Đề cương ôn tập môn học Vật liệu học đại cương

ĐỀ CƢƠNG ÔN TẬP MÔN HỌC VẬT LIỆU HỌC ĐẠI CƢƠNG ( Tài liệu được cung cấp có bản quyền bởi Hoàng Trọng Vân _ Đ–ĐTK6.4) Câu 1 : Trình bày cấu trúc vùng năng lƣợng trong vật rắn. Trả lời : Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn trong tất cả các chất dẫn điện, bán dẫn và trong nhiều điện môi, chỉ tồn tại dẫn điện bằng điện tử và độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào các số lượng điện tử có khả năng dẫn điện. tuy nhiên không phải mọi điện tử trong nguyên tử đều có được gia tốc khi có mặt điện trường. Trong một loại vật liệu đã cho số điện tử có khả năng dẫn điện lien quan đến sự sắp xếp các trạng điện tử và còn với các cách thức 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 các nguyên lý của cơ học lượng tử. Trong riêng mỗi nguyên tử tồn tại mức năng lượng gián đoạn. Các điện tử sắp xếp thành các tầng và các lớp được chỉ bởi các chữ s, p, d, f. Trong mỗi lớp phải có tương ứng 2l +1= 1,3,5 va 7 quỹ đạo khác nhau. Trong số các nguyên tử điện tử chiếm lĩnh các trạng thái có mức năng lượng thấp nhất cứ hai điện tử có spin đối xong chiếm một quỹ đạo phù hợp với nguyên lý loại trừ Pauli. Cấu hình điện tử của một nguyên tử cô lập biểu thị sắp xếp điện tử vào các trạng thái cho phép. Sự giãn từ một mức năng lượng điện tử trong ngtu thành một vùng nluong trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách jua các ngtu, sự jan này bđầu từ các đtử ngoài cùng của ngtu bởi vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các ngtu lien kết với nhau. Các tính chất điện của vran fu thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng của nó, cụ thể là sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi đtử. Theo quan điểm này vùng chứa các đtử có năng lượng cao nhất được gọi là vùng hóa trị, còn vùng dẫn điện là vùng có mức năng lượng cao hơn kề bên đó mà trong đa số các trường hợp về cơ bản là bỏ trống. ở các cấu trúc vùng thứ 2 cũng tìm thấy trong các kim loại vùng hóa trị bị lấp đầy và còn phủ lên cả vùng dẫn vùng này nếu như không bị phủ thì hoàn toàn còn trống. Câu 2 : Nêu cấu trúc vùng năng lƣợng của bán dẫn và điện môi từ đó chứng minh tính chất dẫn điện của chúng. Trả lời : a. Vùng năng lƣợng của bán dẫn. Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính. Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng. Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau: + Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. + Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (kB.T với kB là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. + Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau: R = (R0 )exp ( ) với: R0 là hằng số, ΔEg là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang- bán dẫn). b. Vùng năng lƣợng của điện môi. Điện môi là những chất không dẫn điện (cách điện). Trong phân tử của các chất diên môi, số lượng các điện tích tự do là rất ít. Điều này làm khả năng mang điện của nó rất kém. Nhưng khi điện trường tăng vượt quá 1 giá trị giới hạn thì điện môi bị đánh thủng (mất tính cách điện), mỗi điện môi khác nhau có 1 điện trường giới hạn khác nhau hằng số điện môi ε chỉ phụ thuộc vào tính chất của điện môi. Hằng số điện môi của chân không = 1. Câu 3 : Dựa vào độ linh động cuả điện tử và cấu trúc vùng năng lƣợng anh (chị ) hãy nêu đặc điểm của điện trở kim loại. Tính chất dẫn điện, hay cản trở điện, của nhiều vật liệu có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Mọi vật liệu đều được tạo nên từ mạng lưới các nguyên tử. Các nguyên tử chứa các electron, có năng lượng gắn kết với hạt nhân nguyên tử nhận các giá trị rời rạc trên các mức cố định. Các mức này có thể được nhóm thành 2 nhóm: vùng dẫn và vùng hóa trị thường có năng lượng thấp hơn vùng dẫn. Các electron có năng lượng nằm trong vùng dẫn có thể di chuyển dễ dàng giữa mạng lưới các nguyên tử. Khi có hiệu điện thế giữa hai đầu miếng vật liệu, một điện trường được thiết lập, kéo các electron ở vùng dẫn di chuyển nhờ lực Coulomb, tạo ra dòng điện. Dòng điện mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng electron ở vùng dẫn. Các electron nói chung sắp xếp trong nguyên tử từ mức năng lượng thấp đến cao, do vậy hầu hết nằm ở vùng hóa trị. Số lượng electron nằm ở vùng dẫn tùy thuộc vật liệu và điều kiện kích thích năng lượng (nhiệt độ, bức xạ điện từ từ môi trường). Chia theo tính chất các mức năng lượng của electron, có ba loại vật liệu chính sau: Vật liệu Điện trở suất, ρ (Ωm) Kim loại 10 − 8 Bán dẫn thay đổi mạnh Cách điện 1016 Lý thuyết vừa nêu không giải thích tính chất dẫn điện cho mọi vật liệu. Vật liệu như siêu dẫn có cơ chế dẫn điện khác, nhưng không nêu ở đây do vật liệu này không có điện trở. Trong kim loại luôn có electron nằm ở vùng dẫn. Trên thực tế, không có khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị, và có thể coi hai vùng là một đối với kim loại. Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. Mạng lưới nguyên tử của kim loại, thực tế, không hoàn hảo: các chỗ bị sứt mẻ trong mạng lưới tán xạ electron, gây nên sự cản trở với sự di chuyển của electron (điện trở). Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử dao động mạnh hơn và dễ va chạm vào các electron hơn, khiến điện trở tăng theo. Vật dẫn điện càng dài, số lượng va chạm của electron trên đường đi càng tăng, khiến điện trở vật dẫn càng tăng. Câu 4 : Nêu và giải thích tính dẫn điện của bán dẫn loại P. Trả lời : Xét bán dẫn nguyên tố silic. Một nguyên tử silic có 4 điện tử vòng ngoài mỗi điện tử này liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silic lân cận. Giả sử 1 nguyên tử tạp chất có hóa trị 3 được thay thế vào( nguyên tử nhóm III A: Al, B, Ga). Ta lấy bo.Một trong các mối liên kết đồng hóa trị xung quanh mỗi nguyên tử này sẽ bị thiếu 1 điện tử. Chỗ thiếu đó có thể xem như 1 lỗ trống liên kết yếu với nguyên tử tạp chất. Có thể giải phóng lỗ trỗng này khỏi nguyên tử tạp chất bằng cách là điện tử và lỗ trống đổi chỗ cho nhau. Một lỗ trống chuyển động được coi như là ở trạng thái kích thích. Vậy trong trường hợp này tạp chất bo làm cho lỗ trống trong tinh thể tăng lên rất nhiều: chỉ cần một số nguyên tử tạp chất băng một phần triệu số nguyên tử bán dẫn tinh khiết cũng làm cho số lỗ trống tăng lên hàng vạn lần, do đó độ dẫn điện của bán dẫn có tạp chất lớn hơn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết hàng vạn lần. Mỗi 1 nguyên tử tạp chất đưa vào khe cấm một mức năng lượng nằm sát phía trên đỉnh của vùng hóa trị. Mỗi lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hóa trị khi kích thích nhiệt độ 1 điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên trạng thái điện tử tạp chất. Với 1 chuyển dời như thế chỉ có 1 hạt tải (1 lỗ trống) được sinh ra trong vùng hóa trị mà không có điện tử tự do nào được tạo ra hoăc ở mức tạp chất hoặc ở trong vùng dẫn. Tạp chất này được gọi là acxeptơ (tạp chất nhận). bởi vì nó có khả năng nhận điện tử từ vùng hóa trị và để lại đó 1 lỗ trống . Đối với bán dẫn tạp chất loại này, lỗ trống có mặt với nồng độ cao hơn nhiều so với điện tử (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 điện tích dương đảm nhiệm. Lỗ trống được gọi là hạt tải đa số, điện tử là hạt tải tiểu số. Câu 5 : Nêu và giải thích tính dẫn điện của bán dẫn loại N. Trả lời : Xét bán dẫn nguyên tố silic. Một nguyên tử silic có 4 điện tử vòng ngoài mỗi điện tử này liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silic lân cận. Giả sử 1 nguyên tử tạp chất có hóa trị 5 được thay thế vào( nguyên tử nhóm V A: P, As, Sb). Chỉ có 4 trong 5 nguyên tử tạp chất này có thể tham gia vào liên kết. Một điện tử thừa ra chỉ đính 1 cách lỏng lẻo xung quanh nguyên tử tạp chất bởi lực hút tĩnh điện yếu năng lượng liên kết của điện tử này tương đối nhỏ (0,01 eV) =>dễ bị tách khỏi nguyên tử tạp chất =>nó trở thành điện tử tự do (tức điện tử dẫn). Như vậy, trong trường hợp này (tức ) làm cho số điên tử tự do trong bán dẫn tăng lên rất nhiều. Và chỉ cần một số nguyên tử tạp chất bằng một phần triệu số nguyên tử bán dẫn tinh khiết cũng làm cho số điện tử tăng lên hàng vạn lần, nghĩa là độ dẫn điện của bán dẫn có tạp chất lớn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết hàng vạn lần. Mỗi điện tử lỏng lẻo đó chiếm một mức năng lượng đơng nàm trong khe cấm và ngay dưới đáy vùng dẫn. Để kích thích điện tử nhảy từ 1 trong các trạng thái (mức) tạp chất này lên 1 mức trong vùng dẫn đòi hỏi 1 năng lượng tương ứng với năng lượng liên kết trong điện tử. Cứ mỗi lần kích thích sẽ cấp 1 điện tử đơn vào vùng dẫn. Tạp chất loại này gọi là đônơ (tạp chất cho).Bởi mỗi điện tử đônơ đc kích thích từ 1 tạp chất nên không tạo ra lỗ trống ở trong vùng hóa trị do đó trong bán dẫn có tạp chất mật độ điện tử rất lớn so với mật độ lỗ trống. Vì lẽ đó bán dẫn có tạp chất được gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại n. Trong bán dẫn loại n các điện tử là nhưng hạt tải đa số, còn lỗ trống là những hạt tải thiểu số. Câu 6 : Dựa vào KN độ linh động của điện tử và cấu trúc vùng năng lƣợng hãy nêu đặc điểm của điện trở KL của bán dẫn tinh khiết. Tính chất dẫn điện, hay cản trở điện, của nhiều vật liệu có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Mọi vật liệu đều được tạo nên từ mạng lưới các nguyên tử. Các nguyên tử chứa các electron, có năng lượng gắn kết với hạt nhân nguyên tử nhận các giá trị rời rạc trên các mức cố định. Các mức này có thể được nhóm thành 2 nhóm: vùng dẫn và vùng hóa trị thường có năng lượng thấp hơn vùng dẫn. Các electron có năng lượng nằm trong vùng dẫn có thể di chuyển dễ dàng giữa mạng lưới các nguyên tử. Khi có hiệu điện thế giữa hai đầu miếng vật liệu, một điện trường được thiết lập, kéo các electron ở vùng dẫn di chuyển nhờ lực Coulomb, tạo ra dòng điện. Dòng điện mạnh hay yếu phụ thuộc vào số lượng electron ở vùng dẫn. Các electron nói chung sắp xếp trong nguyên tử từ mức năng lượng thấp đến cao, do vậy hầu hết nằm ở vùng hóa trị. Số lượng electron nằm ở vùng dẫn tùy thuộc vật liệu và điều kiện kích thích năng lượng (nhiệt độ, bức xạ điện từ từ môi trường). Chia theo tính chất các mức năng lượng của electron, có ba loại vật liệu chính sau: Vật liệu Điện trở suất, ρ (Ωm) Kim loại 10 − 8 Bán dẫn thay đổi mạnh Cách điện 1016 Lý thuyết vừa nêu không giải thích tính chất dẫn điện cho mọi vật liệu. Vật liệu như siêu dẫn có cơ chế dẫn điện khác, nhưng không nêu ở đây do vật liệu này không có điện trở. Trong chất bán dẫn và cách điện các nguyên tử tương tác với nhau khiến cho khoảng cách năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị lớn; hầu hết các electron không nằm ở vùng dẫn. Để có đủ electron dẫn điện, cần cung cấp nhiều năng lượng cho electron nhảy lên vùng dẫn, ví dụ nhiệt năng hay quang năng. Một hiệu điện thế lớn chỉ tạo được dòng điện yếu do có ít điện tử dẫn điện; do đó chất bán dẫn và chất cách điện có điện trở suất cao. Trong chất bán dẫn, khi tăng nhiệt độ, các electron có thể nhận nhiệt năng để nhảy lên vùng dẫn. Hiệu ứng nhiệt này mạnh hơn hiệu ứng cản trở dòng do dao động mạng, khiến điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Tương tự, có thể chiếu ánh sáng, hay bức xạ điện từ nói chung, vào một số chất bán dẫn, để truyền năng lượng cho các electron (sau khi hấp thụ các photon) nhảy lên vùng dẫn và tăng tính dẫn điện, như trong CCD của camera hay pin Mặt Trời. Có thể thay đổi khả năng dẫn điện của các chất bán dẫn bằng việc pha thêm tạp chất lựa chọn đặc biệt để tạo ra các lỗi trong mạng tinh thể có thừa electron tự do (bán dẫn loại n) hoặc thiếu electron gọi là lỗ trống điện tử (bán dẫn loại p). Nồng độ tạp chất quyết định số lỗ trống hay điện tử tự do trong vật liệu, do đó quyết định tính dẫn điện của vật liệu. + Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (kB.T với kB là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau: với: R0 là hằng số, ΔEg là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang- bán dẫn). Câu 7: Hãy trình bày tính chất sắt điện và áp điện của vật liệu. Trả lời: Nhóm vật liệu mang tính phân cực tự phát tức là phân cực ngay cả khi vắng mặt điện trường được gọi là vật liệu sắt điện. Tính chất: + Trong các vật liệu sắt điện, có tồn tại mômen lưỡng cực điện của các nguyên tử, Mômen lưỡng cực điện trong chất sắt điện có độ lớn cao, đồng thời có tương tác với nhau nên tạo ra sự khác biệt so với các chất sắt điện khác. + Độ phân cực được xác định là mật độ của mômen lưỡng cực điện trong một đơn vị thể tích. Độ phân cực tăng theo giá trị của điện trường ngoài theo một hàm phi tuyến tính, phụ thuộc vào điện trường ngoài, hằng số điện môi. + Ở các chất sắt điện, hằng số điện môi có giá trị rất lớn, và phụ thuộc vào giá trị của điện trường. + Trong vật liệu sắt điện có sự phân chia thành các đômen sắt điện. Trong mỗi đômen sắt điện, các mômen lưỡng cực sắp xếp hoàn toàn song song với nhau. Trên toàn vật, độ phân cực trong nhiều đômen có thể định hướng hỗn loạn nhau. Áp điện là hiện tượng khi lực ngoài tác dụng lên 1 mẫu chất thì sự phân cực sinh ra và một điện trường được thiết lập trong mẫu. Tính chất: + Khi đảo dấu của lực ngoài (tức là kéo chuyển sang nén) thì chiều của điện trường cũng thay đổi theo. + Vật liệu áp điện có 2 hiệu ứng thuận và nghịch. + Vật liệu áp điện phụ thuộc vào lực ngoài tác dụng. nếu lúc ngoài tác dụng là một điện trường thì nó biến đổi hình dạng.khi lực ngoài tác dụng là một lực cơ học thì nó tạo ra dòng điện. Câu 8 : Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. Từ đó giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại. *Cơ chế dẫn nhiệt: --Trong các vật liệu rắn,nhiệt được truyền bởi cả song dao động mạng và điện tử tự do.Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của 2 thành phần theo 2 cơ chế đó. K=Kl +Ke Kl: Độ dẫn điện bởi dao động mạng Ke:Độ dẫn điện bởi dao động điện tử -Thông thường thì 1 trong 2 thành phần đó chiếm ưu thế.năng lượng nhiệt các phonon,tức là song mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. -Thành phần Kl gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng nhiệt đọ cao tới vùng có nhiệt độ thấp trong vật thể. -Các điện tử tự do 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 vaf1 phần động năng đc chuyển bù thêm cho các nguyên tử như là kết quả các va chạm với phonon hay là với 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. * Giải thích tính dẫn nhiệt của kim loại: Câu 9 : Thế nào là thuận từ nghịch từ. Nêu đặc điểm của chúng. a>nghịch từ _nghịch từ là một dạng rất yếu của từ tính,không vĩnh cửu và chỉ tồn tại khi có từ trường ngoài tác dụng _từ trường cảm ứng sinh ra do sự thay đỏi chuyển động quỹ đạo của điện tử bởi từ trường ngoài _mômen từ cảm ứng có giá trị rất nhỏvà hướng ngược chiều với từ trường ngoài._co Mr<1 và độ từ hóa là âm _vậy cường độ của trường B ở trong vật rắn nghịch nhỏ hơn ở trong chân không. _độ từ hóa thể tích Xm của vật rắn nghịch từvào khoảng -10^-5 _ B phụ thuộc vào từ trường ngoài H với vật liệu từ Nghịch từ có ở tất cả các vật liệu:nhưng vì nó rất yếu nên chỉ quan sát được khi có các dạng từ tính khác. b>thuận từ _thuận từ chỉ thể hiện khi sự quay này tạo ra một định hướng ưu tiên _kết quả làm cho Mr>1và do đó độ từ hóa tương đói nhỏ nhưng dương _thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính .mật độ từ thong trong chúng hầu như giống trong chân không. Câu 10 : Nêu nguồn gốc của Momen từ của vật liệu. Trả lời : _các tính chất từ vĩ mô của vật liệu đều là hệ quả của các mômen từ gắn với từng điện tử _mỗi điện tử trong một nguyên tử đều có các mômen từ với 2 nguồn gốc +lien quan đến chuyển động quỹ đạo của nó xung quanh hạt nhân +là một điện tích chuyển động,mỗi điện tử có thể được xem như một dòng điện vòng nhỏ,sinh ra một từ trường rất yếu do đó có một mômen từ hướng dọc theo trục quỹ đạo của nó _mặt khác mỗi điện tử còn có chuyển động riêng gọi là chuyển động xung quanh trục của bản thân _mỗi điện tử trong nguyên tử co thể coi như một nam châm vĩnh cửu nhỏ có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin _mômen từ có giá trị là mH=9,27*10^-24m2 _trong mỗi nguyên tử cô lập ,mômen từ quỹ đạo cung như mômen từ spin của cặp điện tử triệt tiêu lẫn nhau _trong vật liệu có các loại từ tính sau:nghịch từ,thuận từ,sắt từ ngoài ra còn có phản sắt từ và feri từ _tính chất của vật liệu phụ thuộc vào hành vi của lưỡng cực từ nguyên tử và điện tử dưới tác dụng của từ trường ngoài. Câu 11 : Nêu đặc điểm của vật liệu từ cứng. Trả lời : Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính từ “cứng” ở đây chính là thuộc tính từ khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ ko xuất phát từ cơ tính của vật liệu từ. -Nó là vật liệu được phát hiện và sử dụng lớn nhất trong lich sử loài người . Các vật liệu từ cứng thương phẩm dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1740- 1750 ở châu âu và sự phát triển mạnh từ cuối tk19 đầu thế kỷ 20 đến nay. -Đặc trưng 5.51 trang 246  Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn..dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng. -Lực kháng từ. Lực kháng từ ký hiệu là Hc là đâị lượng quan trọng đăc trưng cho tính từ cứng của vật liệu từ cứng.vì vậy vật liệu từ cứng là khó từ hóa và khó khử từ, nên có lực kháng từ cao. Điều kiện tối thiểu là trên 100 0e, nhưng vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ từ ngàn Oe trở nên. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến dị hướng từ tinh thể trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kếm hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn. Có thể liên hệ độ cứng tương đối của vật liệu với tich số Br*Hc. Nó băng khoảng 2 lần năng lượngđể phá hủy từ hóa một đơn vị thể tich vật liệu. Vật liệu có năng lượng càng cao nếu tích Br*Hc càng lớn. -Tính năng lƣợng từ cực đại Là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn tại trong một đơn vị thể tich vật từ.đại lượng này có có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng J trên m mũ 3. -Nhiệt độ kurie Đây là nhiệt độ mà tại đó vật liệu bị mất từ tính, trử thành chất thuật từ. Một số vật liệu từ cứng được dùng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ crrie rất cao. Loại vật liệu từ cứng có nhiệt độ curie rất cao hiện nay là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độ curie từ 500-1000 độ c -Ứng dụng vật liệu từ cứng có thể dùng để chế tạo các nan châm vĩnh cửu hoặc được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa cứng, các băng từ. Câu 12 : Nêu tính dẫn điện của Polyme. Tính chất điện của các polyme - phần lớn các vật liệu polyme đều dẫn điện kém vì ko thể có nhiều điện tử tự do tham gia vào quá trình dẫn điện - cơ chế dẫn điện phức tạp Các polyme dẫn điện: - vật liệu polyme có độ dẫn điện ngang với lim loại được gọi là các polyme dẫn điện, trong các vật liệu này đã đạt đến độ cao là 1,5.107 (Ω.m)-1 - có thể thấy ở nhiều polyme đó là polyxetylen,polyparaphenylen,polypyrol vafplyanilin đã được pha với các phụ gia thích hợp - các polyme này có thể đk chế tạo theo loại n hoặc loại p - polyme tinh khiết cao có đặc trưng cấu trúc vùng điện tử của các chất cách điện - cơ chế sản sinh ra số lượng lớn điện tử tự do và lỗ trống trong các polyme này rất phức tạp, không thể giải thích rõ ràng. Ứng dụng: Những polyme này có ưu thế trong ứng dụng do chúng có trọng lượng riêng thấp, độ dẻo cao và dễ chế tạo ví dụ như chế tạo pin tái sinh với điện cực polyme, làm dây dẫn trong các cấu kiện hàng không và vũ trụ, che phủ chống nhiễu điện cho quần áo, vật liệu màu chắn điện từ và linh kiện điện tử. Câu 14 : Nhiệt dung là gì? Trình bày nguồn gốc của nhiệt dung và sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ. Lời giải: Nhiệt dung cho biết khả năng của vật liệu hấp thụ nhiệt từ bên ngoài, nó biểu thị phần năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ lên 1 đơn vị. Bằng ngôn ngữ toán học, nhiệt dung C được viết như sau: dQ: năng lượng cần để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT Thông thường nhiệt dung được tính theo mol của vật liệu(chảng hạn J/mol.K hoặc cal/mol.K). Nhiệt dung riêng (thường ký hiệu bằng chữ c) là nhiệt dung của 1 đơn vị khối lượng vật liệu có đơn vị J/kg.K hoăc cal/g.K. Trong thực tế có 2 cách đo nhiệt dung của vật liêu 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. Sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt dung Biến thiên theo nhiệt độ của nhiệt dung theo đẳng tích của nhiều chất rắn tinh thể tương đối đơn giản.Cv bằng 0 ở OK nhưng tăng lên nhanh theo nhiệt độ. Điều này tương ứng với khả năng của các sóng mạng nâng cao năng lượng trung bình của mình. Khả năng này được tăng lên theo nhiệt độ. ở các nhiệt đọ thấp mối quan hệ giữa Cv và nhiệt đọ T là: Cv=A T 3 Trong đó A là hằng số không phụ thuộc nhiệt độ. Ở trên nhiệt độ ɵd gọi là nhiệt độ Debye. Cv hầu như không còn phụ thuộc nhiệt độ nữa, còn giá trị vào khoảng 3R, R là hằng số khí. Đối với nhiều vật liêu rắn, giá trị của ɵd xấp xỉ nhiệt đọ phòng, và giá trị gần đúng hợp lý của Cv ở nhiệt độ phòng là 15 J/mol.K Câu 15 : Thế nào là phản sắt từ, feri từ. Nêu đặc điểm của chúng. a. Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Cơ chế của tính phản sắt từ -Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. - Vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng cũng yếu. -Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tương tác trao đổi giữa các spin - Phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau. Các tính chất cơ bản -Ở không độ tuyệt đối (0 Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp xếp đối song song nhau nên từ độ. - Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật tự từ kiểu phản song song làm tăng độ từ hóa (và độ cảm từ, χ) của vật liệu phản sắt từ. - Từ trường ngoài cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song của vật liệu. b.Feri từ: Feri từ :là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Ferri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Cấu trúc của feri từ Feri từ từ có tên gọi xuất phát từ nhóm vật liệu ferrite ,là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là: XO.Y2O3 + X là một kim loại hóa trị 2, + Y là kim loại hóa trị 3 . Ô đơn vị của một ferrite sẽ chứa 32 anion và 24 cation. 8 cation ở vị trí A (tạo thành phân mạng từ A) sẽ bị bao quanh bởi 4 iôn ôxi theo dạng các tứ diện và 16 cation còn lạ ở vị trí B (phân mạng từ B) bị bao quanh bởi 6 ion ôxi bởi mạng bát diện. Đây là nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel , thường mang cấu trúc lập phương tâm mặt. Một số nhóm ferrite khác có thành phần phức tạp hơn mang cấu trúc lục giác Tính chất của feri từ - Feri từ có 2 phân mạng từ bù trừ không hoàn toàn, nên nó có từ độ tự phát và từ độ này được bù trừ từ mômen từ của 2 phân mạng: λ.MA − (1 − λ).MB +MA, MB lần lượt là mômen từ của 2 phân mạng A và B, + λ là tỉ phần giữa 2 phân mạng. -Nhìn chung, tính chất từ của feri từ gần giống với sắt từ, - Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngưoc chieu - Có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ". - Nhiệt độ bù trừ thấp hơn nhiệt độ Curie (đôi khi nhiệt độ Curie của feri từ cũng được gọi là nhiệt độ Néel, ở trên nhiệt độ Curie chất bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ. Câu 16 : Thế nào là vật liệu từ mềm, nêu t/c của vật liệu từ mềm. Vật liệu từ mềm là vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ. Tính chất  Vật liệu áp điện có từ trường bão hòa và độ từ hóa chỉ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu.  Hệ số từ hóa và độ khử từ của Hc lại phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu chứ không phải thành phần của vật liệu.  Tổn hao năng lượng từ phụ thuộc vào điện trở suất và nó thỉ lệ nghịch với điện trở suất. Đặc điểm  Có độ từ thẩm cao  Có độ khử từ thấp.  có tổn hao năng lượng từ trễ thấp.  dễ bị từ hóa. Câu 17 : Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên tính chất từ. Trả lời : 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 định hướng hỗn loạn của mọi momem từ. Đối các vật liệu sắt từ ,phản sắt từ và feri từ chuyển động nhiệt nguyên tử chống lại lực lượng tác ghép giữa các momem lưỡng cực nguyên tử gây ra sự sắp xếp hướng lầm lẫn của các lưỡng cực kể cả khi có từ trường ngoài.Do đó từ độ bão hòa của chất sắt từ và feri từ đều giảm.Từ độ bão hòa sẽ cực đại ở nhiệt độ 0K vì khi đó dao động nhiệt là cực tiểu.Kho nhiệt độ tăng từ độ bão hòa giảm dần và và sau đó tụt mạnh tới không ở nhiệt độ Curie Te. Đặc tính từ độ: nhiệt độ của Fe và Fe3O4 được biểu diễn trên hình trang 243 Ở nhiệt độ Te lực ghép spin với nhau mất tác dụng và khi nhiệt độ cao hơn Te vật liệu sắt từ và feri từ đều trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie thay đổi theo vật liệu vị dụ: Fe,Fe3O4,cooban,niken có các trị số tương ứng là 768,585,1120,335 độ C. Tính phản sắt từ cũng phụ thuộc nhiệt độ,nó biến mất ở nhiệt độ Neeeseel.Cao hơn nhiệt độ này các vật liệu phản sắt từ cũng trở thành thuận từ. Câu 18 : Nêu ứng dụng của vật liệu từ trong lƣu trữ. Khi tăng nhiệt đó dao động 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 định hướng hỗn loạn của mônmen từ. Đối với các vật liệu sắt từ, phản sắt từ, và feri chuyển động nhiệu nguyên tử chống lại lực tương tác ghép giữa các monen 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 chất sắt từ và feri đều giảm. khi nhiệt độ tăng từ độ bão hòa giảm dần và sau đó tụt mạnh tới không ở nhiệt độ CurieTe. ở nhiệt độ Te lực ghép spin với nhau mất tác dụng và khi nhiệt độ cao hơn Te vật liệu sắt từ và feri từ đều trở thành thuận từ. tính sắt từ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ; nó biến mất ở nhiệt độ Neel. Cao hơn nhiệt độ này thì các vật liệu phản sắt từ cũng trở thành thuận từ Câu 19 : Nêu cơ chế dẫn nhiệt của vật liệu. từ đó giải thích tính dẫn nhiệt của gốm. *Cơ chế dẫn nhiệt: --Trong các vật liệu rắn,nhiệt được truyền bởi cả song dao động mạng và điện tử tự do.Độ dẫn nhiệt toàn phần là tổng của 2 thành phần theo 2 cơ chế đó. K=Kl +Ke Kl: Độ dẫn điện bởi dao động mạng Ke:Độ dẫn điện bởi dao động điện tử -Thông thường thì 1 trong 2 thành phần đó chiếm ưu thế.năng lượng nhiệt các phonon,tức là song mạng được truyền đi theo hướng chuyển động của chúng. -Thành phần Kl gây bởi chuyển động thuần của các phonon từ vùng nhiệt đọ cao tới vùng có nhiệt độ thấp trong vật thể. -Các điện tử tự do 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 vaf1 phần động năng đc chuyển bù thêm cho các nguyên tử như là kết quả các va chạm với phonon hay là với 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. *Giải thích tính dẫn nhiệt của 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: K rất nhỏ so với K.phonon vận chuyển năng lượng nhiệt không hiệu quả như điện tử tự do,do phonon bị tán xạ rát mạnh bởi khuyết tật mạng. -Độ dẫn điện của 1 số vật liệu gốm nằm trong khoảng 2- >50W/m.K ở nhiệt độ phòng .Thủy tinh và các gốm vô định hình khác có độ dẫn điện thấp hơn 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 đọ tăng.Do vậy,độ dẫn nhiệt của đa số vật liệu gốm bình thường đều giảm dần dần khi nhiệt độ tăng,ít nhất là ở nhiệt đọ tương đối thấp. -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 là chậm và không có hiệu quả.Các lỗ xốp bên trong còn chứa không khí,khí này có đọ dẫn nhiệt cực kỳ thấp,khoảng 0,02W/m.K.Hơn nữa sự đối lưu khí trong các lỗ xốp cũng không có hiệu quả đáng kể.