Câu 1 Giải thích sự tồn tại cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn. Nêu đặc điểm của cấu trúc vùng năng lượng.

Trong mỗi nguyên tử tồn tại các mức năng lượng gián đoạn.

Khi các nguyên tử càng xích lại gần nhau thì các điện tử càng bị kích thích bởi các điện tử và các hạt nhân của nguyên tử lân cận. Ảnh hưởng làm cho mỗi trạng thái điện tử của nguyên tử nằm sát nhau hình thành nên vùng năng lượng điện tử. Sự giãn nở từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử. trong mỗi vùng, các mức năng lượng này là gián đoạn, tuy nhiên khoảng cách giữa các mức kề nhau là hết sức nhỏ. Ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tạo thành vùng năng lượng có thể xảy ra với các lớp điện tử ở gần hạt nhân nhất. Giữa các vùng kề nhau tồn tại khe năng lượng(vùng cấm): bình thường thì các điện tử không được chiếm lĩnh.

Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng

Ở 0 độ k tồn tại bốn kiểu vùng năng lượng khác nhau:

Thứ 1: vùng hóa trị chỉ bị lấp đầy một phần. năng lượng cao nhất  bị chiếm dữ ở 0 độ k  là E Fermi -> cấu trúc điểm hình của kim loại.

Thứ 2: Vùng hóa trị bị lấp đầy và còn phủ lên vùng dẫn -> cũng tìm thấy ở kim loại.

Thứ 3,4: Hai cấu truc này tương tự nhau. Ở mỗi cấu trúc thì tất các các trạng thái trong vùng hóa trị đề bị chiếm dữ hoàn toàn. Tuy nhiên ở đây ko còn dính với phần còn trống nên tạo khe năng lượng. Sự khác nhau giữa hai vùng là độ rộng của khe năng lượng. E Fermi nằm ở chính giữa khe.

Vì thế vật liệu dẫn điện là vật liệu có điện tử dễ vượt qua vùng năng lượng Fermi. Vật liệu ko dẫn là vật liệu có năng lượng vùng cấm rất lớn đến mức điện tử không thể nào vượt qua E Fermi.

Câu 2 Dựa vào đường cong từ trễ hãy phân loại các vật liệu từ. Nêu đặc điểm của vật liệu từ cứng

Phân loại:

-         Chất thuận từ

-         Chất nghịch từ

-         Chất sắt từ

-         Chất phản sắt từ

-         Chất feri từ

Đặc điểm vật liệu từ cứng: Vật liệu từ cứng được dùng làm nam châm vĩnh cửu, vật liệu này cần có độ từ dư, trường khử từ và mật độ từ thông bão hòa cao cũng như độ thẩm từ ban đầu thấp và tổn hao từ trễ cao. Như đã nêu, tính cánh từ trễ lien quan tới khả năng dịch chuyển các vách đômen từ. Khi sự dịch chuyển này bị cản trở thì từ trường khử từ và hệ số từ hóa đều tăng lên, để phá hủy từ hóa cần một trường ngoài lớn. Đa số nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi là thép sắt từ hợp kim với volfram và crom khi xử lý nhiệt thích hợp, kết hợp với cacbon trong thép tạo thành những hạt volfram cacbit và crom cacbit phân tán. Chúng kìm hãm đặc biệt hiệu quả sự dịch chuyển vách đômen.

Một số hợp kim từ cứng được phát triển sau này có chứa nhiều nguyên tố hợp kim như sắt, coban, niken, nhôm và đồng. Nhờ xử lý nhiệt thích hợp sẽ tạo ra những hạt sắt- coban đơn đômen có từ tính cao ở trong nền một pha không từ tính.

Các hợp kim chứa đất hiếm (Sm, Nd, Pr,…) có và không có coban loại tinh thể và vi tinh thể có triển vọng sử dụng lớn nhờ các đặc trưng từ cứng rất cao của chúng. Các feri từ được dùng làm nam châm đều là ferit sáu phương.

Câu 3 Nêu cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn và điện môi từ đó chứng minh tính chất dẫn điện của chúng.

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.

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: vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.

Vùng cấm :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.

Như vậy, tính dẫn điện của các chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở 0 ⁰Kmức Fermi nằm giữa vùng cấm do đó chất bán dẫn không dẫn điện.

Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệtnhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm

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.

Điện môi:  tương tự như chất bán dẫn nhưng do khe năng lượng rộng hơn của bán dẫn rất nhiều -> e Fermi lớn vì vậy sẽ rất khó để có dược diện tử nhảy được tử vùng hóa trị sang vùng dẫn nên có thể coi như chúng không dẫn điện.

Câu 4 Anh (chị) hãy nêu tính chất dẫn điện của polymer.

Phần lớn các vật liệu polyme đều dẫn điện kém vì không thể có nhiều điện tử tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện. Cơ chế dẫn điện trong các vật liệu này rất phức tạp, nhưng đã biết rõ các polyme có độ tinh khiết cao dẫn điện bằng điện tử

          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 được độ dẫn điện cao tới 1,5.107 (Ω.m)-1

-         Có thể thấy ở nhiều polyme đó là polyxetylen,polyparaphenylen,polypyrol và plyanilin 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 5 Dựa vào khái niệm độ linh động của điện tử Anh(chị) hãy nêu đặc điểm của điện trở kim loại.

Đa số các kim loai là những chất dẫn điện rất tốt,  có độ dẫn điện cao vì chúng có một số lớn điện tử tự do đã được kích thích lên các trạng thái trống nằm trên mức Fermi. Dưới đây sử dụng khái niệm điện trở suất,nghịch đảo của độ dẫn điện.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ở nhiệt độ khoảng trên 2000C, điện trở suất của kim loại nguyên chất tăng tuyến tính theo nhiệt độ

ρt=ρ0+ aT

Trong đó

ρ0 và aT là các hằng số cho riêng từng kim loại.sự phụ thuộc này của thành phần điện trở suất vào nhiệt độ là do tăng theo nhiệt độcủa các dao động nhiệt và các khuyết tật khác trong mạng

Ảnh hưởng của tạp chất

Khi pha thêm một tạp chất đơn để tạo dung dịch rắn, điện trở suất tạp chấtρi liênhệ với nồng độ tạp chất Ci như sau

ρi= A Ci(1- Ci).

Trong đó A - Một hằng số không phụ thuộc thành phần nhưng phụ thuộc cả tạpchất và kim loại nền

Để tính gần đúng điện trở suất của một kim loại gồm hai phaαvà β có thể sử dụng biểu thức theo đúng quy tắc hỗn hợp sau đây:ρi=ραVα+ρβVβ(5.11)

Trong đó Vα,Vβ và ρα, ρβ- phần trăm thể tích và điện trở suất riêng phần của các pha tương ứng

Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi cũng làm tăng điện trở suất do tăng số lượng các tán xạ điện tử.

Câu 6 Thế nào là hiệu ứng ứng suất nhiệt của vật liệu. Phân loại, ứng dụng của hiệu ứng ứng suất nhiệt.

Ứng suất nhiệt là ứng suất được gây ra trong vật thể do sự thay đổi nhiệt độ. ứng suất phát sinh trong một vật thể khi các phần tử của nó bị hạn chế, không được tự do biến dạng khi nhiệt độ thay đổi. Sự hạn chế có thể do các liên kết bên ngoài vật thể, cũng có thể do sự ràng buộc trong nội bộ vật thể.

Ứng suất do sự giãn và co bị hạn chế

Ta hãy xét một thanh đặc đồng chất và đẳng hướng bị nung nóng hoặc làm lạnhđồng đều, nghĩa là không có gradient nhiệt độ. Khi giãn hoặc co tự do, thanh sẽ không chịuứng suất. Tuy nhiên, nếu như chuyển động dọc trục của thanh bị giới hạn bởi các giá cứngchặn ở hai đầu thì sẽ có ứng suất nhiệt

Ứng suất gây bởi građient nhiệt độ

Ứng suất nhiệt có thể hình thành do građient nhiệt độ gây ra bởi sự nung nónghoặc làm nguội nhanh và làm cho phần ngoài thay đổi nhiệt độ nhanh hơn phần phía trong.

Câu 7 Độ dẫn điện là gì. Nêu cơ chế hình thành hạt tải điện trong bán dẫn loại p.

Dẫn điện là khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vào các hạt, Sự dẫn điện có thể diễn tả bằng định luật Ohm, rằng dòng điện tỷ lệ với điện trường tương ứng, và tham số tỷ lệ chính là độ dẫn điện:

Với:

 là mật độ dòng điện

 là cường độ điện trường

σ là độ dẫn điện

Độ dẫn điện cũng là nghịch đảo của điện trở suất ρ:σ = 1/ρ, σ và ρ là những giá trị vô hướng.

Nêu cơ chế hình thành hạt tải điện trong bán dẫn loại p

có thể dùng mô hình vùng năng lượng để diễn tả các kích thích tạp chất tạo ra lỗ trống. Mỗi một nguyên tử tạp chất đưa vào khe cấm một mức năng lượng nằm rất sát phía trên đỉnh của vùng hoá trị Một lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hoá trị khi kích thích nhiệt do một điện tử chuyển từ vùng hoá  trị lên trạng thái điện tử tạp chất này

Với một chuyển dời như thế chỉ có một hạt tải (một lỗ trống) được sinh  ra trong cùng hoá trị mà không có một điện tử tư do nào được tạo ra hoặc ở mức tạp chất hoặc ở trong vùng dẫn. Tạp chất loại này được gọi là acxeptơ. (tạp chất “nhận”, bởi vì nó có khả năng nhận điện tử từ vùng hoá trị và để lại ở đó một lỗ trống – sau này gọi mức năng lượng trong khe cấm do loại tạp chất này dây ra là trạng thái (mức) acxeptơ.

Đối với bán dẫn tạp chất loại này, lỗ trống có mặt với nồng độ cao hơn nhiều so với điện tử (tức là 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 hạt tích điện dương đảm nhiệm. tất nhiên, các lỗ trống là hạt tải đa số còn điện tử chỉ xuất hiện ở nồng độ thiểu sốTrong các chất bán dẫn tạp chất, số lớn hạt tải (hoặc điện tử hoặc lỗ trống, tuỳ thuộc loại tạp chất) đã được tạo ta ở nhiệt độ phòng do năng lượng nhiệt cung cấp. Hệ quả là các chất bán dẫn tạp chất có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng tương đối cao

Câu 8 Cơ chế hình thành màu sắc trong vật liệu phi kim loại ?

Các vật liệu trong suốt hiện màu là do có những dải bước sóng ánh sáng bị hấp thụ chọn lọc, mầu sắc cảm nhận được là kết quả tổ hợp của những bước sóng được truyền qua. Nếu sự hấp thụ xảy ra đồng đều với tất cả các bước sóng thấy được thì vật liệu hiện ra không màu, ví dụ như các loại thủy tinh vô cơ  tinh khiết cao, kim cương và saphia đơn tinh thể tinh khiết cao.

Thông thường, hấp thụ chọn lọc là bằng kích thích điện tử. Chẳng hạn như  trường hợp các chất bán dẫn có khe vùng trùng với dải năng lượng photon ánh sáng nhìn thấy(1.8eV đến 3.1eV). phần ánh sáng nhìn thấy có năng lượng lớn hơn E bị hấp thụ chọn lọc bởi các chuyển dời điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Đương nhiên, một số bức xạ bị hấp thụ này lại thứ phát khi các điện tử kích thích nhảy trở về những trạng thái năng lượng thấp ban đầu của chúng. Sự thứ phát này xảy ra không nhất thiết ở cùng tần số như khi hấp thụ mà trong trường hợp chuyển rời bức xạ nhiều bướchoặc không bức thì lại là nhỏ hơn. Kết quả là mầu sắc phụ thuộc vào sự phân bố tần số của cả chùm sáng truyền qua và chùm sáng thứ phát.

Ví dụ, cacmi sunfit(Cds) có khe vùng khoảng 2.4V, do đó hấp thụ những photon có năng lượng lớn hơn 2.4eV tương ứng với phần xanh và tím của phổ ánh sáng nhìn thấy; một số lại thứ phát thành ánh sáng với những bước sóng khác. Còn ánh sáng nhìn thấy không bị hấp thụ chỉ gồm những photon có năng lượng từ 1.8eV đến 2.4eV. Cds hiện màu vàng da là do tổ hợp chùm truyền qua.

Câu 9 Cơ chế khúc xạ ánh sáng trong vật liệu phi kim loại ?

Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của các vật liệu trong suốt thì giảm tốc độ và kết quả là bị lệnh hướng tại mặt giới hạn .Hiện tượng đó gọi là khúc xạ .Chỉ số khúc xạ (chiết suất ) n của một chất được định là tỷ số giữa tốc độ trong chân không c và tốc độ trong môi trường v,tức là

n=c/v

Độ lớn của n phục thuộc vào bước song ánh sáng .Hiệu ứng này được chứng minh bằng tán sắc ánh sáng quen thuộc,tức là sự phân tách một chùm tia trắng thành các tai thành phần khác mầu khác nhau bằng một lăng kính thủy tinh .Chiết suất không chỉ ảnh hưởng đến quang lộ ánh sáng của ánh sáng ,mà như giải thích dưới đây sẽ ảnh hưởng đến phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt .

hiện tượng khúc xạ có liên quan đến sự phân cực điện tử ở những tần số tương đối cao của ánh sáng nhìn thấy

Bởi vì sự truyền chậm của bức xạ điện từ trong một môi trường là do sự phân cực điện tử gây ra ,nên kích thước của các nguyên tử hoặc ion cấu thành có ảnh hưởng đáng kẻ đến độ lớn của hiệu ứng này .Nói chung các nguyên tử hoặc ion càng lớn thì sự phân cực điển tử càng mạnh ,tốc độ ánh sáng càng chậm và chiết suất càng lớn

Câu 10 Nêu khái niệm, đặc điểm, tính chất của feri từ. Kể tên một số vật liệu là vật liệu feri từ

K/n: Một số vật liệu gốm thể hiện tính từ hóa vĩnh cửu gọi là feri từ.

Đặc điểm: 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.

Tính chất: Vì 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, tức là cũng có các đặc trưng như vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt độ trật tự từ (nhiệt độ Curie), từ độ tự phát... Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngược chiều nhau, nên thực chất trật tự từ của nó được cho bởi 2 phân mạng trái dấu, vì thế, 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.

Một số vật liệu là vật liệu feri từ: Gần đây, có nhiều nghiên cứu sử dụng các hạt nano ferrite ứng dụng trong các chất lỏng từ dùng trong y, sinh họccác ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao và siêu cao trong các mạch điện tử. Các ferrite lục giác có tính chất từ cứng cũng đang là loại vật liệu được dùng nhiều nhất cho các nam châm vĩnh cửu do giá thành rẻ, dễ chế tạo và độ bền cao.