Bài giảng Vật liệu điện - Chương I: Cấu tạo vật chất - Nguyễn Văn Dũng

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Chương I: Cấu tạo vật chất

 Cấu tạo nguyờn tử

 Cấu tạo phõn tử

 Lý thuyết phõn vựng năng lượng trong vật rắn
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
I. Cấu tạo nguyờn tử

 Vật chất được cấu tạo từ nguyờn tử và phõn tử
 Nguyờn tử là phần cơ bản nhất của vật chất

Mụ hỡnh nguyờn tử Bohr (giải Nobel vật lý 1922 về lý thuyết 
cấu trỳc nguyờn tử và cơ học lượng tử) được chấp nhận rộng 
rói: 
o Hạt nhõn: chứa proton mang điện dương và neutron
khụng mang điện (ngoài ra cũn cú một số hạt khỏc) 
- Tồn tại lực đẩy tĩnh điện giữa cỏc protons nhưng 
protons và neutrons được liờn kết chặt với nhau nhờ “lực 
mạnh” (strong force)
 Lực mạnh chỉ cú tỏc dụng trong khoảng 
cỏch rất nhỏ (≤ 10-15m)
 Khi protons và neutrons được đặt rất gần 
nhau, lực mạnh lớn hơn lực đẩy tĩnh điện giữa 
cỏc protons ⇒ liờn kết giữa protons và neutrons 
tạo thành hạt nhõn
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Structure of an atom
 Cú kớch thước và khối lượng rất nhỏ so với hạt nhõn
Mang điện tớch õm chuyển động xung quanh hạt nhõn theo cỏc quỹ đạo 
hỡnh cầu (vỏ điện tử) cú bỏn kớnh xỏc định
Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng của điện tử
 Quỹ đạo gần hạt nhõn nhất cú mức năng lượng thấp nhất và ngược lại
o Điện tử:
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Số lượng điện tử phõn bố trờn cỏc lớp vỏ điện tử (bao gồm một số phõn lớp)
theo qui luật:
- số điện tử điền đầy phõn lớp: 2(2l+1)
- số điện tử điền đầy lớp: 2n2
Với: n: số lượng tử chớnh (n = 1, 2, 3,  n)
l: số lượng tử quĩ đạo ( l = 0, 1, 2, 3, n-1)
Arrangement of 
electrons in an atom
Lớp
Phõn 
lớp
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Cỏc điện tử ở lớp vỏ ngoài cựng (xa hạt nhõn nhất) cú mức năng lượng 
lớn nhất
⇒ đúng vai trũ quan trọng nhất trong tương tỏc nguyờn tử cũng như phản 
ứng húa học bởi vỡ cỏc điện tử này cú thể tương tỏc với cỏc điện tử lớp ngoài 
cựng của cỏc nguyờn tử lõn cận.

 Cỏc điện tử lớp ngoài cựng gọi là điện tử húa trị ⇒ xỏc định húa trị của 
nguyờn tử

 Khi lớp vỏ ngoài cựng chứa đầy điện tử⇒ nguyờn tử khụng nhận thờm 
điện tử ⇒ nguyờn tố trơ (Ar, Ne, Kr)

 Bởi một nguyờn nhõn nào đú nguyờn tử mất đi một hay nhiều điện tử ⇒
ion dương

 Nguyờn tử nhận điện tử ⇒ ion õm
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
F1
F1
F2
v
r

 Lực hỳt tĩnh điện giữa hạt nhõn và điện tử 
Năng lượng điện tử (xột nguyờn tử hydro)

 Lực ly tõm khi điện tử chuyển động xung quanh điện tử

 Điều kiện cõn bằng lực (giữ điện tử chuyển động trờn quỹ đạo nhất định)
229
2
2
21
/109
4
1 CNmk
r
kq
r
qkq
F
ro
pe
ì==
==
εpiε
r
vmF e
2
2 =
rm
kqv
r
vm
r
kqFF
e
e
=⇒
=⇔=
2
2
2
21
me: khối lượng điện tử = 9,1x10-31 kg
qe: điện tớch của điện tử = 1,6x10-19 C
Vận tốc chuyển động của điện tử càng lớn
khi bỏn kớnh của quĩ đạo c/đ càng nhỏ
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Động năng của điện tử (KE- kinetic energy) 
2
2
1
vmKE e=

 Thế năng của điện tử (PE - potential energy) 
r
kqPE e
2
−=

 Tổng năng lượng của điện tử (E)-Định lý Varian 
)(
22
1 222 J
r
qk
r
kq
vmPEKEE eee −=−=+=
VD: Năng lượng ion húa của nguyờn tử hydro là 13,6 eV, xỏc định bỏn kớnh của quĩ đạo
chuyển động của điện tử? 
* 1eV= 1.6x10-19 J
( )( )
( ) mJ
CCmN
E
kq
r e
10
18
2192292
10.53,0
10.18,22
10.6,1/.10.9
2
−
−
−
===
PEKE
2
1
−=
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
E1=hf1
E2=hf2

 Năng lượng cần thiết để tỏch rời điện 
tử khỏi nguyờn tử 

 Năng lượng ion húa của cỏc lớp điện tử 
khỏc nhau cũng khỏc nhau

 Cỏc điện tử húa trị cú mức năng lượng 
ion húa thấp nhất

 Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ 
hơn năng lượng ion húa ⇒ điện tử bị 
kớch thớch ⇒ chuyển sang mức năng 
lượng cao hơn

 Điện tử ở trạng thỏi kớch thớch cú xu 
thế chuyển về mức năng lượng thấp hơn 
và giải phúng năng lượng dưới dạng bức 
xạ 
Năng lượng ion húa
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Cỏc thuật ngữ thụng dụng

 Điện tử húa trị: cỏc điện tử ở lớp ngoài cựng→ xỏc định húa trị của nguyờn tử

 Năng lượng ion húa: năng lượng cần cung cấp nhỏ nhất để tỏch được 1 điện tử khỏi
nguyờn tử để tạo thành ion dương

 Ái lực điện tử: năng lượng phúng thớch khi điện tử kết hợp với nguyờn tử trung tớnh
để tạo thành ion õm
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
II. Cấu tạo phõn tử

 Phõn tử được tạo nờn từ những nguyờn tử thụng 
qua liờn kết giữa cỏc nguyờn tử 

 Khi hai nguyờn tử được đặt gần nhau ⇒ cỏc 
điện tử húa trị tương tỏc với nhau và với cỏc hạt 
nhõn lõn cận ⇒ tạo ra liờn kết giữa hai nguyờn tử 
⇒ hỡnh thành phõn tử

 Năng lượng của hệ thống hai nguyờn tử liờn kết 
 < tổng năng lượng của hai nguyờn tử riờng rẽ⇒
tạo nờn phõn tử bền vững
⇒ Nguyờn lý cơ bản của sự tạo thành phõn tử là 
sự cõn bằng giữa lực hỳt (FA) và lực đẩy (FR) 
giữa cỏc nguyờn tử xỏc lập tại khoảng cỏch cõn 
bằng ro giữa cỏc nguyờn tử
0=+= RAN FFF
1. PHÂN TỬ VÀ NGUYấN Lí LIấN KẾT TỔNG QUÁT
*Lực hỳt (FA) và lực đẩy (FR) là kết 
quả của tương tỏc tĩnh điện tương 
hỗ giữa cỏc nguyờn tử
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
2. CÁC LOẠI LIấN KẾT GIỮA CÁC NGUYấN TỬ

 Liờn kết đồng húa trị (cộng húa trị) 

 Liờn kết Ion

 Liờn kết kim loại

 Liờn kết Van der Waal
Liờn kết chủ yếu
Liờn kết thứ cấp
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
a. Liờn kết đồng húa trị (cộng húa trị)

 Đặc trưng: gúp chung điện tử của nguyờn tử trong phõn tử 

 Xảy ra giữa cỏc nguyờn tử cú độ õm điện gần bằng nhau 
VD: CH4 (Methane)
4 điện tử húa trị
⇒ cần thờm 4 điện tử
1 điện tử húa trị
⇒ cần thờm 1 điện tử
* Độ õm điện (min: 0,7; max: 4,0) 
C (2,5)
H (2,1)
Covalent bond
Một nguyờn tử C liờn kết 
với 4 nguyờn tử H
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
- Một số phõn tử khỏc được tạo nờn từ liờn kết đồng húa trị
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
- Đặc tớnh của liờn kết đồng húa trị:
+) do lực hỳt tĩnh điện mạnh giữa cỏc điện tử gúp chung và hạt nhõn, liờn 
kết đồng húa trị bền vững nhất trong cỏc loại liờn kết → cú nhiệt độ núng 
chảy và độ cứng rất cao (vớ dụ: kim cương)
+) khụng bị hũa tan trong cỏc dung mụi
+) liờn kết cú cấu trỳc dị hướng và bền vững→ khụng cú tớnh dẻo
+) khụng dẫn điện do khụng cú điện tử tự do
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
b. Liờn kết ion

 Xảy ra giữa ion dương và ion õm

 Đặc trưng: cú sự cho và nhận điện tử 

 Giữa cỏc nguyờn tử cú độ õm điện khỏc biệt lớn

 VD: NaCl 
0,9 3,0
Ionic bond
+
-
2
21
4 r
qqF
opiε
=
Lực coulomb
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Một số phõn tử khỏc được tạo nờn từ liờn kết ion
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
- Đặc tớnh của liờn kết ion:
+) cứng, giũn và cú nhiệt độ núng chảy cao khi so với kim loại
+) hầu hết chất tạo thành từ liờn kết ion bị hũa tan trong dung dịch cú cực
(vớ dụ: nước)
+) khụng dẫn điện do khụng cú điện tử tự do (cỏc ion rất khú dịch chuyển) 
tuy nhiờn trở nờn dẫn điện tốt khi hũa tan trong dung mụi
+) độ dẫn nhiệt thấp do cỏc ion khụng thể chuyển cỏc dao động nhiệt cho
cỏc ion lõn cận
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
c. Liờn kết kim loại

 Nguyờn tử kim loại chứa một vài điện tử húa trị

 Khi cỏc nguyờn tử kim loại đặt gần nhau, cỏc điện tử húa trị dễ dàng tỏch rời
khỏi hạt nhõn riờng rẽ và trở thành điện tử tự do dựng chung giữa cỏc ion⇒ hỡnh
thành đỏm mõy điện tử giữa cỏc ion dương

 Cỏc ion dương kim loại được liờn kết với nhau bằng lực hỳt tương hỗ với cỏc
điện tử tự do→ tạo nờn cấu trỳc lập phương diện tõm (FCC)
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Metallic bond
- Đặc tớnh của liờn kết kim loại:
+) liờn kết cú cấu trỳc đẳng hướng → dẻo
+) độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do chứa cỏc điện tử tự do
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Liờn kết Van derWaal- Liờn kết thứ cấp

 Hỡnh thành từ sự tương tỏc giữa cỏc lưỡng cực
- Lưỡng cực dao động
Moment lưỡng 
cực p=qìd
- Lưỡng cực vĩnh cữu (cố định) 
⇐ Liờn kết ion
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Vớ dụ 1: Đối với phõn tử nước, tõm điện tử cú xu hướng dịch chuyển về phớa
xa nguyờn tử Hydro ⇒ hỡnh thành lưỡng cực cố định ⇒ xuất hiện lực liờn kết
thứ cấp giữa cỏc phõn tử nước
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Vớ dụ 2: Đối với
polymer:
- Tõm điện tử dịch
chuyển về phớa nguyờn tử
chlorine 
- Tõm điện tớch dương
tập trung về phớa nguyờn
tử hydrogen
- Xuất hiện lực liờn kết
thứ cấp giữa H và Cl của
cỏc chuỗi lõn cận
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
III. Lý thuyết vựng năng lượng

 Ứng dụng: Giải thớch, phõn loại vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, bỏn
dẫn và cỏch điện (điện mụi)

 Cỏc điện tử của một nguyờn tử được phõn bố vào cỏc lớp vỏ điện tử cú mức
năng lượng khỏc nhau

Một số mức năng lượng được cỏc điện tử lấp đầy

 Cỏc mức năng lượng cũn lại chỉ xuất hiện điện tử khi nguyờn tử nhận năng
lượng từ bờn ngoài (trạng thỏi kớch thớch)

 Khi cỏc nguyờn tử nằm sỏt nhau sẽ tạo thành một dóy năng lượng gần như
liờn tục⇒ vựng cỏc mức năng lượng
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
VD: Vựng năng lượng của kim loại Natri

 Nguyờn tử riờng rẽ ⇒ tồn tại cỏc mức năng lượng riờng biệt (giỏn đoạn)
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Nhiều nguyờn tử nằm sỏt nhau ⇒ tồn tại vựng cỏc mức năng lượng 
gần như liờn tục
Lấp đầy 
điện tử
Lấp đầy 
ẵ vựng 
năng 
lượng
Vựng 
dẫn
Vựng 
húa trị
Vựng húa trị và vựng dẫn chồng lấn lờn nhau ⇒ tồn tại 
điện tử tự do ở vựng dẫn ⇒ Natri dẫn điện tốt
Mật độ nguyờn tử: 1023 cm-1
Vựng 
đầy
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
VD: kim cương (cấu tạo từ cacbon)
Nguyờn tử cacbon riờng rẽ, điện tử phõn bố vào cỏc ụ 
lượng tử theo qui luật Hund
Do mức năng lượng của phõn lớp 2s xấp xĩ 2p nờn
thực tế cú 4 điện tử lớp ngoài cựng tham gia vào liờn
kết giữa cỏc nguyờn tử thay vỡ chỉ cú 2 điện tử ở phõn
lớp 2p⇒ lỳc này phõn bố của cỏc điện tử vào ụ lượng
tử như sau
2s
2p
Liờn kết với 4 nguyờn 
tử C lõn cận
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 

 Khi cỏc nguyờn tử C liờn kết với nhau tạo nờn vựng dẫn và vựng
húa trị tỏch biệt nhau bằng vựng cấm cú năng lượng lớn Eg (∼ một
vài eV)

 Khụng tồn tại điện tử trong vựng dẫn

 Độ dẫn điện kộm ⇒ chất cỏch điện
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
kT ∼ 0,025 eV
Sơ đồ tổng hợp
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Năng lượng vựng cấm của một số chất (25oC)
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Tỏc động của nhiệt độ

 0oK: chất cỏch điện và chất bỏn dẫn khụng dẫn điện

 Tăng nhiệt độ lờn 298oK: chất cỏch điện vẫn khụng dẫn điện,
chất bỏn dẫn trở nờn dẫn điện do tỏc động của năng lượng nhiệt
một vài điện tử sẽ chuyển từ vựng húa trị sang vựng dẫn
* Nếu điện trường ngoài đủ lớn, chất cỏch điện và chất bỏn dẫn trở nờn dẫn điện 
thậm chớ ở 0K
E = k
B
T
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Phõn loại vật liệu
Phõn loại vật liệu theo điện trở suất
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Phõn loại vật liệu theo độ từ tớnh
Thụng số Nghịch từ Thuận từ Dẫn từ
Độ từ thẩm à ≈1 >> 1
Cường độ từ 
trường ngoài
Khụng phụ 
thuộc
Khụng phụ 
thuộc
Phụ thuộc
Vớ dụ • Khớ hiếm
• Đa số hợp chất 
hữu cơ
• Cỏc kim loại: 
đồng, kẽm, bạc, 
vàng
• Oxy
•Muối coban và 
niken
• kim loại kiềm, 
nhụm, bạch 
kim
• Sắt
• Niken
• Coban
• Hợp kim của 
ba chất trờn
•Ferrite
Được chia thành 03 loại như sau:
Types of magnetic 
materials
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Cõu hỏi thảo luận
1. í tưởng về thiết kế loại vật liệu điện mới
2. Phương phỏp tăng động lực học tập học phần “Vật liệu
điện”? (Thảo luận nhúm)
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu cú bản quyền. Khụng được phộp sao chộp hay cụng bố rộng rói dưới bất kỳ hỡnh thức nào. 
Liờn kết giữa cỏc nguyờn tử
1. Liờn kết giữa cỏc nguyờn tử
- Liờn kết cộng húa trị: dựng chung điện tử
- Liờn kết ion: cho nhận điện tử
- Liờn kết kim loại: đỏm mõy điện tử tự do được
tạo nờn từ cỏc điện tử ngoài cựng tỏch khỏi
liờn kết với hạt nhõn