Bài giảng Khoa học vật liệu đại cương - Chương 8: Tính chất điện

 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
 Ngành: Khoa học vật liệu
 Môn: Khoa học vật liệu đại cương
Chương 8: TÍNH CHẤT ĐIỆN
 Teamwork
Mon
 Tue
 Nguyễn Thị Nguyễn Thị Trần Thị 
Wed Nguyên Lan Anh Lan Anh
 Thu
 Fri
 Nguyễn Thị Nhữ Sỹ 
 Ngọc Anh Mạnh
 TÓM TẮT
 Sự dẫn điện Độ dẫn điện
Mon Cấu trúc vùng năng lượng trong các vật rắn
 Tính chất dẫn điện liên quan với mô hình vùng 
 Tue năng lượng và liên kết nguyên tử
Wed Độ linh động của điện tử
 Điện trở suất của kim loại
 Thu
 Fri Bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần)
 Bán dẫn điện
 Bán dẫn tạp chất
 Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn và nồng độ 
 hạt tải
 Tính dẫn điện trong gốm ion và polyme
Mon
 Khái quát chung về Dẫn điện trong các 
 tính dẫn điện trong vật liệu ion
 Tue gốm ion và polyme
Wed
 Thu
 Tính chất điện của Kết luận
 polyme
 Fri
 Ứng dụng
 Khái quát chung về tính dẫn điện trong 
 gốm ion và polyme
Mon -Ở nhiệt độ phòng: Phần lớn các polyme và gốm ion đều là vật liệu cách điện 
Tue vùng dẫn còn trống
 Cấu trúc vùng năng lượng của 
Wed chất cách điện khe vùng
Thu
 => Ở nhiệt độ phòng, chỉ có rất vùng hóa trị đã được 
 ít điện tử nhận được năng lấp
 Fri lượng đủ lớn để có thể bị kích 
 Vùng hóa trị được 
 thích nhảy qua vùng cấm, dẫn 
 điền đầy và tách xa 
 đến độ dẫn điện của gốm ion 
 vùng dẫn còn trống 
 và polyme là rất nhỏ.
 một khe vùng rộng 
 (>2 eV) >
 Độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng của một số vật liệu phi kim loạiô
 Vật liệu Độ dẫn(Ω.m)-1
 Graphit 105
 Gốm
 -10 -12 
 Nhôm oxit 10 -10
 -10 -12
 Sứ 10 -10
 -10
 Thủy tinh Na-Ca <10 
 -10 -15
 Mica 10 -10
 Polyme
 Phenol formaldehyd 10-9 -10-10
 Nylon 6.6 10-9 -10-12
 Polymetyl metacrylat <10-12
 Polyetylen 10-13 -10-17
 Polystyren <10-14
 Polyletrafloetylen <10-16
- Các vật liệu đó thường được sử dụng trên cơ sở tính cách điện
của chúng, vì vậy, chúng cần có điện trở suất cao.
- Khi tăng nhiệt độ, độ dẫn điện thực tế của các vật liệu cách điện cũng
tăng và có thể tăng nhiều hơn so với bán dẫn. 
 Dẫn điện trong các vật liệu ion
Mon - Ion của hầu hết các tinh thể đều nằm ở các vị trí xác định trong ô mạng và 
 sự dịch chuyển là không đáng kể, chúng dao động xung quanh vị trí của nó 
 Tue bởi năng lượng nhiệt. 
 - Các cation và anion trong vật liệu đều có điện tích và do đó chúng đều 
Wed có khả năng di chuyển hoặc khuếch tán khi có mặt điện trường. 
 Thu - Anion và cation sẽ chuyển dời theo hướng ngược nhau. 
 - Độ dẫn tổng của một vật liệu ion bằng tổng của các đóng góp của điện 
 Fri
 tử và ion: đóng góp nào chiếm ưu thế là tùy thuộc vào vật liệu, độ tinh 
 khiết, nhiệt độ 
 σtoàn phần = σđiện tử + σion 
 Activity
 - Độ linh động μi ứng với mỗi loại ion:
 μ = ni eDi
 i kT
 ni và Di : hóa trị và hệ số khuếch tán của mỗi ion.
Tóm lại Sự đóng góp của ion vào độ dẫn tổng tăng với sự tăng nhiệt độ. 
 Đa số các vật liệu ion vẫn là cách điện mặc dù có sự đóng góp 
 của hai kiểu độ dẫn điện. 
 Tính chất điện của polyme
 -Bởi không có sẵn một số lớn các điện tử do tham gia vào quá trình dẫn. 
Mon --->Đa số các vật liệu polyme dẫn điện kém.
 -Cơ chế dẫn điện chưa rõ ràng
Tue -Tính dẫn trong polyme tinh khiết cao là dẫn điện tử.
Wed - Polymer dẫn điện 
 +Độ dẫn 1.5x107 (Wm)-1
Thu +Quan sát được ở: 
 polyacetylene,polyparaphenylene, polypyrrole và 
 polyamiline đã được pha tạp
 +Do xen kẽ các liên kết đơn - đôi
 -Polyme tinh khiết cao có cấu tạo vùng năng lượng đặc trưng của chất cách điện.
Mon -Cơ chế tạo số lớn điện tử tự do và lỗ trống trong các polyme dẫn là phức tạp, hiểu đơn 
 giản là sự xuất hiện của nguyên tử tạp chất dẫn đến hình thành vùng năng lượng mới phủ 
 lên vùng dẫn và vùng hóa trị của polyme tinh khiết, làm xuất hiện vùng hóa trị và vùng dẫn 
Tue bị chiếm đầy một phần và tạo nên nồng độ điện tử và lỗ trống cao ở nhiệt độ phòng.
 VẬT LIỆU:
Wed cơ học
 +)có tính dị hướng 
 Sự định hướng các mạch quá trình 
 tổng hợp cao
Thu polyme từ 
 trường +)có độ dẫn cực đại 
 dọc theo hướng đã 
 Fri được định hướng.
 -Các polyme dẫn điện có ưu thế trong một loạt ứng dụng do chúng có trọng lượng riêng 
 thấp, độ dẻo cao và dễ chế tạo.
 Ứng dụng:
 Gốm ion Polyme
-Gốm áp điện: thiết bị cảm 
biến, đầu dò siêu âm, bộ 
phận đánh lửa khí -Chất chống tĩnh điện cho 
-Gốm bán dẫn: vòng bi phim ảnh
gốm, công nghệ plasma.. -Chất ức chế ăn mòn
-Gốm siêu dẫn: nam châm -Linh kiện điện tử
siêu dẫn, tàu đệm từ, máy -Lớp phủ chống tĩnh điện
gia tốc, máy chụp hình -Vật liệu màn chắn điện từ
điện não.. -Dây dẫn trong các cấu kiện 
 hàng không và vũ trụ
 1,Vật liệu gốm ion
Mon
Tue
Wed
Thu
 Fri
 Thiết bị truyền Đầu dò siêu âm.
 động áp điện.
 Thiết bị cảm biến
Mon
Tue Thiết bị truyền 
 động
Wed
Thu Bộ phận đánh 
 lửa khí 
 Fri
 2, Vật liệu polyme: dây dẫn
Mon
Tue
 Màn hình điện thoại di 
Wed Pin mặt trời Cửa sổ thông minh
 động, TV
Thu
 Fri Điốt phát sáng(LEDs)
 Chất chống tĩnh điện 
 cho phim ảnh 
 Kết luận
Mon
 Gốm ion và polyme:
 Tue - Độ dẫn điện thấp hầu như là vật liệu cách điện.
Wed - Cơ chế dẫn điện chưa rõ ràng.
 - Đều có ứng dụng cao trong công nghiệp kĩ thuật - 
 Thu
 điện tử, hàng không - vũ trụ.
 Fri