Vật liệu học - Chương 5: Tính chất vật lý

TS. Hà Văn Hồng *Tháng 02.2006VẬT LIỆU HỌCTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chương 5Tính chất vật lý5.1.Tính chất điện5.2.Tính chất nhiệt5.3.Tính chất từ6.4.Tính chất quangTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.1.Tính chất điện5.1.1.Mô hình dải năng lượng5.1.2.Khái niệm về dẫn điện5.1.3.Dẫn điện của vật liệu kim loại5.1.4.Dẫn điện của vật liệu bán dẫn5.1.5.Dẫn điện của vật liệu vô cơ5.1.6.Dẫn điện của vật liệu hữu cơ5.1.7.Tính chất điện môi của vật liệuTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Thuyết MO : H2 N2  2 Ng.tử cùng loại gần nhau: Tương tác với nhau 1 MO liên kết có E(lk) thấp 1 MO phản liên kết có E(plk) cao E = E(plk) - E(lk)  Miền cấm (hố năng lượng) EplkElk5.1.1.Mô hình dải năng lượngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Thuyết MO  Hệ nhiều ngtử : 3, 4, 5N ngtử Tương tác  N/2 MO liên kết N/2 MO phản liên kết E : N mức liên tục  E: min  Dải năng lượngMiền cấm E : Kim loại : E rất nhỏ hay E = 0 ev Chất bán dẫn: E = 0.1 – 3 ev Chất cách điện : E > 3 ev Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.1.2.Khái niệm về dẫn điệnDẫn điện : là sự chuyển động của các điện tử tự do theo một hướng nào đó dưới tác dụng của điện trường   Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.1.2.Khái niệm về dẫn điệnĐộ dẫn điện : Đinh luật Ôm: U = IR Điện trở suất Độ dẫn điện Mật độ dòng điện Cường độ điện trường Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Kim loại  Na : 11 e  1S22S22P63S1  ½ vùng hóa trị : “ e ” điền đầy1-Vùng hóa trị 2-Vùng dẫn5.1.3.Dẫn điện của vật liệu kim loại12Điện tử3S3PE1 ng.tử NaN ng.t NaDải n.lượngVùng hóa trịVùng dẫnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Kim loại Mg:12e1S22S22P63S2  V.hóa trị: “ e” điền đầy 3S & 3P che phủ lẫn nhau1-Vùng hóa trị2-Vùng dẫn2Dải n.lượng1 Kim loại: vùng hóa trị & vùng dẫn: liền kề nhau Kích thích nhẹ  ”e” vùng hóa trị  Vùng dẫn: ”e”chuyển động tự do Dẫn điện Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chất bán dẫnSi:14e 1S22S22P63S13P3Liên kết 4 ng.tử Si  Vùng hóatrị: “e” điền đầy Bão hòa E=1.12eV  E = 0.1- 3 eV “e” đủ E nhảy lên vùng tự do => Dẫn điện1-Vùng hóa trị2-Vùng dẫn3-Vùng cấm21E3I, H, T, Chiếu sáng5.1.4.Dẫn điện của vật liệu bán dẫnBán dẫn tinh khiếtSi:14e 1S22S22P63S13P3Liên kết 4 ng.tử Si Mạng tinh thể Si : không có “e” tự doSiSiSiSiSiSiSiSiSiTăng nhiệt độ : “e” = lỗ trốngĐặt trong điện trường : “e” chuyển động ngược chiều ELỗ trống chuyển động cùng chiều EESiSiSiSiSiSiSiSiSiIBán dẫn tạp chất nMạng tinh thể Si có tạp chất P5+:1s22s22p63s23p3“e” thừa dễ tách ra  “e” tự doSiPSiSiSiSiSiSiSi+Bán dẫn tạp chất PMạng tinh thể Si có tạp chất B3+ :1s22s22p63s23p1Một “e” chuyển đến lấp lỗ trống  Tạo lỗ trống mớiSiBSiSiSiSiSiSiSi-Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Liên kết : ion & cộng hoá trịIon ở các nút mạng  Không dẫn điệnDẫn điện ion : Dịch chuyển ion chỉ xảy ra khi có khuyết tật mạng Chất điện ly rắnNaCl dẫn điện do lỗ trống cation Na+ Nhiệt độ Tạp chất (MnCl2) Độ dẫn điện 5.1.5.Dẫn điện của vật liệu vô cơTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Liên kết : cộng hoá trị  Phân tử ở các nút mạng  Không dẫn điệnDẫn điện nhờ phụ gia : bột kim loại, bột graphit Ng.tử pha tạp  Tạo “e” hoặc lỗ trống5.1.6.Dẫn điện của vật liệu hữu cơTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Dẫn điện nhờ thay đổi liên kết &cấu trúc vật liệuLiên kết  : bền không có “e” tự do Liên kết  : yếu  có “e” tự do ở miềm dẫn5.1.6.Dẫn điện của vật liệu hữu cơTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* C≡N CH CH2 C≡N CH CH2 N C CH CH2 N C CH CH2Mạch vòngT = 200oCOxy hóaT =350 N C CH CH2 N C CH C O C C C C C C Carbon hóaT =1100oCChuyển liên kết    Polyacetylen + Iot   PA + A      (PA)+A-                        [CH]n + 3/2nmI2       [CHm+(I3)m]n                     Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chất điện môi là vật liệu cách điện, có cấu trúc lưỡng cực điện tự nhiên hoặc nhân tạo Ứng dụng Làm tụ điện5.1.7.Tính chất điện môi của vật liệu Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Vectơ điện trường Momen lưỡng cực điện : 5.1.7.Tính chất điện môi của vật liệu Lưỡng cực điện với vectơ phân cực P+-EĐiện trường tác dụng lên lưỡng cực P+-ELưỡng cực P xếp theohướng điện trường+-dPTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Sự phân cực điện môiPhân tử không có cực E Điện tử “e” lệch so với hạt nhân Phân cực điện tử : Pe 5.1.7.Tính chất cách điên (điện môi) của vật liệu E+-+E = 0E  0 - - - - - -++++++Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phân tử có cực Phân cực ion : Pi 6.1.7.Tính chất cách điên (điện môi) của vật liệu +-++--+-E+ - - - - - -+++++++++----E = 0E  0Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phân cực xoay hướng : Po 5.1.7.Tính chất cách điên (điện môi) của vật liệu EE = 0E  0Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phân cực toàn phần : P = Pe + Pi + Po P = E -độ phân cực5.1.7.Tính chất cách điên (điện môi) của vật liệu Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.Tính chất nhiệt5.2.1.Độ dẫn nhiêt5.2.2.Giãn nở nhiêt5.2.3.Ứng suất nhiêt Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.1.Độ dẫn nhiệtCơ chế dẫn nhiệt Sóng dao động mạng + C.động điện tử “e” tự doNguyên tử (phân tử, ion):  Dao động nhiệt => Truyền nhiệt : từ vùng nóng đến vùng lạnhĐiện tử “e” tự do : Ng.tử bị kích thích   “e” tự do : tăng mật độ =>  Truyền năng lượng từ vùng nóng  sang vùng lạnhTTTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.1.Độ dẫn nhiệtĐộ dẫn nhiệt q-độ dẫn nhiệt, kcal/m2.h k-hệ số dẫn nhiệt, kcal/m.h.k k = kl + Ke kl-hệ số dẫn nhiệt bởi dao động mạng ke -hệ số dẫn nhiệt bởi “e” dT/dx-gradien nhiệt độ, kcal/m Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.2.Giãn nở nhiệtGiãn nở nhiệt theo chiều dài ll-chiều dài ở nhiệt độ Tl lo-chiều dài ở nhiệt độ To l-hệ số nở dài Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.2.Giãn nở nhiệtGiãn nở nhiệt theo thể tích V-biến đổi thể tích Vo-thể tích ở nhiệt độ To v-hệ số nở khối Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.3.Ứng suất nhiệtCơ chế T  Vật liệu giãn nở : Bề mặt : bị nén Bên trong : bị kéo T  Vật liệu bị co : Bề mặt : bị kéo Bên trong : bị nén  Sinh ra nội lực chống lại sự thay đổi kích thước Ứng suất nhiết -Ứng suất E-modun đàn hối l-hệ số nở dài Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.2.3.Ứng suất nhiệtỨng suất bên trong T  Ứng suất kéo T  Ứng suất nénỨng suất bề mặt T  Ứng suất nén T  Ứng suất kéo Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.3.1.Khái niệm chung5.3.2.Vật liệu từ5.3.Tính chất từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.3.1.Khái niệm chung1.Lựỡng cực từ :Lực từ : sinh ra do các hạt mang điện chuyển động => Lực của từ trường Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Độ lớn : mật độ đường sứcHướng : vào nam (S) Ra bắc (N) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.Từ trường (H)Từ trường là trường lực do dòng điện I đi qua cuộn dây chiều dài l, n vòng sinh raCường độ từ trường : H = ( nx I ) : l Đơn vị đo : A/m5.3.1.Khái niệm chungTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.Cảm ứng từ (B): Mật độ từ thôngLà từ trường chứa trong vật liệu khi chịu tác dụng của từ trường H Đơn vị đo: T-Tesla 4.Độ thấm từ  = B/H Đơn vị đo: T/(A/m)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.3.1.Khái niệm chung5.Momen từ (M)Mỗi điện tử “e” chuyển động => dòng điện nhỏ => Từ trường yếu => Momen từ M = mo + ms mo  0 Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Vật liệu đặt trong từ trường H : -Cảm ứng từ của vật liệu: /chia cho H - Độ từ cảm ( ) : χ = 10-4 – 10-7 : Chất nghịch từ χ = 10-2 – 10-5 : Chất thuận từ χ ≈ 106 : Chất sắt từ Fe, Co, NiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*1. Chất nghịch từ Lớp ngòai : “e” :  ms = 0 => M = 0Đặt trong từ trường H Vât liệu bị từ hóa : “e” thay đổi tốc độ góc => M  0 => định hướng => Làm yếu từ trường ngoài => => æ = 10-4 – 10-7H5.3.2.Vật liệu từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.Chất thuận từLớp ngòai: “e” :  ms ≠ 0 => M ≠ 0 Đặt trong từ trường H Vât liệu bị từ hóa : “e”quay theo từ trường ngoài => định hướng => Làm tăng từ trường ngoài => => æ = 10-2 – 10-5 5.3.2.Vật liệu từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.Vật liệu sắt từ : Fe : z = 26 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d6 4S2 Lớp ngòai: 4 ô chứa điên tử độc thân  ms ≠ 0 5.3.2.Vật liệu từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3.Vật liệu sắt từ : Fe : z = 26 Tương tác của các nguyên tử gần nhau : m định hướng // theo một phương tinh thể => Miền từ hóa tự nhiên (Đomen từ) 5.3.2.Vật liệu từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Chuyển động nhiệt  M = Mdomen  0 Từ trường ngoài H = 0 Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* H M = Mdomen  0 BHsBsHCác Domen từ thay đổiHình dạng & Kích thước => Domen đơn => Bão hòa từ Độ từ hóa  ≈ 106Từ trường ngoài H ≠ 0 => Đường cong từ hóaTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Đường cong từ hóa ban đầuĐường cong từ trễBr-Cảm ứng từ dưHc-Lực khử từ = B/HĐường cong từ trễBHcBrHTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Vật liệu từ mềm: Hc = min =>  = B/H có trị số lớn Vật liệu từ cứng: Hc = max =>  = B/H có trị số nhỏ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.Tính chất quang5.4.1.Khái niệm chung5.4.2.Tích chất quang học của vật liệu kim loại5.4.3.Tích chất quang học của v.liệu phi kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.1.Khái niệm chung1-Bức xạ điện từThuyết sóng điện từ: Điện tử “e”dao động: tần số   Điện trường ETừ trường H  Trường điện từ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.1.Khái niệm chung1-Bức xạ điện từ Thuyết sóng điện từ: Trường điện từ  Lan truyền  Sóng điện từ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*1-Bức xạ điện từThuyết sóng điện từ:  Các dạng bức xạ điện từ: -Sóng điện từ : Tia  ; Tia rơngen (X) ; Tia tử ngoại ; Ánh sáng nhìn thấy; Tia hồng ngoại ; Sóng visóng ; Sóng radio -Năng lượng : Nhiêṭ ; Ánh sáng ; Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*1-Bức xạ điện từThuyết sóng điện từ: Phổ sóng điện từTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.1.Khái niệm chung1-Bức xạ điện từThuyết cơ học lượng từ:  Bức xạ điện từ : nhóm hay bó năng lượng gọi là photon () :  = h  h = 6.625 10-34 J.s - Hằng số Planck  Mối quan hệ : năng lượng E & bước sóng  E = h = hc/  Điện trường E  Từ trường H  Trường điện từ 1-Bức xạ điện từ Sóng điện từ & Năng lượngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2-Tương tác của ánh sáng với vật rắn IoIRIAITIo – C.độ chùm sáng tớiIA –C.độ chùm sáng hấp thụIT –C.độ chùm sáng truyền quaIR –C.độ chùm sáng phản xạA –Độ hấp thụT –Độ truyền quaR –Độ phản xạ R = max  Vật thề màu trắng A = max  Vật thể màu đen T = max  Vật thể trong suốt Truyền qua  A  0  Phát xạ  Có màu Truyền qua  A = 0 Khúc xạ  Màu đục Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3- Tương tác của bức xạ điện từ với nguyên tửPhân cực điện tử Cơ chế 1.Điện trường (E) tương tác với “e” bao quanh nguyên tử (ion, phân tử)2. E đổi hướng làm lệch mây “e” so với hạt nhân3.Nguyên tử (ion, phân tử) phân cực Hệ quả1.Một phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ2.Sóng ánh sáng bị chậm lại khi truyền qua môi trườngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3- Tương tác của bức xạ điện từ với nguyên tửChuyển dời điện tử Cơ chế 1.Nguyên tử hấp thụ năng Lượng nên bị kích thích2.Điện tử “e” nhẩy lên mức năng lượng cao hơn3.Điện tử “e” nhảy về mức năng lượng cơ bản, đồng thời giải phóng năng lượng (photon ) áng sángTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3- Tương tác của bức xạ điện từ với nguyên tửChuyển dời điện tử Ví dụ-Nguyên tử hấp thụ năng lượng Điện tử “e” mức E2 bị kích thích-Điện tử “e” nhẩy: E2  E4Điện tử “e” nhảy: E4  E2  Giả phóng năng lượng (photon ) có tần số (), bước sóng ()  Điều kiện : h-năng lượng hấp E-năng lượng chuyển dời điện tửTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.2.Tích chất quang học của kim loại Cơ chế Ng.tử hấp thụ toàn bộ photon ánh sáng (vì E0) => Kích thíchĐiện tử “e” nhẩy lên: Vùng hoá trị  Vùng dẫn Điện tử “e” nhẩy về: Vùng dẫn Vùng hoá trị Bức xạ: sóng ánh sáng (, ) => Kim loại có màu sắcTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ag, Al –màu trắng 7 mầu : đỏ, da cam, vàng.phối trộn  Màu trắng Cu-màu đỏ Vì 1 phần bước sóng ngắn không được phát lại Au : màu vàng Vì 1 phần bước sóng ngắn không được phát lại Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*5.4.3.T.chất quang học của vật liệu phi kim loại1-Khúc xạ2-Phản xạ3-Hấp thụ4-Truyền qua5-Màu sắc6-Tính đục và tinh trong của các chất cách điệnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Khúc xạHiện tượng : Lệch hướng truyền Chỉ số khúc xạ n : C-Tốc độ ánh sáng trong chân không v-Tốc độ ánh sáng truyền qua vậtNguyên nhân: Sự phân cực điện tửKT ng.tử (phân tử, ion) Phân cựcv n IoITTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phản xạHiện tượng : Ánh sáng bị phản xạ lại trên mặt phân cáchNguyên nhân: Chiết suất nns R IoIRTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Cơ chế 1: phân cực điện tử1.Điện trường (E) tương tác với “e” bao quanh nguyên tử (ion, phân tử)2. E đổi hướng làm lệch mây “e” so với hạt nhân3.Nguyên tử (ion, phân tử) phân cực Hệ quảNguyên tử (ion, phân tử): bề vững Năng lượng chuyển dời điện tử : E-lớn Vật liệu không màuNguyên tử (ion, phân tử): dễ phân cực Năng lượng chuyển dời điện tử : E-nhỏ Vật liệu có màuHấp thụTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Hấp thụCơ chế 2: chuyển dời “e” từ vùng hoá Vùng dẫn-E > 3.1 eV: Hấp thụ: không Trong suốtE = 1.8- 3.1eV: Hấp thụ: ít Có màuE 3.1 eV  Trong suốtCorundong (Al2O3) : Tinh khiết cao Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Màu sắcVật liệu vô cơ: chứa tạp chấtSaphia (Al2O3+Ti + Fe) :Rubia (Al2O3+2%Cr2O3) : Hấp thụ λ=0.4µm : Tím-Xanh λ=0.6µm : Vàng –Đỏ Tán xạ +Truyền quaMàu đỏ thẫm Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Màu sắc Cadimi sunphit CdS :Eg = 2.4 eV Hấp thụ  > 2.4 eV Xanh-TímTruyền qua  =1.8- 2.4 eV Màu : da cam Thuỷ tinh : phụ gia màu Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Màu sắcÁng sáng  Hấp thụ chọn lọc  Truyền quaVật liệu hữu cơ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tính đục & Tính trong mờÁng sáng  Tán xạ  Truyền qua Tán xạ thường:Màu trong suốt Tán xạ tổ hợp:Màu đục hoặc mờTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tính đục & Tính trong mờĐơn tinh thể & Vô định hình: Chiết suất đẳng hướng  Trong suốt Thuỷ tinhKim cươngCorundumTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tính đục & Tính trong mờĐa tinh thể Chiết suất   Tán xạ   Trong mờ Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tính đục & Tính trong mờOxit nhôm Al2O3: Đơn tinh thểTrong suốt Đa tinh thể Mờ Xốp Đục Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tính đục & Tính trong mờVật liệu polyme tinh khiếtVô định hình: Chiết suất đẳng hướng  Trong suốtCấu trúc : tinh thể + vô định hình Chiết suất   Khúc xạ   Trong mờCấu trúc : tinh thể là chính Chiết suất  Màu đục