Bài giảng Vật liệu học - Chương 4: Tính chất điện của vật liệu - Nguyễn Văn Dũng

LOGO 1
2Ø Nguyên lý Pauli: mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác
nhau.
ü Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm.
üCác điện tử trong chất rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các
vùng cho phép từ thấp đến cao.
3Sự kết hợp của nhiều nguyên tử Na trong chất rắn
4Cấu trúc electron của Mg trong chất rắn
5Giản đồ tương tác năng lượng electron của 12 nguyên tử theo khoảng 
cách nguyên tử
6Giản đồ tương tác năng lượng electron của N nguyên tử theo khoảng 
cách nguyên tử
Khoảng cách 
cân bằng
7
8ØXét trên lớp ngoài cùng:
ü Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử hóa trị - “vùng hóa trị”
ü Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy trên vùng hóa trị - “vùng dẫn”
ü Vùng không cho phép giữa vùng hóa trị và vùng dẫn - “vùng cấm”
91. Siêu dẫn (superconductor):
+ Loại 1: kim loại (Hg, MgB2)
+ Loại 2: gốm (YBCO, BSCCO)
2. Dẫn điện (conductor):
+ Tuyến tính: kim loại (Ag, Au, Cu, Hg, W)
+ Phi tuyến: hợp chất ion (ZnO, diot)
3. Bán dẫn (semi-conductor):
+ Nguyên tử: Si, Ge, α-Sn, C
+ Hợp chất: GaAs, AlAs
+ Hữu cơ: polymer dẫn điện
+ Vô cơ: ITO, YSZ, BaTiO3
4. Điện môi (dielectric):
+ Tuyến tính: Al2O3, SiO2, ZrO2
+ Phi tuyến: BaTiO3, PZT
Cách điện (insulator): gốm sứ, thủy tinh, Al2O3
10
Vật liệu Độ dẫn riêng (S/m)
Chất dẫn electron
Kim loại 103 – 107
Bán dẫn 10-3 – 104
Gốm cách điện < 10-10
Chất dẫn ion
Tinh thể ion 10-16 – 10-2
Chất điện giải rắn 10-1 – 103
Chất điện giải lỏng 10-1 – 103
11
Ef là năng lượng cao nhất của điện tử khi nhiệt độ 0 K
F(E) là hàm xác suất về sự phân bố năng lượng điện tử
12
Khi nhiệt độ lớn hơn 0 K, một số electron có năng lượng E > Ef → Ef < 1
13
14
15
16
Điện trường xuất hiện khi có sự khác nhau về điện thế giữa 2 điểm
Dòng điện là dòng di chuyển của các phần tử mang điện dưới tác 
dụng của điện trường
L
VE =
+-
d
VE =
+
-
VĐể đơn giản, thường xem điện thế cực
dương là “V” và điện thế cực âm là 0 (tiếp
đất)
17
V = I R
Điện thế
Voltage drop (V)
Điện trở
Resistance (Ω)
Cường độ dòng điện
Current intensity (A)
Điện trở suất - Resistivity, ρ: 
Độ dẫn riêng - Conductivity, σ:
l
RA
=r
Diện tích cắt ngang
(m2)
Chiều dài (m)
r
s
1
= (S/m)
V
I
Năng lượng
(R)
+
-
18
Dưới tác dụng của điện trường, electron di chuyển
Tốc độ di chuyển là v: 
u là hệ số dịch chuyển (electron mobility), đơn vị (m2/V.s)
Gọi n là phần tử mang điện trong một đơn vị thể tích (1/m3)
I = q.n.v.A = q.n.u.E.A 
i = q.n.u.E
F = 96500 (C/mol)
z: điện tích của phần tử
C: nồng độ phần tử (mol/m3)
19
20
Do nhiệt độ (thermal):
Điện trở suất của kim 
loại thực:
- Tuyến tính trong khoảng
nhiệt độ > - 200 oC
- ρo, a là các hằng số phụ
thuộc kim loại
21
Do tạp chất - Impurity:
Do biến dạng - Deformation (ρd)
Gần đúng:
Điện trở suất của hợp kim Cu-Ni 
theo thành phần tạp chất
- A là hằng số phụ thuộc kim loại
chính và tạp chất
- ci là phần mol tạp chất kim loại
- ρα, Vα là điện trở suất riêng và
phần thể tích của kim loại α
22
Có 2 loại phần tử mang điện:
Ø Electron tự do (free electron)
ü Mang điện tích âm
ü Thuộc vùng dẫn
Ø Lỗ trống (hole)
ü Mang điện tích dương
ü Thuộc dùng hóa trị
Bán dẫn tinh khiết
Đơn chất: Si, Ge
Hợp chất: GaAs, InSb, CdS, ZnTe, TiO2
Bán dẫn có phụ gia
Bán dẫn loại n
Bán dẫn loại p
23
Chất Nhóm EG (eV) Ứng dụng
Si IV 1.11 Sử dụng phổ biến nhất (1)
Ge IV 0.67 Cảm biến bắt sóng radar
SiC IV 2.3 Đèn LED màu vàng
BN III-V 6.36 Đèn LED vùng tử ngoại
GaP III-V 2.26 Đèn LED màu đỏ/vàng/ xanh giá rẻ
GaAs III-V 1.43 Đèn cận hồng ngoại, tế bào pin mặt trời (2)
GaN III-V 3.44 Đèn LED xanh dương và tia laser xanh dương
AlGaN III-V 3.44-6.28 Điod phát tia laser xanh lá cây
CdS II-VI 2.42 Tế bào pin mặt trời đầu tiên
ZnO oxide 3.37 Xúc tác quang hóa
TiO2 oxide 3.20 Xúc tác quang hóa
Cu2O oxide 2.17 Bộ tách sóng, chất bán dẫn được nghiên cứu đầu tiên
BaTiO3 oxide 3.0 Chất sắt điện, chất áp điện
24
Độ dẫn của bán dẫn:
Số electron/m3 Hệ số dịch chuyển 
electron
Số lỗ trống/m3
Hệ số dịch chuyển lỗ 
trốnghe
UepUen +=s
Khái niệm về electron và lỗ trống (hole)
+-
electron hole
+-
25
( ) )s/Vm )45.085.0()C106.1(
m)(10
219
16
×+
×W
=
+
= -
--
xxUUe
n
he
i
s
ni = 4.8 x 1024 m-3
Vd: GaAs
Với bán dẫn tinh khiết –
Khuyết tật nội tại
n = p = ni
n.p = ni2
s = ni|e|(Ue + Uh)
26
Một số giá trị vật lý của vật liệu bán dẫn
27
Conduction band
Valence band
Dẫn
electron
Dẫn theo
lỗ trống
Eg
T = 0 K T = 300 K
Nhiệt độ tăng làm mật độ electron trên vùng dẫn tăng, độ dẫn 
điện của vật liệu bán dẫn tăng
28
ü σ tăng nhanh theo T
ü Ngược với kim loại
Vật liệu
Si
Ge
GaP
CdS
Eg - band gap (eV)
1.11
0.67
2.25
2.40
( )hei UUen +=s
kTE
i
gnn 2/0.e 
-=
kTE
n
n
mUU /n .e 0
-= kTEp
p
mUU /p.e 0
-
=
Em là năng lượng dịch chuyển
29
Khi cho phụ gia có hóa trị cao hơn (N, P, Sb,), thừa electron 
(electron donor ), dễ tạo electron tự do
kT
E
n
D
eUen
-
»» .0ss
ED: năng lượng donor
30
Khi cho phụ gia có hóa trị thấp hơn (B, Al, Ga,), thừa electron 
(electron donor ), dễ tạo electron tự do
kT
E
p
A
eUep
-
»» .0ss
EA: năng lượng acceptor
31
Năng lượng donor và acceptor (eV) khi Si và Ge được thêm phụ gia (doping)
32
n-type silicon
1021/m3
Nồng độ electron và
độ dẫn của bán dẫn
có phụ gia phụ thuộc
nhiệt độ như thế
nào?
33
Bán dẫn khuyết tật thừa 
(Zn1+xO)
Zn+ như là tiểu phân cho 
electron (electron donor)
34
Bán dẫn khuyết tật thiếu
(Ni1-xO)
Ni3+ như là chất nhận 
electron
(electron acceptor)
35
Đa số là dẫn điện kém vì Eg khá lớn.
Tùy theo cấu trúc tinh thể, cấu hình electron, nhiệt độ mà có thể là chất
cách điện, dẫn như kim loại, bán dẫn kiểu p/n, hay dẫn ion (chất điện giải
rắn)
Nguyên tắc bảo đảm: σ = σi + σe + σh
VD:
TiO, VO: dẫn điện như kim loại
Cu2O, MnO2: bán dẫn
NiO, CuO: cách điện
Fe3O4, LiV2O4: dẫn điện như kim loại
Mn3O4, LiMn2O4: cách điện, bán dẫn
Vật liệu Độ dẫn (S/m)
Bê tông (khô) 10-9
Thủy tinh Natri 10-10 – 10-11
Sứ 10-10 – 10-12
Thủy tinh Bo ~ 10-13
Nhôm oxit < 10-13
Silic oxit < 10-18
36
VD: sự di chuyển của Ag+ trong mạng tinh thể AgCl dưới tác dụng
của điện trường.
Ag
Ag
Ag
Cl
Cl
Cl
Cl
Ag2
Ag1
Ag
Ag
Cl
Cl
Ag
Ag
Ag
Cl
Cl
Cl
Cl
Ag2
Ag1
Ag
Ag
Cl
Cl
Ag
Ag
Ag
Cl
Cl
Cl
Cl
Ag1
Ag2
Ag
Ag
Cl
Cl
Ag
Ag
Ag
Cl
Cl
Cl
Cl
Ag2
Ag1
Ag
Ag
Cl
Cl
Cơ chế trực tiếp 
Cơ chế gián tiếp
37
Na β-Al2O3 (Na2O.11Al2O3) với ion Na+ di chuyển giữa các lớp spinel
38
Vật liệu Độ dẫn (S/m)
Phenol-formaldehyde 10-9 – 10-10
Poly(methyl methacrylate) < 10-12
Nylon 6,6 10-12 – 10-13
Polystyrene < 10-14
Polyethylene 10-15 – 10-17
Polytetrafluoroethylene < 10-17
ü Đa số vật liệu hữu cơ dẫn cách điện vì Eg rất lớn và không có
electron tự do.
ü Khi thêm phụ gia dẫn điện, ví dụ cacbon + nylon 6,6 thì vật liệu
dẫn điện được do cacbon.
ü Tuy nhiên, khoa học hiện đại đã phát minh ra 2 loại polymer dẫn
điện mới là dẫn theo electron liên hợp và dẫn ion.
kT
Eg
e
-
= .0ss
Độ dẫn
39
Polymer dẫn ion Li+
40
Polymer dẫn điện đã được phát 
minh vào năm 1970 và đạt giải 
Nobel năm 2000
41
Polymer Eg (eV)
Polyacetylene (PA) 1,4
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 1,5
Polythiophene (PT) 2,0
Poly(phenylene vinylene) (PPV) 2,5
Polyaniline (PAn) 3,2
Poly(para-phenylene) (PPP) 3,5
Polypyrrole (PPy) 3,6
kT
Eg
e
-
= .0ssPolypyrrole Polyaniline
Độ dẫn
42
( ) ( ) +- +®+ xNaCHxNaCH xnn
( ) ( ) -+ +®+ 32
3 ICHIxCH nn
Doping bởi oxi hóa với 
halogen (p-doping)
Doping bởi khử với kim 
loại kiềm (n-doping)
Cấu trúc của polymer trans-PA không 
có tính dẫn điện
Cấu trúc của polymer trans-PA khi có 
chất doping
43
Họ halogen Br2, I2, Cl2
Acid Lewis BF3, PF5, AsF5, SbF5, SO3
Acid proton (acid chứa H+) HNO3, H2SO4, HClO4, HF, HCl, FSO3H
Halide của kim loại 
chuyển tiếp
FeCl3, MoCl5, WCl5, SnCl4, MoF5
Họ amino, các loại acid 
sinh học
glutamic acid, uridylic acid, protein, enzyme 
Các chất hoạt tính bề mặt dodecylsulfate, dodecylbenzenesulfonate
Polymer poly (styrenesulfonic acid)
44
ABO3
-
+ P
ü Do sự chuyển dịch tương đối của đám mây điện tử và hạt nhân
nguyên tử
ü Do sự chuyển dịch tương đối của cation và anion trong chất rắn
ü Do có sẵn các lưỡng cực như H2O, HCl, CH3Cl, BaTiO3,
ü Xuất hiện lớp điện tích kép giữa chất điện giải và điện cực
45
Momen lưỡng cực và sự phân 
cực định hướng Pd (Po)
Electronic polarization Pe
Ionic polarization Pi
Khi đặt trong điện trường, trung tâm của các điện tích âm không còn phù hợp 
với trung tâm của điện tích dương như ban đầu
46
Moment lưỡng cực của chất rắn:
Pe = qd
q: điện tích của điện tử
d: khoảng cách giữa trung tâm điện tích 
dương và âm
Mật độ điện tích:
D = q/A = εE = ε0. εr.V/d 
P = ε0.(εr - 1).E
D = ε0.E + P Độ phân cực P: 
47
Q = CV
Q: Điện tích (Coulomb)
C: Điện dung (Faraday)
A: Diện tích bản tụ điện (m2)
V: Điện thế (Volt)
d: Độ dày (m)
eo: hằng số điện môi chân không 
= 8.854x10-12 C2/m2 or F/m
er = K: hằng số điện môi - dielectric 
constant
d
AC oree= d
AVQ oree=
48
Piezoelectric Materials
Bình 
thường
Nén tạo ra 
điện thế
Cho điện thế vào 
gây ra sự giãn
Vật liệu áp điện: dùng áp suất tác dụng lên vật liệu để tao ra dòng điện
Sử dụng điện thế để thay đổi kích thước vật liệu 
→ Ứng dụng làm cơ bắp nhân tạo, rô bốt