Bài giảng Vật liệu điện-điện tử - Chương 1: Khái quát vật liệu điện điện tử - ThS. Phạm Xuân Hổ

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu điện-điện tử - Chương 1: Khái quát vật liệu điện điện tử - ThS. Phạm Xuân Hổ

1. VAÄT LIEÄU ÑIEÄN - ÑIEÄN TÖÛ KHAÙI QUAÙT VAÄT LIEÄU ÑIEÄN ÑIEÄN TÖÛ (ELECTRONIC & ELECTRICAL MATERIALS) THÖÏC HIEÄN: GVC THAÏC SYÕ PHAÏM XUAÂN HOÅ
2. CAÁU TAÏO NGUYEÂN TÖÛ NGUYEÂN TÖÛ LAØ PHAÀN NHOÛ NHAÁT KHOÂNG THEÅ PHAÂN CHIA CUÛA VAÄT CHAÁT MAØ VAÃN COØN GIÖÕ NGUYEÂN CAÙC TÍNH CHAÁT CÔ BAÛN CÔ, LYÙ, HOAÙ CUÛA VAÄT LIEÄU Ze. 2 v Ftd = 2 ()N 4.πε .0 .r mv. 2 F = ()N lt r 1.Ze2 WJe =− × () 24 πε0 r
3. Tieân ñeà bohr Chæ nhöõng quyõ ñaïo thoûa maõn heä thöùc sau môùi laø quyõ ñaïo cho pheùp: h m v = r n Vôùi n= 1,2,3, .2 π 2 h ε 2 Coâng thöùc tính vôùi 0 rnn =× quyõ ñaïo thöù n: π .Z .m .e 2 1.1Zme24 W en =×− 22× 2 24 ε 0 hn Z .e 3 1 v n = × 2 .h.ε 0 n
4. Tieân ñeà bohr Tiªn ®Ò vÒ tr¹ng th¸i dõng: ®iÖn tö e- chØ tån t¹i trong nh÷ng tr¹ng th¸i cã n¨ng l−îng x¸c ®Þnh gäi lμ tr¹ng th¸i dõng. Trong c¸c tr¹ng th¸i dõng ®iÖn tö e- kh«ng bøc x¹.) Tiªn ®Ò vÒ sù bøc x¹ vμ hÊp thô n¨ng l−îng cña ®iªn tö e-: tr¹ng th¸i dõng cã n¨ng l−îng cμng thÊp th× cμng bÒn v÷ng. Khi ®iÖn tö ë tr¹ng th¸i dõng cã n¨ng l−îng lín bao giê còng cã xu h−íng chuyÓn sang tr¹ng th¸i dõng cã n¨ng l−îng nhá. Khi nμy nã bøc x¹ ra 1 photon cã n¨ng l−îng ®óng b»ng hiÖu 2 møc n¨ng l−îng ®ã. W1 –W2 = h.f
5. Tieân ñeà bohr
6. 4 soá löôïng töû Soá löôïng töû chæ traïng thaùi naêng löôïng cuûa e- : n: Soá löôïng töû chính (K,L,M,N,O,P,Q) a l +1 l: Soá löôïng töû phuï ocbital (sp,d,f); = b n m: Soá löôïng töø -1<m<+1 ; cosθ = m s: Soá löôïng töû Spin +1/2 vaø -1/2 Trong 1 heä löôïng töû 2 e- khoâng theå chieám cuøng traïng thaùi naêng löôïng, khoâng cuøng 4 soá n,l,m,s
7. VECTOR TÖØ NGUYEÂN TÖÛ
8. VUØNG NAÊNG LÖÔÏNG Caùc nguyeân töû saép xeáp thaønh caùc maïng tinh theå vaät raén neân caùc möùc naêng löôïng cuûa e- cuõng bò chi phoái bôûi caùc nguyeân töû khaùc trong maïng taïo thaønh caùc vuøng naêng löôïng Vuøng xen phuû W=0 Taàng daãn 4p Vuøng naêng 4s W löôïng g W Vuøng caám g Vuøng caám 3d 3p Taàng hoùa trò a Khoaûng caùch giöõa caùc nguyeân töû VLcaùch ñieän VL baùn daãn VL daãn ñieän
9. VAÄT LIEÄU ÑIEÄN - ÑIEÄN TÖÛ VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN (CONDUCTOR MATERIALS) THÖÏC HIEÄN: GVC THAÏC SYÕ PHAÏM XUAÂN HOÅ
10. VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN Silver 1.59×10−8 .0038 Copper 1.72×10−8 .0039 Gold 2.44×10−8 .0034 Aluminium 2.82×10−8 .0039 Tungsten 5.60×10−8 .0045 Nickel 6.99×10−8 ? Brass 0.8×10−7 .0015 Iron 1.0×10−7 .005 Tin 1.09×10−7 .0045 Platinum 1.1×10−7 .00392 Lead 2.2×10−7 .0039 Manganin 4.82×10−7 .000002 Constantan 4.9×10−7 0.00001 Mercury 9.8×10−7 .0009
11. MAÏNG TINH THEÅ NGUÎEÂN TUÛ
12. MAÏNG TINH THEÅ OÂ CÔ SÔÛ CUÛA MAÏNG TINH THEÅ OÂ CÔ SÔÛ LAØ ÑÔN VÒ TUAÀN HOAØN NHOÛ NHAÁT ÑAÏI DIEÄN ÑAËC TRÖNG CHO CAÁU TRUÙC CUÛA MAÏNG TINH THEÅ
13. OÂ CÔ SÔÛ z HEÄ TRUÏC KHOÂNG GIAN: Ox, Oy, Oz GOÙC MAËT : α, β, γ HAÈNG SOÁ MAÏNG: a, b, c : c NUÙT MAÏNG : β OÂOÂ CÔ CÔ SÔÛSÔÛ PHAÛILAØ TOAØN COÙ: BOÄ γ PHAÀN THEÅ TÍCH KHOÂNG a x SOÁ CAÏNH BEÂN, SOÁ GOÙC MAËT GIAN CHUÙA TRONG OÂ BAÈNGVÔÙI CAÙC NHAU CAÏNH NHIEÀU LAØ NHAÁT. b α NEÁUHAÈNG COÙ SOÁGOÙCMAÏNG VUOÂNG THÌ SOÁ GOÙC VUOÂNG NHIEÀU NHAÂT. COÙTHEÅTÍCH BEÙNH AÁT y
14. OÂ CÔ SÔÛ- CAÙC CHÆ SOÁ z [101] CHÆ SOÁ NUÙT NOÙI LEÂN VÒ TRÍ NUÙT MAÏNG TRONG OÂ COÂ SÔÛ (001) [[101]] CHÆ SOÁ PHÖÔNG NOÙI LEÂN VECTOR TÖØ GOÁC ÑEÁN NUÙT MAÏNG TRONG OÂ COÂ SÔÛ [[100]] x (111) CHÆ SOÁ MAËT NOÙI LEÂN VÒ TRÍ MAËT PHAÚNG XAÙC ÑÒNH NAØO ÑOÙ (110) TRONG OÂ COÂ SÔÛ [110] y
15. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN HEÄ 3 NGHIEÂNG: a ≠ b ≠ c 0 α ≠ β ≠ γ ≠ 90 HEÄ 1 NGHIEÂNG: a ≠ b ≠ c α = γ = 900 ≠ β HEÄ TRÖÏC THOI: a ≠ b ≠ c 0 α = β = γ = 90
16. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN HEÄ 3 PHÖÔNG THOI: a = b = c α ≠ β ≠ γ ≠ 900 HEÄ SAÙU PHÖÔNG: a = b ≠ c 0 0 α = γ = 90 ≠ β = 120
17. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN HEÄ BOÁN PHÖÔNG: a = b ≠ c 0 α = β = γ = 90 HEÄ LAÄP PHÖÔNG: a = b = c α = β = γ = 900
18. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN KIEÅU MAÏNG GRAPHIT
19. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN KIEÅU MAÏNG GRAPHIT : 3 LIEÂN KEÁT ÑOÀNG HOAÙ TRÒ VAØ 1 LIEÂN KEÁT VANDERWAALS a = 0,24nm ; c = 0,68nm DEÃ TAÙCH THAØNH LÔÙP MOÛNG KIEÅU MAÏNG SÔÏI CARBON : LIEÂN KEÁT ÑOÀNG HOAÙ TRÒ MAÏNH CUOÁN QUANH TRUÏC SÔÏI CHO LIEÂN KEÁT BEÀN HÔN THEÙP 3 LAÀN NHÖNG NHEÏ HÔN THEÙP GAÀN 4 LAÀN KIEÅU MAÏNG FULLEREN : LAØ PHAÂN TÖÛ CARBON C60 GOÀM 60 NGUYEÂN TÖÛ CARBON SAÉP XEÁP TREÂN 1 MAËT CAÀU THEO ÑÆNH CUÛA 12 NGUÕ GIAÙC ÑEÀU VAØ 20 LUÏC GIAÙC ÑEÀU
20. HEÄ VAØ KIEÅU MAÏNG CÔ BAÛN KIEÅU MAÏNG KIM LOAÏI: A1 lptm a(nm) A2 lptk a(nm) A3 spxc a(nm) c(nm) γ-Fe 0,3656 Mo 0,3147 α-Ti 0,2951 0,4679 Ni 0,3524 Cr 0,2884 Mg 0,3209 0,5210 Cu 0,3615 α-Fe 0,3165 Zn 0,2664 0,4945 β-Ti Al 0,4049 0,3306 α-Fe lptk t0 880C) γ-Fe lptm t0 = (911 ÷1392)0C Ag 0,4082 W 0,2866 δ-Fe lptk t0 > 13920C
21. MAÄT ÑOÄ XEÁP CHAËT l s v TRONG OÂ CÔ SÔÛ MAÄT ÑOÄ XEÙP M L = ;M S = ;MV = CHAËT THEO PHÖÔNG LÔÙN L S V NHAÁT COÙ GIAÙ TRÒ LAØ 1, NOÙ CHO TA BIEÁT QUAN HEÄ GIÖÕA l;s;v : PHAÀN CHIEÀU DAØI, DIEÄN TÍCH, THEÅ TÍCH NGUYEÂN TÖÛ CHIEÁM CHOÃ TRONG OÂ CÔ SÔÛ BAÙN KÍNH NGUYEÂN TÖÛ VAØ HAÈNG SOÁ MAÏNG CUÛA OÂ L,S,V: PHAÀN CHIEÀU DAØI, DIEÄN TÍCH, THEÅ TÍCH ÑANG XEM XEÙT TRONG OÂ CÔ SÔÛ a LAÄP PHÖÔNG ÑÔN GIAÛN: r = 2 a 2 LAÄP PHÖÔNG TAÂM MAËT: r = 4 a 3 LAÄP PHÖÔNG TAÂM KHOÁI: r = 4 OÂ CÔ SÔÛ LPÑG OÂ CÔ SÔÛ LPTM
22. MAÄT ÑOÄ NGUYEÂN TÖÛ MAÄT ÑOÄNGUYEÂN TÖÛBAÈNG SOÁNGUYEÂN TÖÛ TRONG 1 OÂ CÔ SÔÛ NHAÂN VÔÙI SOÁ OÂ COÙ TRONG 1 ÑÔN VÒ THEÅ TÍCH: 1 LPÑG: 1 OÂ 1 NGUYEÂN TÖÛ LPTK: 1 OÂ 2 NGUYEÂN TÖÛ LPTM: 1 OÂ 4 NN =× Songuyentu/1 o a3 NGUYEÂN TÖÛ MAÄT ÑOÄ e- BAÈNG SOÁ e- TRONG 1 NGUYEÂN TÖÛ NHAÂN VÔÙI SOÁ NGUYEÂN TÖÛ COÙ TRONG 1 ÑÔN VÒ THEÅ TÍCH: N=× N Soe− / nguyentu Cu, Ag, Au : 1 e-/ NGUYEÂN TÖÛ eN - Al : 3 e / NGUYEÂN TÖÛ
23. Baûng phaân loaïi tuaàn hoaøn
24. VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN FeE F = e.E ; Fama=⇒==. mm Trong ñoù e = -1,6.10 -19 (C) ; m = 9,1.10-31 (kg) Ve eE Vatte ==. eE m Vtbate ()== . τ m V (t) VT e Ve(tb) t A Ve B τ t eE τ ⎛⎞− mV. mdV. dV 1.e E τ Fe=+ee =−.E⇒++=e V 0 ⇒=Vte ()⎜⎟ 1 − e ττd dττe m m ⎝⎠
25. VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN I = Ne.e.A.Ve ; J = Ne.e.Ve Trong ñoù e : maät ñoäN e- töï do eE V(). tb= a = t τ J = σE e m VL λ (A0) λ 1 2 3 τ = m V. F = kTσ = Nee e μ VF 2 2 2 N. 2 eτ Ne. 2λ Ne λ σ = e σ = e σ = e mV. m F 3.mkT . .
26. VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN GL. M = Fb. M = Khoaûng caùch L K C 8 GL γ L2 ⇒=b = Ñoä Voõng b 8.F 8.σ K P = const⇒= R const 2 F=σK.s ρ1 sddd11⎛⎞ dd ⇒= =⎜⎟ G =γ.s.L ρ22sdd⎝⎠d dd 2 b γ .σ 112= K b221γ .σ K
27. CAÙC LOAÏI VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN VLDÑ KIM LOAÏI HÔÏP KIM VAÄT DAÃN KHOÂNG KIM LOAÏI VLDÑ KIM VLDÑ VAÄT THAN VAÄT DAÃN BOÄT COÙ LOAÏI COÙ LIEÄU KYÕ DAÏNG CHÒU TÍNH VAØ HÔÏP ÑIEÄN SIEÂU THUAÄT OXID NHIEÄT DAÃN KIM COÙ TRÔÛ DAÂN ÑIEÄN ÑIEÄN TAÙC CAO CAO DUÏNG KHAÙC
28. NGAÃU NHIEÄT ÑIEÄN θ1 θ2 −7 N A E0 = 2,87.10θ .ln NB −7 N A UEAB== AB 2,87.10 .ln ()θ12−θ NB
29. NGAÃU NHIEÄT ÑIEÄN phaân giaûi phaân giaûi Loaïi phạm vi ° C Thermocouple 0,1 ° C 0,025 ° C B 20-1820 150-1820 600-1820 E -270 Đến 910 -270 Đến 910 -260 Đến 910 J -210 Đến 1200 -210 Đến 1200 -210 Đến 1200 K -270 Đến 1370 -270 Đến 1370 -250 Đến 1370 N -270 Đến 1300 -260 Đến 1300 -230 Đến 1300 R -50 Đến 1760 -50 Đến 1760 20-1760 S -50 Đến 1760 -50 Đến 1760 20-1760 T -270 Đến 400 -270 Đến 400 -250 Đến 400
30. ÖÙNG DUÏNG NGAÃU NHIEÄT ÑIEÄN CAÙC LOAÏI CAÛM BIEÁN NHIEÄT ÑIEÄN:
31. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN ⎡ 2 ⎤ ⎛ T ⎞ = ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ H0 (T ) H0 (0) 1 ⎜ ⎟ ⎢ T ⎥ ⎣ ⎝ C ⎠ ⎦
32. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN NAÊMTuy nhiên,1911 LA phÀÀNả iÑ mãiAÀÀU TIEÂNđến n ăNHAm 1986,ØØ KHOA v ậHOt liÏCÏ ệ uHA siêuØØ LAN dẫ n mHEIKEới kh KAMERLINGẳng định đư ONNESợc vị tr PHAí củÙÙTa HIEnó ÄNÄtrong RAÈNGÈ công 1 SO nghiÁÁ KIMệ p LOAkhi ÏÏIhai KHI nh NHIEà khoaÄÄT Ñ hOọÄÄ HAc ngÏÏ THAườiÁÁP ĐÑứEcÁMÁ làMÖÙJ.G.C NHA BednorzÁÁT ÑÒNH v à THK.A.Í CA MuellerÙÙC ÑIEÄNÄ tTìmÖÛ raTRONG sự tồ DAÂYn tạ i DAÃNcủa cCOácÙÙ THEchấÅtÅ CHUYE"siêu dÅNÅ ẫ n ÑnóOng"ÄÄNG MAở nhiØØ KHOÂNGệt độ trênGAËËP 30BA ÁÁTđ ộC ÖÙKL. ÖÏSCau CA đÛÛNó, NAcácØO.Ø nh OÂNGà nghiên GOÏIÏ KHAcứu ÛÛđNAÊNGã lần lNAượØØYt tìCUm ÛÛAra VA cáÄÄTc LIEloạÄiUÄ siêuLAØØ SIEÂUdẫn kh DAÃN.ác nh CHAư hÁÁTợ p SIEÂU DAÃN ÑAÀÀU TIEÂN MAØØ KAMERLING ONNES TÌM THAÁÁY kim của ôxit đồng và barium (77 độ K), hợp kim của LAôxitØØ THUY nhômÛÛ NGAÂN (125 đSIEÂUộ K) DAÃN C áÔcÛÛ lo4,15ại0 Kv ậ(t- 269,15liệu nà yđ ộđềC).u c ó ôxit nhôm (125 độ K) C ác loại vật liệ u này đều có KAMERLINGthể được sả nONNES xuất dLAễ dØØ NGUÔàng trongØIØ ÑA ÀÀUmôi TIEÂN trư TÌMờng RAnit ơSIEÂU lỏng DAÃNvà áp suất cao.
33. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN
34. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN Ñeán nhieät ñoä Tc = 4,150K, ñieän trôû suaát cuûa thuûy ngaân ñoät ngoät giaûm ñeán 0. Vôùi daây daãn baèng chì tieát dieän 1mm2 ôû nhieät ñoä Tc = 7,260K, doøng ñieän ñaït ñöôïc I=1250A, J=109A/m2 lôùn hôn maät ñoä doøng ñieän cöïc ñaïi ñaït ñöôïc trong kyõ thuaät haøng traêm laàn maø vaät daãn khoâng bò noùng Traïng thaùi sieâu daãn bò phaù huûy khi doøng ñieän I lôùn hôn giaù trò I = 2 r H (T) vôùi r laø baùn kính daây daãn. 0 0 Traïng thaùi sieâu daãn coøn bò phaù huûy khi ôû trong töø tröôøng maïnh. Giaù trò cöôøng ñoä töø tröôøng luùc naøy (kyù hieäu H ) 0 phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä
35. PHAÂN LOAÏI VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN
36. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN LOAÏI 1 VLSD1 Tc (0K) Bc(T) Al 1,14 ÷ 1,18 0,0105 Pb 7,19 ÷ 7,26 0,0803 Hg 4,15 ÷ 4,22 0,0411 Sn 3,69 ÷ 3,72 0,0305 Ti 0,4 ÷ 0,53 0,0056 W 0,02 0,0001 Nb 9,22 ÷ 9,26
37. CAÙC NGUYEÂN TOÁ SIEÂU DAÃN
38. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN LOAÏI 2 VLSD2 Tc (0K) Bc(T) Nb-Ti 10,2 12 Nb-Zn 10,8 11 Nb3-Sn 18,3 22 Nb3-Al 18,9 32 Nb3-Ge 23 30 V3Ga 16,5 22 Pb6Mo6S 8 14 45
39. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN 0 1973, Phaùt hieän ra Nb3Ge coù Tc = 23,3 K duøng hydro loûng reû hôn 1974,Vật liệu gốm sieâu dẫn được phaùt hiện với hợp chất BaPb1-xBixO3 (x=0,5). Coù Tc cực đại cỡ 130K. 1986, Nhoùm TOKYO ñaõ xaùc định được (La0,85Ba0,15)2CuO4-8 coù cấu truùc 0 perouskite loại K2NiF4 vaø Tc cỡ 30 K. 0 1988, Phaùt hieän ra VLSD döïa treân Thali Tl2Ca2Ba2Cu3010 vôùi Tc=127 K. Sau ñoù khoâng laâu tìm thaáy moät oâxit hoãn hôïp cuûa ñoàng, bari, canxi vaø thuûy ngaân coù tính sieâu daãn vôùi Tc =1500K. 1991, M ột số nhaø khoa học ñaõtìm ra sieâu dẫn coøn coù trong hợp chất hữu cơ KxC60 Đến năm 2007, ñaõ coù hợp chất sieâu dẫn treân neàn saét Fe được phaùt hiện.
40. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN
41. VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN
42. Ngyeân lyù SIEÂU DAÃN
43. ÖÙNG DUÏNG VAÄT LIEÄU SIEÂU DAÃN Chuyển tải điện năng Đoàn tầu chạy trên đệm từ Tạo ra Máy gia tốc mạnh Máy đo điện trường chính xác Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc Máy quét MRI dùng trong y học Khả năng giữ được trạng thái thứ tư cuûa vật MAÙY GIA TOÁC HAÏTli ệu-trạng thái plasma VOØNG XUYEÁN Thiết bị SQUID 1 thiết bị nhận biết nhạy cảm nhất được biết đến hiện nay trong khoa học được sử dụng để đo từ trường.
44. KEÁ HOAÏCH PHAÙT TRIEÅN ÖÙNG DUÏNG VLSD