Bài giảng cơ sở vật lý chất rắn tài liệu, ebook, giáo trình

Vật lý chất rắn là một khoa học rộng lớn gồm nhiều bộ môn như: vật lý bán dẫn điện, vật lý kim loại và hợp kim, vật lý và các chất điện mới, vật lý và các chất sắt điện và sắt từ…Với những cấu trúc, những tính chất chung nhất của vật lý chất rắn được nghiên cứu từ học phần vật lý chất rắn trong chương trình đào tạo cao học như cấu trúc tinh thể của vật rắn, dao động của mạng tinh thể, tính chất nhiệt, tính chất điện, tính chất từ và tính chất siêu dẫn…..một phần nào đó đã thể hiện được vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay.Mỗi tính chất của chất rắn đều có mức độ nghiên cứu riêng cũng như những ứng dụng đặc trưng nhưng tính chất về dao động của mạng tinh thể hết sức hấp dẫn và có sức cuốn hút kỳ lạ.

Trang 1

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http:/wwww.simpopdf.com

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRUGNG DAI HOC KHOA HOC T

Trang 2

điêu 6ết trong tink thé chat rdu

dae déug cha maug tinh thé

hi electron te do treug him loae

udug lusug cha electron trong tinh thé chat rau

cae chat Cau dau dtu

tinh chat ti eda chat rau

séa dau

Trang 3

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http:/Avww.simpopdf.com

k—ro—»

Trang 4

sm2e.KMẤI,pháIlừ;.tính,chất,đã,biết của các nguyên tử riêng lẻ

và xét xem các tính chất đó thay đổi như thế nào khi đưa các

nguyên tử lại gần nhau để tạo thành chất rắn

Trang 5

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http:/www.simpopdf.com

1 Christman J R., Fundamentals of Solid State Physics, John Wiley & Son , 1988

2 Kittel Charles , Introduction to Solid State Physics, Seventh Edition, John Wiley & Son Inc., 1996

Trang 7

2) GCéu tric tinh thé cia mét 86 tinh thé don

3) Dhéu tich céiu tric tinh thé bang plucong

Trang 8

Simpo pom Meee er forbade ran:

Vật liệu kết tỉnh: các nguyên tử sắp xếp tuân

«* Đơn tỉnh thể: các nguyên tử sắp xếp tuần

hoàn trong toàn không gian của vật liệu

** Da tinh thể: gồm nhiều tinh thể nhỏ hoặc hạt

=Vật liệu vô định hình: các nguyên tử sắp xếp

không tuân hoàn trong không gian ; `

Trang 9

Simpo PDF wy “Ca Ebreaisterod Version - http:/www.simpopdf Comm,

Ge trac tinh the

Tinh thể là sự sắp xếp tuần hoàn trong không gian của các nguyên tử hoặc phân tử

Trang 10

Simpo PDF me and Split Unregistered Version - hitpd/wyyesimpopat.com

[Mang tinh the =

Trang 11

Simpo PDF Merge and Split year Wet "Tế

các vectơ ÿ ; bi ; b 3 -_vectơ tịnh tiến nguyên tố

s* Chỉ một trong các số n, , n, và n; không phải số nguyên :

CƠ SỞ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Trang 12

Simpo PDF Merge and Split Unregistereg-V đt Thp:fv Sim df.c=

Trang 13

¬

Simpo PDF Merge and §pli ered WErsion - Pea e com rc ?

Yếu tố đối xứng : phép biến đổi không gian làm cho mạng tỉnh thể trùng lại với chính nó

Trang 15

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com

Vì sao không có trục 5 và trục 7 trong tinh thể chất rắn ?

Trang 16

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - "He tilt | =z

Sáu phương C, hodc (C, +1) Lập phương 4 trục C,

Trang 17

¬Ÿ “ức hehe ti Versio rl qe tớ b G n.- Kí Ag na fe rava is

Cách chọn các vectơ đ Đấu của Bravais :

1 Ô có tính đối xứng cao nhất của hệ mà tỉnh thể được xếp vào

2 Ô có số góc vuông lớn nhất hoặc số cạnh

bằng nhau và số góc bằng nhau nhiều nhất

3 Ô có thể tích nhỏ nhất ( ô nguyên tố )

Nếu không thể ye pe “pene thời 3 tính chất đó thì

chọn các vectơ ;, 2, theo thứ tự ưu tiên 1, 2, 3

Chỉ có 7 dạng ô đơn vị có thể dùng để lấp đầy không gian

của mạng tỉnh thể.

Trang 19

sm„Pinh.thểbq.chiêu - http://www.simp 14 6 Bravais

Trang 21

SO nat trong 6 don wi

Trang 22

Trang 23

Lập phương tâm mặt trong không gian thuận

Gocgitta a,, a, a,: 60°

a=4oR+9); ay=a(ÿ+2); ay =‡a(2 +4),

ai = lu + ÿ =2) ; aạ = #a(—Ê + ÿ + 2) ;

tạ = Ìd(§ — ÿ +2)

Trang 24

Simpo PDF Merge and Split U! istered Version - hftp:/ V.gifiDopel Er.—

Trang 25

Simpo "8? @yf Large RAM ta JtP/awsmpopdrcom

Vị trí của 1 nút nào đó của mạng, đối với gốc toạ độ đã chọn,

được xác định bởi 3 toạ độ x, y, z của nó Các toạ độ đó được

viết bằng

x= hai, y=ka; và z = la;

trong đó a;, a;, a; là các thông số của mạng và h, k vài là các

Trang 26

or

Chiều của một đường trong mạng có thể

xác định bằng cách vẽ đường song song

với đường đó qua gốc

Chỉ số Miller của đường là tọa độ của

điểm đầu tiên mà đường đi qua

Nếu tọa độ của điểm đó là u, v, w thì

chiều của đường sẽ là [uvw]

Theo quy ước, người ta dùng ứập các số nguyên nhỏ nhất

[1⁄2 2 1], [1 1 2] và [2 2 4] chỉ các chiều tương đương, nhưng người ta

dùng [1 1 2]

Các chỉ số âm được viết với dấu ngang ở trên đầu

Trang 27

Vị trí của một mặt được xác định bởi 3 điểm mà mặt đó cắt

Cách xác định chỉ số Miller cho mặt :

- biểu thị độ dài từ gốc tọa độ đến các

giao điểm đó theo đơn vị của thông số

là các chỉ số Miller của mặt và được ky

Trang 28

Một họ mặt song song và cách đều nhau được

biểu thị bằng các chỉ số Miller như nhau

CƠ SỞ VẬT LÝ CHẤT RẮ

Trang 29

Simpo PDF Merge and Split Unrggistered Version - http://wyay-simpopgf.com ° - -

Khoang cach giữa các mặt ( hEÏ )

Trang 30

Một vài tính chất đáng nhớ :

* (hkl) biểu thị cho một họ mặt song song với nhau

* Mat (hkl) gan gốc tọa độ nhất cắt các trục tọa độ ở

ay 42 33

h k 1

Với hệ lập phương :

+ [hkl ] vuông góc với (hkl)

Trang 31

sinfop or feđ #ft $©trfresÉÊrEeefil nổ »®(0sfptô t số tỉnh thể đơn giản

Trang 32

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Vergion - http:/www.simpopdf.com

M6 ta cau truc Kim cuong

Mang Bravais : lap phudng tam mat F

Cơ sở : gồm 2 nguyên tử ở (0,0,0) và (1/4,1/4,1/4 )

Ô đơn vị chứa 8 nguyên tử

Hệ số lấp đây : 0, 34 : mạng kim cương không thuộc loại mạng xếp chặt

Số phối trí k = 4

Kết tinh theo mang kim cương có C, S¡ , Ge ,thiếc xám .

Trang 33

Simpo PDF Merge and Split me CEE CFEC RE p c h G Ệ

cầu xung quanh

Trang 34

Sỉ impo PDF M lerge and Split Unregistere: Cea tran "Xếp id Split U istered, ofl - http:Awww.si df 7 chat L ò8

Trang 35

Simpo PDF “Cada trae Kep cheer” ABABAB

Trang 36

Simpo PDF Merge and Split Unregisi Paar eres epee he FCC

EFCC: Thứ tự sắp xếp ABCABCABC

Mặt thứ ba được đặt trên các chỗ lõm của mặt thứ nhất

mà mặt thứ hai không chiếm

Trang 37

Simpo PDF Merge and Split [nSgspsefaetr erties sim \df.com ss =

Dirac zp Chat: FCC N

Trang 38

Simpo PDF Merge and Split oreo eee “G a cae xep chat : FCC http#/www.simpepdf.com F

Trang 39

Simpo PDF Merge and &iđineBÉigaifEeon [#be-a@@-grế D E h 6 c _ C Eˆ

HCP: Thứ tự sắp xếp ABABAB

Mặt phẳng thứ ba được đặt thẳng trên mặt đầu tiên

của các nguyên tử

Trang 40

Simpo 155M ta qc Ca fexSion - trac La “ac ms -“ ~

giác xếp chat

Mạng Bravais : lục giác P

Cơ sở : gồm 2 nguyên tử như nhau ở (0,0,0 ) và ( 2/3,1/3,1/2 )

Hệ số lấp đây ( bởi các quả cầu ) : 0,74

Tỷ số aJa,= (c/a) = 1,633

Số phối trí : k = 12

a

Trang 41

Simpo PDF Merge and Đplitnregistered,Versiorr- http:/www gi ` an —r

CEE TASTE GIGE 5 Sod Kep chet : HCP

=)

Trang 42

Simpo PDF Merge CGE true I Te atae we D chẽ É +CP

5 bé [? "

Trang 43

Năng lượng photon X, keV

Năng lượng nơtron, 0,01 eV

Năng lượng electron ,100 eV

Không thể phân biệt được

các chỉ tiết bé hơn bước

Trang 44

Nang lugng photon X , keV

Năng lượng nơtron, 0,01 eV

Năng lượng electron ,100 eV

Trang 45

3» M Nếu 3ÿ từ mat NG Mar cua mang tink the

Trang 46

Nam 1915 hai cha con nha ho

Bragg được giải thưởng Nobel về

những đóng góp trong lĩnh vực

phân tích cấu trúc tinh thể bằng

phương pháp nhiễu xạ tia X

Năm đó W.L Bragg mới 25 tuổi,

là người trẻ nhất được giải thưởng

sinh viên truéng Cambridge

Trang 47

" Chiếu tinh thể với tia X đơn sắc thường không cho các tia

nhiễu xạ vì để thỏa mãn công thức Bragg cần chiếu tia X

theo một chiều nhất định với bước sóng xác định mới có

> Giữ nguyên bước sóng, thay đổi góc tới :

Phương pháp tinh thể quay Phuong phap Debye — Schrerrer ( phương pháp bột )*

Trang 48

Trang 49

Phuong phap Laue

Trang 50

3) Phương phái? tỉnh thể quay

Trang 51

Buéng Debye-Scherrer Giá lắp mẫu

Cần khóa an toàn

Phương phép bột

Trang 52

Simpo PDF WAY PT Pie 17 d alec Zp DB Bp pimpopat.com

Trang 53

Phuong phap bot

Trang 54

Bai 2

Trang 55

†:Bún chết-cưở-các †ưc "tương túc trong tỉnh thể

" Khi đưa hai nguyên tử A và B lại gần nhau chúng bắt đầu tương tác với nhau

>> nếu năng lượng của hệ giảm, lực hút giữa các nguyên

tử thắng > chúng có thể tạo nên phân tử AB ổn định

>> nếu năng lượng củahệ tăng, chúng đẩy nhau > ching

không thể tạo thành phân tử

" Giữa các nguyên tử có thể có lực hấp dẫn, lực từ và điện

tác dụng

" Đánh giá năng lượng hút giữa hai nguyên tử ở cách nhau

khoảng a do các loại lực nói trên đi đến kết luận :

Bản chất của các lưc hút trong tỉnh thể là lực điện

Năng lượng hút có dạng U;„¡= A/r với A là một hằng số

Trang 56

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - htp:/www.simpopdf.com > 2

" Muốn tạo các hệ ổn định từ các nguyên tử hoặc phân tử, giữa chúng không những cần có lực hút mà còn cần có lực đẩy Tuy

có thể có nguồn gốc khác nhau, các lực đẩy có một đặc điểm

chung là giảm nhanh theo khoảng cách r giữa các nguyên tử :

năng lượng đẩy có dạng Dặ¿y = Bí" với B là một hằng số và n>>1

Nói chung, năng lượng tương ru

thuộc của U vào r có dạng Z

điển hình như ở hình bên

Trang 57

“=If"€ứC-log†1iên kết trơng chết rắn

$ Sự khác nhau giữa các loại liên kết trong tinh thể không

phải do bản chất của tương tác mà ở sự khác nhau trong sự phân bố của electron trong các nguyên tử Khi đưa các

nguyên tử lại gần nhau để tạo nên tinh thể chất rắn, do tương tác giữa chúng có sự phân bố lại của các electron trong các

nguyên tử

bảo toàn điện tích trong toàn hệ và có xu hướng sao cho các

nguyên tử có lớp vỏ ngoài cùng đầy electron

cách nhường hoặc thu electron, tập thể hoá các electron ( một phần, toàn bộ ) hay chỉ do sự biến dạng các lớp vỏ electron

Trang 58

Simpo PDF "tả and ci Unregistered Version - http://www et: lie “gom

ac loai | lien k lên kết sơ cấp

«_ Liên kết sơ cấp : electron hoán đổi hoặc góp chung

electron Liên kết mạnh (100 -1000 KJ/mol hoặc 1 -10

eV/nguyên tử )

„ _ Liên kết lon: tương tác Coulomb mạnh giữa các ion âm ( nguyên tử nhận thêm electron ) và các ion dương ( các nguyên tử mất electron ) Ví dụ - Nat Cl

» - Liên kết đông hóa trị: các phân tử góp chung electron để bão hòa hóa trị Ví dụ H;

« - Liên kết kim loại : các nguyên tử bị ion hóa, mất một vài electron từ vùng hóa trị Các electron tạo thành một biển

electron , giữ cho các gốc nguyên tử ở đúng vị trí

Trang 59

Simpo PDF Merge and Split n tết Version - http:/www.simpopdf.com

L) Lien ket fon

‹ Sự tạo thành liên kết ion : (Xe)

nguyên tử khác

Anion = nguyén tử tích điện âm

Cation = nguyên tử tích điện dương

2 Các ion trái dấu hút nhau bởi lực tương tác

Coulomb manh :

3 Liên kết ion không có hướng : các nguyên tử có thể

bị hút vào nhau từ bất kỳ hướng nào.

Trang 60

Liên két ion

Liên kết ion là sự liên kết giữa các ion trái dấu Sự xuất hiện

của các ion do các nguyên tử khác loại nhường và thu điện tử

khi được lại gần nhau

Ví dụ : nguyên tử Na nhường một electron cho nguyên tử CI và trở thành ion dương với lớp vỏ ngoài 8 electron :

trong khi d6 nguyén tt Cl khi nhận thêm m6t electron trở thành ion âm với lớp vỏ ngoài cùng cé 8 electron :

Trang 61

Simpo ” and Split Unr6gistered Version - http:/www.simpopdf.com

(2m ket [on

nui @- Cc) => “@(<)

¢ Su chuyén electron lam giảm năng lượng của hệ nguyên tử ,

nghĩa là sự chuyển electron là có lợi về mặt năng lượng

«Chú ý kích thước tương đối của các ion : Na co lai va Cl nd

Ta

cr

Liên kết ion : rất mạnh, không định hướng

Trang 62

Simpo ” êm Ss £ ro ` - http:/www.simpopdf.com

Mỗi ion với lớp vỏ ngoài đầy electron được xem như một quả

cầu rắn với bán kính ion xác định Chúng có xu hướng kéo đến

mình tối đa các ion ngược dấu

Số ion tối đa đó được quy định bởi tỷ số r, /r

Trang 63

Simpo PDF BY wv RW tsi ‘ee nymwasmppdeem

Lit : 0,68 Nat: 0,95 Kt: 1,33 Rb' : 1,48

Cs* : 1,67

F’ : 1,36 Cl : 1,81 Br: 1,95 I : 2,16

Khi tạo thành tinh thé , mỗi ion có xu hướng kéo đến mình tối

đa các ion ngược dấu

Số ion tối đa đó được quy định bởi tỷ số của các bán kính ion Các cấu hình sẽ mất tính ổn định nếu các ion dương quá nhỏ (các ion + có thể dịch chuyển dễ dàng theo các chỗ hổng ) Ngược lại, nếu tỷ số r, /r tăng đến một mức nào đó sẽ làm thay đổi cấu hình theo chiểu tăng của số phối trí k.

Trang 64

Ví dụ : Với NaCl, ty s6 ry,/tq = 0,54:

quanh Na! có 6 ion CI- (k = 6) dẫn

đến cấu trúc tinh thể như hình bên

( Quanh một 1on CT có 12 1on CT- )

quanh 1on dương Cs† có 8 lon CTF

Trang 65

Simpo ray Ath Tee eM http://www.simpopdf.com

Các tinh thể ion không dẫn điện

Lực tĩnh điện giữa các ion tương đối mạnh

Chất rắn ion cứng , có điểm nóng chảy cao

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	27,83 MB