không lập phương
nhưng lại có chiết suất n bất đẳng hướng ,tức là chiết suất lớn nhất dọc theo những hướng
có mật độ ion cao nhất .Bảng 5.13 cho chiết suất của mốt số thủy tinh ,gốm và polyme
trong suốt.
Bảng 5.13. Chiết suất của một số vật liệu trong suốt
Vật liệu
Chiết suất
trung bình
Vật liệu
[106]
Chiết suất
trung bình
Gốm
Thủy tinh SiO2
Thủy tinh Na-Ca
Thủy tinh Pyrex
Thủy tinh Flint nén
Corunđông (Al2O3)
Periclaz (MgO)
Thạch anh (SiO2)
Spinen(MgAl2O4)
1.458
1.51
1.47
1.65
1.76
1.74
1.55
1.72
Polyme
Polytetrafloetylen
Polyetylen
Polystyren
Polymetylmetacrylat
Polypropylen
1.35
1.51
1.60
1.49
1.49
4.4.3.2 Phản xạ
Khi bức xạ ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác ,một phần ánh
sáng bị bức xạ ở trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Ngay cả khi môi trường đều và
trong suốt.Độ phản xạ R biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ ở mặt phân cách tức là :
R=IR/I0
Trong đó I0 và IR –cường độ của chùm tới và chùm phản xạ
Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt phẳng giới hạn thì:
**Trong đó n1 và n2 –chiết của hai môi trường .
**
Nếu như ánh sáng tới không vuông góc với mặt phân cách R sẽ phụ thuộc vào góc
tới .Khi ánh sáng được truyền từ chân không hoặc không khí vào một chất rắn S thi:
Vì chiết suất của không khí rất gần với đơn vị. Như vậy chiết suất của chất rắn càng
cao độ phản xạ càng lớn.Đối với thủy tinh silicat tiêu biểu ,độ phản xạ vào khoảng 0,05
.Chiết suất của vật rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng ,do đó đọ phản xạ cũng biến đổi
theo bước sóng.
Tổn hao phản xạ đối với thấu kinh và các dụng cụ quang học khác có thể giảm đáng
kể nếu phủ lên bề mặt phản xạ những lớp rất mỏng bằng điên môi như magie fluorit(MgF2)
4.4.3.3.Hấp thụ
Các vật liệu phi kim loại có đục hay trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy và nếu là
trong suốt ,chúng thường hiện màu .Về nguyên lý ,bức xạ ánh sáng bị hấp thụ trong loại
vật liệu này theo ba cơ chế cơ bản có ảnh hưởng lên các đặc tính truyên qua .Một trong ba
cơ chế này là sự phân cực điện tử (mục 5.4.1.3) .Sự hấp thụ bởi phân cực điện tử chỉ
quang trọng ở những tần số lân cận tần số hồi phục của các nguyên tử cấu thành .Hai cơ
chế khác liên quan với các chuyển dời điện tử ,chúng phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng
[107]
lượng điện tử của vật liệu ,cấu trúc vùng của các chất bán dẫn và các chất cách điện được
trình bày trong mục 5.1.1.2. Một trong các cơ chế hấp thụ này có liên quan đến những kích
thích điển tử nhảy vượt qua khe vùng.Một cơ chế nữa liên quan đến chuyển dời điện tử
vào mức tạp chất hoặc khuyết tật nằm trong khe vùng.
Hấp thụ photon ánh sáng có thể xảy ra do kích thích điển tử từ vùng hóa trị đã gần
đầy vượt qua khe vùng và tới một trạng thái còn trống ở trong vùng dẫn như biểu diễn trên
hình 5.60a: xuất hiện một điện tử tự do trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa
trị .Năng lượng kích thích
liên quan với tần số photob bị hấp thụ vẫn theo biểu thức
(5.56) .Những kích thích này chỉ có thể xảy ra nếu năng lượng photon lớn hơn đọ lớn khe
vùng ER nghĩa là nếu :
hv>ER
hay viết theo bước sóng
hc/ >ER
Ánh sáng thấy được có bước sóng ngắn nhất
và ngắn nhất
**do đó năng lượng cực tiểu của ánh sáng nhìn thấy tương ứng bằng:
**
=
( 5.66a)
=
( 5.66b)
Những kết quả này nói lên rằng ,những vật liệu ph kim nào có khe vung lớn hơn 3,1
eV sẽ không hấp thụ một ánh sáng một ánh sáng nhìn thấy nào .Nếu có độ tinh khiết cao
chúng sẽ hiện ra trong suốt và có màu .Mặt khác ,các bán dẫn nào có khe cùng hẹp hơn
1,8eV sẽ hấp thụ toàn bộ phổ ánh sáng nhìn thấy nhờ các chuyển dởi điện tử từ vùng hóa
trị sang vùng dẫn :như vậy chúng đều đục ,Còn những vật liệu có khe trong khoảng giữa
1,8eV và 3,1eV thì chỉ hấp thụ một phần phổ ánh sáng nhìn thấy ,do đó ta nhìn thấy chúng
mờ và có mầu.Mỗi vật liệu phi kim loại trở nên đục tại một số bước sóng nhất định ,tùy
thuộc vào độ lớn ER.Ví dụ kim cương có khe vùng 5,56eV ,là đục đối với bức xạ có bước
sóng ngắn hơn 0,22µm .
Sự hấp thụ bức xạ ánh sáng cũng có thể xẩy ra trong các vật rắn điện môi có khe
vùng rộng do những chuyển rời điện tử không phải từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Các tạp
chất hoặc khuyết tật khác có thể tạo nên những mức điện tử trong khe vùng như là những
mức đonơ (cho) và acxepto (nhận) (xem hình 5.1.2.2.) .Bức xạ ánh sáng có bước sóng
thích hợp có thể bị hấp thụ bởi kết quả chuyển dời điện tư từ hoặc đến những mức này
,như minh họa trên hình 5.61a .Năng lượng điện từ bị hấp thụ bởi các kích thích điện tử
[108]
phải được tiêu tán bằng một phương thức nào đó theo nhiều cơ chế khác nhau.Ví dụ, bằng
sự tái hợp trực tiếp điển tử và lỗ trống thep phản ứng (hình 5.60b):
Có thể xảy ra những chuyển dời điện tử nhiều bước nhờ có các mức tạp chất nằm
trong khe vùng .Hình 5.61b cho thấy khả năng phát xạ hai photon bằng sự giáng điện tử từ
một trạng thái trong vùng dẫn xuống một mức tạp chất ,rồi lại từ đó nhảy về vùng hóa
trị .Hoặc là một trong các bước chuyển dời có thể sản sinh một photon (hình 5,61c),ở đây
phần năng lượng tương ứng được tiêu tán dưới dạng nhiệt
4.4.3.4 .Truyền qua
Xét trường hợp ánh sáng đi qua một vật rắn trong suốt(hình 5.62). Đối với một
chùm tia có cường độ I0 chiếu vào mặt nước của mẫu chất có độ dầy l và hệ số hấp thụ
β,cường độ được truyền qua tại mặt sau của mẫu là:
IT=I0(1-R)2e-βt
Trong đó R- độ phản xạ và giả thiết rằng có cùng một môi trường tồn tại ở phía
ngoài cả mặt trước và mặt sau của mẫu.
Như vậy thành phần của tia tới truyền qua vật liệu trong suốt phụ thuộc vào những
tổn hao do hấp thụ và phản xạ. Hơn nữa, các thông số như độ phản xạ, độ hấp thụ và độ
truyền qua đều phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và phải thỏa mãn biểu thức(5.55). Hình
5.63 thể hiện các mối quan hệ này đối với thủy tinh xanh. Ví dụ, với ánh sáng có bước
sóng 0.4µm thì tỷ phần truyền qua,hấp thụ và phản xạ lần lượt vào khoảng 0.90;0.05 và
0.05. Tuy nhiên với bước sóng 0.55µm thì các tỷ phần này có các giá trị tương ứng khoảng
0.5;0.48 và 0.02.
4.4.3.5 .Màu sắc
Các vật liệu trong suốt hiện màu là do có những dải bước sóng ánh sáng bị hấp thụ
chọn lọc, mầu sắc cảm nhận được là kết quả tổ hợp của những bước sóng được truyền qua.
Nếu sự hấp thụ xảy ra đồng đều với tất cả các bước sóng thấy được thì vật liệu hiện ra
không màu, ví dụ như các loại thủy tinh vô cơ tinh khiết cao, kim cương và saphia đơn
tinh thể tinh khiết cao.
Thông thường, hấp thụ chọn lọc là bằng kích thích điện tử. Chẳng hạn như trường
hợp các chất bán dẫn có khe vùng trùng với dải năng lượng photon ánh sáng nhìn
thấy(1.8eV đến 3.1eV). phần ánh sáng nhìn thấy có năng lượng lớn hơn E bị hấp thụ chọn
lọc bởi các chuyển dời điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Đương nhiên, một số bức xạ
bị hấp thụ này lại thứ phát khi các điện tử kích thích nhảy trở về những trạng thái năng
lượng thấp ban đầu của chúng. Sự thứ phát này xảy ra không nhất thiết ở cùng tần số như
khi hấp thụ mà trong trường hợp chuyển rời bức xạ nhiều bước(hình 5.61b) hoặc không
bức xạ (hình 5.61c) thì lại là nhỏ hơn. Kết quả là mầu sắc phụ thuộc vào sự phân bố tần
số của cả chùm sáng truyền qua và chùm sáng thứ phát.
[109]
**Ví dụ, cacmi sunfit(Cds) có khe vùng khoảng 2.4V, do đó hấp thụ những photon có
**
năng lượng lớn hơn 2.4eV tương ứng với phần xanh và tím của phổ ánh sáng nhìn thấy;
một số lại thứ phát thành ánh sáng với những bước sóng khác. Còn ánh sáng nhìn thấy
không bị hấp thụ chỉ gồm những photon có năng lượng từ 1.8eV đến 2.4eV. Cds hiện màu
vàng da là do tổ hợp chùm truyền qua.
Ví dụ, nhôm oxit hoặc saphia đơn tinh thể và tinh khiết cao không có màu. Nhưng
rubi(saphia chứa thêm 0.5 đến 2% crom oxit) lại có màu đỏ chói. Ion Cr3+ thay thế Ion Al+3
trong cấu trúc tinh thể Al2O3 và do đó đưa vào các mức tạp chất nằm trong khe vùng rộng
của saphia. Có những bước sóng đặc thù sẽ bụ hấp thụ chọn lọc do hệ quả của những
chuyển dời hoặc từ những mức tạp chất này. Độ truyền qua như là một hàm số của bước
sóng đối với saphia và rubi được trình bày trên hình 5.63. Đối với saphia, độ truyền qua ít
thay đổi trên toàn phổ nhìn thấy, tạo ra tính không màu. Tuy nhiên, đối với rubi có những
pic(đỉnh) hấp thụ mạnh xảy ra, một ở vùng xạnh-tím (gần 0.4Mm) và một ở vùng vàng lục
(gần 0.6Mm). Ánh sáng không bị hấp thụ trộn với ánh sáng thứ phát đưa lại cho rubi màu
đỏ thẫm.
Các thủy tinh vô cơ có màu nhờ sự có mặt của các ion chuyển tiếp hoặc đất hiếm.
Có các cặp ion-mầu điển hình như Cu2+ xanh lục; Co2+ xanh tím, Cr3+ lục.
4.4.4 .Tính đục và tính trong mờ của các chất cách điện
Mức độ trong mờ và đục đối với các vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc rất
nhiều vào đặc tính phản xạ bên trong và truyền qua của chúng. Nhiều vật liệu điện môi
vốn là trong suốt có thể trở nên trong mờ hoặc đục nhờ phản xạ và khúc xạ bên trong. Một
chùm sáng lệch hướng và nhòa đi là do nhiều lần tán xạ. Tính đục sinh ra khi mức độ tán
xạ mạnh đến mức trên thực tế không còn một chùm ánh sáng tới nào được truyền qua
không bị lệch để tới được mặt sau.
Sự tán xạ bên trong có thể sinh ra theo nhiều nguyên nhân khác nhau. Các màu đa
tinh thể với chiết suất không đẳng hướng thường là trong mờ. Cả phản xạ và khúc xạ đều
xảy ra ở các biên hạt, gây nên sự phân tỏa chùm tia. Đó là sựsai khác về chiết suất n giữa
các hạt lân cận không cùng định hướng tinh thể.
Tán xạ cũng xảy ra trong các vật liệu hai pha, trong đó một pha với độ phân tán cao
nằm trong pha kia. Tán xạ chùm tia xảy ra qua các miền biên giới pha khi có sự sai khác
chiết suất giữa hai pha: sai khác lớn thì tán xạ càng mạnh hơn.
Do quá trình chế tạo và xử lý, nhiều sản phẩm gốm có chứa một độ xốp dư dưới
dạng những lỗ nhỏ phân tán. Những lỗ xốp này là những nơi tán xạ ánh sáng có hiệu quả.
Hình 5.65 nêu sự khác nhau về đặc tính truyền ánh sáng giữa các mẫu nhóm oxit
đơn tinh thể, đa tinh thể sít chặt và xốp(độ xốp̃ = 5%). Trong khi mẫu đơn tinh thể là hoàn
toàn trong suốt thì các mẫu đa tinh thể sít chặt và xốp lại trong mờ và đục.
[110]
**Đối với các polyme nguyên chất(không có phụ gia và tạp chất) mức độ trong mờ
**
phụ thuộc trước hết vào sự kết tinh. Tán xạ ánh sáng nhìn thấy xảy ra tại các biên giới giữa
các vùng tinh thể và vô định hình chính là do sự khác nhau về chiết suất.
Đối với các mẫu có tỷ lệ tinh thể cao, mức độ tán xạ tăng dẫn đến tính trong mờ, và
thậm chí trong một số trường hợp, đến tính đục. Các polyme vô định hình lại hoàn toàn
trong suốt.
4.4.5. ỨNG DỤNG CỦA CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC
4.4.5.1 Phát quang(phát ánh sáng lạnh)
Một số vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng rồi pphát ra ánh sáng nhìn thấy(gọi
là sự phát quang). Các photon của ánh sáng phát xạ được sinh ra từ các chuyển rời điện tử
trong vật rắn. Năng lượng hấp thụ đến khi điện tử bị đẩy lên trạng thái năng lượng kích
thích, còn ánh sáng nhìn thấy được phát ra khi nó tụt trở về mức năng lượng thấp hơn nếu
như: 1.8eV <hv<3.1eV. Năng lượng hấp thụ có thể được cung cấp thành bức xạ điện tử
năng lượng cao (gây ra các chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn) như là ánh sáng tử
ngoại hoặc các nguồn khác như là chùm điện tử năng lượng cao hoặc là năng lượng nhiệt,
cơ hay hóa học. Hơn nữa sự phát quang còn được phân loại theo độ lớn của thời gian trễ
giữa hấp thụ và thứ phát. Nếu như thứ phát xảy ra sau một thời gian nhỏ hơn nhiều so với
một giây thì hiện tượng được gọi là huỳnh quang, nếu xảy ra sau thời gian lâu hơn thì gọi
là lân quang. Có một số vật liệu có thể tạo thành chất huỳnh quang hoặc lân quang , chúng
gồm mốt số sunfit,oxit, volframat và một số ít chất hữu cơ. Thông thường thì các vật liệu
tinh khiết không tạo được các hiện tượng này và để tạo ra chúng cần phải pha thêm các tạp
chất với nồng độ xác định.
Sự phát quang có một số ứng dụng thương mại. Đèn huỳnh quang cấu tạo bởi một
ống thủy tinh, bề mặt bên trong được phủ bằng các volframat hoặc silicat theo công nghệ
đặc biệt. Ánh sáng cực tím được tạo ra trong một loại đèn thủy ngân phóng điện. Hình ảnh
nhìn thấy trên màn truyền hình chính là sản phẩm của sự phát quang. Mặt trong của màn
hình được phủ bằng một loại vật liệu sẽ phát huỳnh quang khi có một chùm điện tử trong
đèn hình phóng nhanh tới màn. Cũng có thể thu tia rơnghen và tia gamma bằng cách dùng
photpho phát ánh sáng nhìn thấy khi chiếu vào đó một chùm bức xạ không nhìn thấy.
Một số lớp tiếp xúc chỉnh lưu P-N như đã mô tả trong mục 5.1.2.4 cũng có thể dùng
để tạo ra ánh sáng nhìn thấy nhờ một quá trình gọi là điền phát quang. Khi một điện thế
thuận đặt qua linh kiện, các điện tử và lỗ trống sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong vùng tái hợp
theo biểu thức 5.67. Trong trường hợp đó năng lượng được sinh ra dưới ánh sáng nhìn
thấy. Những diode phát quang quen thuộc phát ra ánh sáng nhìn thấy được sử dụng để hiện
số. Màu sắc đặc trưng của Led tùy thuộc vào vật liệu bán dẫn được dùng.
[111]
4.4.5.2.Quang dẫn
Tính dẫn điện của các chất bán dẫn phụ thuộc vào số điện tử tự do trong vùng dẫn
và số lượng lỗ trống trong vùng hóa trị theo biểu thức 5.12. Năng lượng nhiệt gẵn với các
dao động mạng có thể thúc đẩy các kích thích điện tử trong đó điện tử tự do và lỗ trống
được tạo thành như đã trình bày trong mục 5.1.1.3. Có thể sản sinh các hạt tải bổ sung
thêm nhờ các chuyển rời điện tử được kích thích bởi photon: độ dẫn điện tăng. Hiện tượng
này gọi là quang dẫn. Như vậy khi một vật liệu quang dẫn được chiếu sáng độ dẫn điện sẽ
tăng lên.
Quang dẫn được ứng dụng trong máy đo ánh sáng chụp ảnh. Dòng điện do ánh sáng
kích thích ra được đo, và độ lớn của nó là một hàm số trực tiếp của cường độ bức xạ ánh
sáng tới. Cacmi sulfit là vật liệu được dùng phổ biến trong các máy đo ánh sáng.
Ánh sáng mặt trời có thể chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện trong các pin
mặt trời, chúng cũng sử dụng các chất bán dẫn. Hoạt động của các linh kiện này theo một
ý nghĩa nào đó là ngược lại với diode phát quang. Một tiếp xúc P-N được sử dụng sao cho
trong đó các điện tử và các lỗ trống được kích thích bởi ánh sáng đều bị kéo ra khỏi tiếp
xúc theo những hướng ngược nhau và tạo ra dòng điện ngoài.
4.4.5.3.LAZE
Tất cả các chuyển dời điện tử bức xạ đã trình bày ở các phần trên đều kaf tự phát ,
có nghĩa là một điện tử tụt từ một trạng thái năng lượng cao xuống một trạng thái năng
lượng thấp hơn mà không có một kích thích bên ngoài nào. Những lần chuyển dời độc lập
với nhau và tại những thời điểm ngẫu nhiên, tạo ra bức xạ không kết hợp, nghĩa là các
sóng ánh sáng không trùng pha với nhau. Nhưng với tia Laze, ánh sáng kết hợp được sản
sinh bởi các chuyển dời điện tử khởi đầu từ một tác nhân kích thích bên ngoài.
Tuy có nhiều kiểu Laze khác nhau nguyên lý hoạt động của chúng đều được giải
thích bằng Lazer chất rắn rubi. Rubi đơn giản là đơn tinh thể Al2O3(saphia) có pha thêm
0.05% ion Cr+3. Như đã giải thích ở trên (mục 5.4.3.5), những ion này làm cho rubi có màu
đỏ đặc trưng, quan trọng hơn là chúng tạo ra các trạng thái điện tử quyết định hoạt động
của Laze. Rubi có dạng thanh với hai đầu phẳng song song và được mài nhẵn bóng. Cả hai
đều được mạ bạc sao cho một phần được toàn phần còn đầu kia truyền qua một phần.
Thanh rubi được chiếu sáng bằng một đèn sáng xenon(5.65). Do tác dụng này tất cả
các ion Cr+3 đều ở trạng thái cơ bản của chúng, nghĩa là các điện tử chiếm những mức
năng lượng thấp nhất như biểu diễn trên sơ đồ hình 5.66. Các photon có bước sóng 0,56
µm do đèn xenon phát sẽ kích thích các điện tử của Cr+3 chuyển lên các trạng thái năng
lượng cao hơn. Những điện tử này có thể tụt về trạng thái cơ bản của chúng bằng 2 cách
khác nhau. Một số điện tử rơi trực tiếp trở về, photon phát ra không nằm trong vùng tia
lase. Các điện tử khác tụt xuống một trạng thái trung gian siêu bền( con đường EM trên
[112]
**hình 5.67), ở đó chúng có thể lưu lại tới 3ms trước khi phát xạ tự phát ( con đường MG).
**
Trong các quá trình điện tử 3ms là một thời gian tương đối dài, điều này cho thấy một số
lớn các trạng thái siêu bền có thể bị chiếm. Tình hình này được chỉ rõ trên hình 5.68b.
Sự phát xạ photon tự phát khởi đầu của một vài trong số điện từ đólà kích thích, mở
ra cả một thác lũ dồn dập những phát xạ từ các điện tử đang còn ở trạng thái siêu bền( hình
5.68c). Trong những photon hướng song song theo những trục dài của thanh Rubi, có một
số được truyền qua phần mạ bạc một phần, những photon khác đi tới đầu mạ bạc toàn
phần sẽ bị phản xạ trở lại.
Còn những photon không được phát xạ theo hướng trục này thì sẽ bị thất lac. Chùm
ánh sáng đi tới đi lui lặp lại dọc theo chiều dài thanh Rubi, cường độ của nó tăng lên do có
nhiều phát xạ hơn được kích thích( Hình 5.68d). Cuối cùng một chùm sáng lase cường độ
cao, kết hợp và tập trung cao độ trong một thời gian ngắn được truyền qua đầu mạ bạc một
phần của thanh Rubi (Hình 5.67e). Chùm sáng đỏ đơn sắc này có bước sóng 0,6943µm.
Một loạt các chất có thể dùng cho lase, trong đó có một chất khí và thủy tinh cũng
như các điôt tiếp xúc bán dẫn. Lase có nhiều ứng dụng khác nhau. Do các chùm tia lase có
thể hội tụ để tạo ra sự làm nóng cục bộ, chúng được dùng trong các quá trình phẫu thuật và
cắt gọt, gia công kim loại. Lase cũng được dùng làm các nguồn ánh sáng cho các hệ thông
tin quang học. Xa hơn nữa, vì các chùm tia lase là các chùm tia kết hợp cao độ, chúng có
thể được dùng trong các phép đo khoảng cách rất chính xác.
[113]
**CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG MÔN KHOA HỌC VẬT LIỆU ĐẠI
**
CƯƠNG
I. Câu hỏi ôn tập chương 1
Lý thuyết:
1.Trình bày sự khác nhau giữa liên kết ion và liên kết cộng hoá trị. Nêu
rõ tác dụng của liên kết này trong cấu tạo chất
2.Trình bày sự sắp sếp các nguyên tử trong chất khí, chất lỏng và chất
rắn
3.Kể tên một số trúc tinh thể của vật rắn. Nêu đặc điểm chính của
mạng tinh thể lập phương tâm mặt (A1)
4.Kể tên một số trúc tinh thể vật rắn với liên kết cộng hoá trị. Nêu đặc điểm chính của
mạng kim cương (A4)
5.Có mấy loại sai lệch đường trong tinh thể. Nêu đặc điểm của sai lệch
xoắn.
6.Trình bày sai lệch điểm trong mạng tinh thể.
7.Có mấy loại sai lệch đường trong tinh thể. Nêu đặc điểm của sai lệch
biên
8.Có mấy loại sai lệch mặt tinh thể trong mạng tinh thể. Nêu đặc điểm
của biên giới hạt
9.Thế nào là đơn tinh thể, đa tinh thể. Nêu đặc tính và ứng dụng của chúng
10.Trình bày cấu trúc của polyme
II. Bài tập
Bài 1: Xác định chỉ số phương sau của các véctơ A, B, C, D sau:
[114]
Bài 2: Xác định chỉ số Miller của các mặt A, B sau:
Bài 4: Xác định chỉ số Miller -
Bravais của mặt sau:
**II. Câu hỏi ôn tập chương 2
**
Câu 1: Thế nào là giản đồ phà và ứng dụng của giản đồ pha
Câu 2: Thế nào là dung dịch rắn. Giản đồ pha của dung dịch rắn
Câu 3: Giản đồ pha của các cấu tử không hoà tan lẫn nhau
Câu 4: Tính chất pha của các pha thành phần
Câu 5: Giản đồ pha Fe-C
Câu 6: Giản đồ pha với có chuyển biến thù hinh
Câu 7: Thế nào là giản đồ pha với phản ứng bao tinh
Câu 8: Thế nào là giản đồ pha ổn định
Câu 9:Tính chất của hỗn hợp các pha
Câu 10: quang hệ giữa giữa của giản đồ pha và tính chất của vật liệu
Câu 11:Mô tả tương tác giữa Fe và C trong hỗn hợp
Câu 12: Phân loại gang và thép, đặc điểm của giang và thép
III. Câu hỏi ôn tập chương 3
Câu 1: Các bạn hãy trình bày các giai đoạn của biến dạng đàn hồi
[115]
**Câu 2: Trình bày khái niệm song tinh, biến dạng dẻo trong tinh thể
**
Câu 3: Thế nào là thải bền, biến dạng nóng
Câu 4: Khái niệm về hiện tượng giả đàn hồi
Câu 5: Nêu đặc điểm biến dạng của các loại vật liệu vô cơ
Câu 6: Thế nào là biến dạng đàn hồi.
Câu 7: Trình bày hiện tượng trượt trong đơn tinh thể
Câu 8: Nêu lý thuyết lệch mạng về biến dạng dẻo
Câu 9: Thế là hiện tượng thải bền
Câu 10: Nêu định nghĩa và đặc điểm của biến dạng nóng
Câu 11: Nêu những thay đổi sau biến dạng
Câu 12: Thế nào là biến dạng nóng,
Câu 13: Chảy nhớt là gì. Nêu đặc điểm của chảy nhớt
Câu 14: Chuyển biến dẻo – giòn là gì, nêu cơ chế phá huỷ
**IV. Câu hỏi ôn tập chương4
**
Câu 1: Nêu cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu
Câu 2: Nêu đặc tính dẫn điện của kim loại, gốm và polyme
Câu 3: Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt dung của vật liệu
Câu 4: Thế nào là chất sắt từ, phản sát từ, feri từ
Câu 5: Ứng dụng của vật liệu từ trong thực tế
Câu 6: Giải thích đường cong từ trễ thông qua khái niệm domen từ
Câu 7: Phân biệt từ cứng là gì, từ mền là gì. Nêu ứng dụng?
Câu 8: Nêu đặc điểm của siêu dẫn, ứng dụng của siêu dẫn
Câu 9: Laser là gì, ứng dụng của laser
Câu 10: Nêu tính chất quang học của vật liệu phi kim loại
Câu 11: Nêu tính chất quang học của kim loại, giải thích
Câu 12: Nêu các ứng dụng của các hiện tượng quang học
[116]
[117]
Chương I..................................................................................................................... 1
CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU.............................................................................1
1.1 CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ........................................................................1
1.1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ..................................................1
1.1.2 CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN......................................3
1.1.2.1. Liên kết đồng hoá trị................................................................................3
1.1.2.2 Liên kết ion..............................................................................................4
1.1.2.3 Liên kết kim loại.......................................................................................4
1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp......................................................................................4
1.1.2.5 Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals)......................................................4
1.2. SẮP XẾP NGUYÊN TỬ TRONG VẬT RẮN.................................................................8
1.2.1 Không trật tự hoàn toàn, chất khí ..................................................................8
1.2.2 Trật tự lý tưởng vật rắn tinh thể......................................................................8
1.2.3 Chất lỏng, vật rắn vi tinh thể và vô định hình.................................................9
1.2.4. QUAN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT....................................................11
Từ những trình bày ở các phần trên và sẽ được làm rõ thêm ở các chương tiếp
theo,có thể thấy rằng yếu tố quyết định tính chất của vật liệu là các dạng liên
kết và cấu trúc của nó .......................................................................................11
1.3 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TINH THỂ ..........................................................................12
1.3.1.TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA TINH THỂ....................................................................12
1.3.2. Ô CƠ SỞ, HỆ TINH THỂ................................................................................14
1.3.3. PHƯƠNG VÀ MẶT TINH THỂ..........................................................................16
1.3.3.1 Chỉ số của nút mạng ..............................................................................16
1.3.3.2. Chỉ số của phương tinh thể....................................................................16
1.3.3.3. Chỉ số Miller của mặt tinh thể.................................................................17
1.3.3.4. Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương.............................................18
1.3.4. MẬT ĐỘ NGUYÊN TỬ TRONG MẠNG TINH THỂ HỆ SỐ XẾP CHẶT..................19
1.3.4.1. Mặt độ xếp.............................................................................................19
1.3.4.2. Cách sắp xếp nguyên tử trong mạng tinh thể, sự xếp chặt....................21
1.3.5. LỖ HỔNG TRONG MẠNG TINH THỂ...............................................................21
1.4 MỘT SỐ CẤU TRÚC TINH THỂ ĐIỂN HÌNH CỦA VẬT RẮN......................................23
1.4.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT RẮN VỚI LIÊN KẾT KIM LOẠI..........................23
1.4.1.1. Mạng tinh thể lập phương tâm khối(......................................................23
1.4.1.2 Mạng lập phương tâm mặt (A1: lptm).....................................................25
1.4.1.3 Mạng tinh thể sáu phương xếp chặt........................................................26
1.4.2 Mạng tinh thể của vật rắn có liên kết đồng hoá trị........................................26
[118]
**1.4.2.1 Mạng tinh thể kim cương (A4).................................................................26
**
1.4.2.2 Mạng Graphit..........................................................................................27
1.4.2.3. Cấu trúc sợi cacbon và fullerene............................................................27
1.4.2.4. Các cấu trúc mạng tinh thể lien kết đồng hóa trị khác...........................28
1.4.3. MANH TINH THỂ CỦA VẬT RẮN CÓ LIÊN KẾT ION..........................................28
1.4.3.1. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX...............................................................29
1.4.3.2. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX2 (hoặc M2X).......................................30
1.4.3.3. Mạng tinh thể hợp chất dạng Mm Nn Xp................................................31
1.4.4 CẤU TRÚC CỦA POLYME................................................................................31
1.4.5 DẠNG THÙ HÌNH...........................................................................................32
1.5 SAI LỆCH MẠNG TINH THỂ...................................................................................33
1.5.1.sai lệch điểm.................................................................................................33
1.5.1.1.Nút trống và nguyên tử xen kẽ...............................................................34
1.5.1.2.Nguyên tử tạp chất.................................................................................35
1.5.2. Sai lệch đường.............................................................................................36
1.5.2.1.Những khái niệm chung..........................................................................36
1.5.2.2.Năng lượng và chuyển động của lệch.....................................................39
1.5.3 SAI LỆCH MẶT...............................................................................................41
1.5.3.1. Biên giới hạt và siêu hạt ...........................................................................41
1.5.3.3. Cấu trúc mặt ngoài tinh thể...................................................................43
1.5.4 SAI LỆCH KHỐI..............................................................................................43
1.5.5. VAI TRÒ CỦA SAI LỆCH ĐỐI VỚI TÍNH CHẤT..................................................44
1.5.5.1. Tương tác giữa các lệch và khái niệm về hoá bền..................................44
1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể ...............................................................................44
1.6.1 Đơn tinh thể..................................................................................................44
+ Độ hạt của tinh thể...........................................................................................45
1.6.3 Textua......................................................................................................... 46
Chương 4..................................................................................................................47
TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU..............................................................................47
4.1. TÍNH CHẤT ĐIỆN.................................................................................................47
4.1.1. SỰ DẪN ĐIỆN...............................................................................................47
4.1.1.1. Độ dẫn điện...........................................................................................47
4.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng trong các vật rắn..........................................48
4.1.1.3. Tính chất dẫn điện liên quan với mô hình vùng và liên kết nguyên tử .. .49
4.1.1.4. Độ linh động của điện tử........................................................................51
[119]
**4.1.1.5 Điện trở của kim loại...............................................................................52
**
5.1.1.6. Đặc trưng điện của các hợp kim thương mại..........................................53
4.1.2. Bán dẫn điện................................................................................................54
4.1.2.1. Bán dẫn tinh khiết..................................................................................54
4.1.2.2. Bán dẫn tạp chất...................................................................................55
4.1.2.3. Sự thay đổi nhiệt độ của độ dẫn điện và nồng độ hạt tải điện................57
4.1.2.4. Linh kiện bán dẫn..................................................................................59
4.1.3. TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG GỐM IN VÀ TRONG POLYME.....................................62
4.1.3.1. Dẫn điện trong các vật liệu ion..............................................................63
4.1.3.2. Tính chất điện của polyme.....................................................................64
4.1.4 ĐIỆN MÔI..................................................................................................... 64
4.1.4.1. Điện dung..............................................................................................64
4.1.4.2. Vectơ điện trường và sự phân cực điện môi...........................................66
4.1.4.3. Các dạng phân cực điện môi..................................................................67
4.1.4.4. sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi.............................................68
4.1.4.5. Độ bền điện môi....................................................................................68
5.1.4.6. Các vật lieu điện môi.............................................................................68
4.1.5.CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỆN KHÁC CỦA VẬT LIỆU......................................................69
4.1.5.1. Sắt điện.................................................................................................69
4.1.5.2. Áp điện..................................................................................................69
4.2. Tính chất nhiệt...................................................................................................70
4.2.1. Nhiệt dung...................................................................................................70
5.2.2. Giãn nở nhiệt...............................................................................................72
4.2.3. Dẫn nhiệt.....................................................................................................74
4.2.4. Ứng suất nhiệt.............................................................................................77
4.3. Tính Chất Từ...................................................................................................... 78
4.3.1. Các khái niệm cơ bản..................................................................................79
4.3.1.1. Lưỡng cực từ..........................................................................................79
4.3.1.2. Các vector từ trường. ............................................................................79
4.3.1.3.Nguồn gốc của momen từ.......................................................................81
4.3.2. Nghịch từ và thuận từ..................................................................................82
4.3.3. Sắt từ...........................................................................................................84
4.3.4. Phản sắt từ và Feri từ ..................................................................................85
4.3.4.1. Phản sắt từ............................................................................................85
4.3.4.2. Feri từ....................................................................................................86
[120]
**4.3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN TÍNH CHẤT TỪ..........................................88
**
4.3.6. ĐÔMEN ( MIỀN TỪ ) VÀ TỪ TRỄ....................................................................88
4.3.7. VẬT LIỆU TỪ MỀN.........................................................................................89
4.3.8. VẬT LIÊU TỪ CỨNG ......................................................................................91
4.3.9.LƯU TRỮ TỪ..................................................................................................92
4.3.10. SIÊU DẪN (ĐIỆN)........................................................................................93
4.4. TÍNH CHẤT QUANG.............................................................................................95
4.4.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN...............................................................................96
4.4.1.1. Bức xạ điện từ.......................................................................................96
4.4.1.2 .Tương tác ánh sáng với vật rắn .............................................................97
4.4.1.3.Tương tác nguyên tử và điện tử .............................................................97
4.4.2.CÁC TÍNH CHẤT CỦA QUANG HỌC CỦA KIM LOẠI .........................................98
4.4.3. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI ...........................99
4.4.3.1.Khúc xạ ..................................................................................................99
4.4.3.2 Phản xạ.................................................................................................100
4.4.3.3.Hấp thụ ................................................................................................101
4.4.1.2 .Tương tác ánh sáng với vật rắn ...........................................................103
4.4.1.3.Tương tác nguyên tử và điện tử ...........................................................104
4.4.2.CÁC TÍNH CHẤT CỦA QUANG HỌC CỦA KIM LOẠI .......................................105
4.4.3. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA CÁC VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI .........................105
4.4.3.1.Khúc xạ ................................................................................................105
4.4.3.2 Phản xạ.................................................................................................107
4.4.3.3.Hấp thụ ................................................................................................107
4.4.3.4 .Truyền qua..........................................................................................109
4.4.3.5 .Màu sắc...............................................................................................109
4.4.4 .Tính đục và tính trong mờ của các chất cách điện..................................110
4.4.5. ỨNG DỤNG CỦA CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC........................................111
4.4.5.1 Phát quang(phát ánh sáng lạnh)..........................................................111
4.4.5.2.Quang dẫn............................................................................................112
4.4.5.3.LAZE..................................................................................................... 112
[121]
This action might not be possible to undo. Are you sure you want to continue?
We've moved you to where you read on your other device.
Get the full title to continue reading from where you left off, or restart the preview.

Via: 1.1 varnish

X-Page-Type: docview

X-Served-By: cache, cache-jfk8134-JFK

X-Cache: HIT from squid05, MISS

Vary: Accept-Encoding, User-Agent