PGS.TS TRẦN NGỌC GIÁO TRÌNH VẬT LÝ CHẤT RẮN (Giáo trình lưu hành nội bộ) QUẢNG BÌNH, THÁNG NĂM 2016 MỤC LỤC Chương 1: TINH THỂ 1.1 Các khái niệm mở đầu chất rắn 1.2 Tinh thể đối xứng tinh thể 1.3 Mạng tinh thể 1.4 Các liên kết tinh thể 1.5 Sai hỏng mạng tinh thể 1.6 Phương pháp nhiễu xạ tia X nghiên cứu cấu trúc tinh thể Chương 2: NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT RẮN 2.1 Những tính chất học tinh thể 2.2 Biến dạng tinh thể, Định luật Hooke tổng quát 2.3 Những tính chất nhiệt vật rắn 2.4 Lý thuyết điện tử vật rắn (kim loại, điện mơi ) 2.5 Tính chất từ vật rắn Chương 3: BÁN DẪN ĐIỆN 3.1 Vật liệu bán dẫn 3.2 Những tính chất quang bán dẫn 3.3 Hiện tượng tiếp xúc bán dẫn 3.4 Một số dụng cụ bán dẫn Chương SIÊU DẪN ĐIỆN 4.1 Những đặc điểm trạng thái siêu dẫn 4.2 Lý thuyết F D London 4.3 Hiện tượng cooper 4.4 Khe lượng 4.5 Một số ứng dụng siờu dn CHNG I Vật lí TRạNG THáI rắn-TINH THể Trong học, người ta định nghĩa vật rắn vật không biến dạng được, hoàn toàn cứng Trong vật lý nói chung người ta định nghĩa vật rắn theo nghĩa rộng Trong giới hạn chương ta chØ ®Ị cËp ®Õn mét sè vÊn ®Ị vỊ cÊu trúc, số tính chất chất rắn ứng dụng chúng kĩ thuật đời sống Đ1.1 Cấu trúc vật rắn I KHI NIM V VT RN Tất vật chất cấu tao từ phân tử, nguyên tử Các phân tử, nguyên tử tạo nên chất hay chất khác gắn kết chúng (gọi lực liên kết) không giống Nhờ có mối liên kết mà vật chất tồn tại, mối liên kết thay đổi hay không chất biến thành chất khác hay bị phá huỷ Mối liên kết phân tử khí yếu nhất, chất khí, xếp phân tử hoàn toàn trật tự Còn chất lỏng chất rắn, mối liên kết bền chặt nhiều, chúng xÕp cã trËt tù Trong chÊt láng, trËt tù nµy xãy không gian gần, tồn trật tự gần Đối với chất rắn (đặc biệt chất rắn tinh thể) nguyên tử phân tử cấu tạo nên chúng xếp theo trật tự tuần hoàn không gian, nghiêm ngặt xếp gọi cách xếp tinh thể cấu trúc không gian gọi mạng tinh thể vật rắn Chính xếp tạo trật tự gần mà tạo trật tự xa, trật tự toàn thể tích vật rắn tạo bền vững theo thời gian tuỳ ý Vì chất rắn trật tự xa đặc trưng cho tính chất chất Khi nhiệt độ hay áp suất vật rắn thay đổi lớn, trật tự xết vật rắn thay đổi tạo biến dạng vật rắn Vật rắn tồi hai d¹ng: d¹ng kÕt tinh (cã cÊu tróc m¹ng tinh thĨ) dạng vô định hình (không có cấu trúc mạng) Các tính chất khác chất rắn khác loại, phân bố ácc điện tử hạt nhân nguyên tử có đặc điểm riêng khác Để ngiên cứu tính chất vật rắn ta xét mối liên kết phân tử, nguyên tử cấu tạo trì vật rắn II LIấN KT TRONG VT RN Các vật rắn có tính định hình trì mối liên kết hạt cấu thành nên vật rắn Khi chất rắn ổn định nghĩa hạt cấu thành bào gồm hạt nhân điện tử nằm cân (cụ thể điện tử hoá trị) mối liên kết ổn định, mối liên kết quy định tính chất chất rắn ®ã Ta h·y xem vËt r¾n nh­ mét hƯ gåm số lớn hạt (hạt nhân điện tử), giả thiết vật rắn cấu tạo từ loại nguyên tử có N nguyên tử, ta có N hạt nhân NZ điện tử Nếu ta xét topán tương tác N hạt với NZ hạt phức tạp thừa nguyên tử điện tử lớp liên kết chặt chẻ với hạt nhân cà tạo thành lõi nguyên tử nguyên tử chúng hoàn toàn gíông nằm nguyên tử cô lập Chỉ có điện tử hoá trị bị phân bố khác chúng định tính chất tinh thể Như ta coi mạng tinh thể cấu thành lỏi nguyên tử mang điện tích dương nằm nút mạng điện tử hoá trị mang điện tích âm có phân bố phụ thuộc vào liên kếtd tính thể Bài toán lại N lõi Nn điện tử hoá trị (thường n = 1,2,3,4) Các liên kết nguyên tử trì lực tương tác tỉnh điện, lực thể dạng khác (có thể cộng hoá trị, tương tác trao đổi, Van đe Vanxơ, liên kết kim loại ) tương ứng với dạng liên kết hình thanhdf ác vật lớp vật rắn có tính chất đặc thù giống tinh thể ion, tính thể đồng hoá trị, tính trhể kim loại kiềm Hai dạng liên kết đặc trứng ta xét liên lết ion liên kết cộng hoá trị có liên kết liên kết kim loại, liên kết hyđrô hay liên kết Van đe vanxơ Ta xét dạng liên kết cách tổng quát 2.1 Liên kết cộng hoá trị Các trường hợp điển hình loại liên kết liên kết nguyên tử có hoá trị tức có cấu hình điện tử lớp vỏ Các phân tử thường hình thành từ nguyên tử hoàn toàn bình đẳng ví dụ như: H2, O2 Ta mô tả kiểu liên kết cách xem điện tử hoá trị nguyên tử chuyển động miền chung xem điện tử chung hai nguyên tử, chúng có vai trò làm cầu nối hai nguyên tử lại với tạo thành phân tử Chỉ có điện tử hoá trị có khả tạo tương tác trao đổi Vì liên kết gọi cộng hóa trị 2 Liên kết ion (liên kết dị cực) Khi nguyên tử bị ion hoá, chúng trở thành ion dương ion âm Các ion gần tồn lực Coulomb hút chúng lại gần Để tạo thành phân tử hợp thành nguyên tử dể dàng nhừơng điện tử hoá trị nguyên tử dễ dàng tiếp nhân điện tử Ví dụ như: NaCl; KCl Kiểu liên kết gọi liên kết ion 2.3 Liên kết kim loại Trong kim laọi điện tử hoá trị di chuyển tự không gian nút mạng tinh thể gọi điện tử tự (hay điện tử dẫn) Do có nhiều nguyên tử nên cần nguyên tử đóng góp số nhỏ điện tử hoá trị chúng đủ để họp thành đám gọi đám mây điện tử (hay gọi khí điện tử) (1022hạt/cm3) Tương tác ion dương đám mây điện tử tạo nên mối liên kết đặc trứng kim loại 2.4 Liên kết hyđrô Liên kết hyđrô tồn phân tử goòm nguyên tử hyđrô với hai nguyên tử khác Liên kết hợp thành điện tử Hyđrô liênm kết với nguyên tử prôton hạt nhân hyđrô lại liên kết với nguyên tử lại Liên kết kiểu tồn tất hợp chất chứa hyđrô cung với nguyên tố kim 2.5 Liên kết Van đe Vanxơ Loại liên kết có mặt nơi Vì liên kết yếu nên liên kết Van đe Vanxơ thể loại liên kết khác không xãy (thí dụ liên kết nguyên tử có lớp lấp đầy phân tử bão hoà Nguồn gốc liên kết thăng giáng điện tích nguyên tử dao động bậc không (n = 0) gây nên Vì lượng liên kết phụ thuộc vào độ phân cực nguyên tử Đ1.2 Mạng tính thể I ễ S CP Trong vật rắn phân tử, nguyên tử xếp tuần hoàn không gian tạo nên mạng tinh thể Nguyên nhân tạo xếp mối liên kết chặt chẽ nguyên tử Tinh thể lí tưởng có cấu trúc tuìân hoàn hoàn hảo đồng toàn không gian Trong thực tế tính thể Bao củng tồn sai hỏng nên tính thể thực không tính tuần hoàn toàn không gian Do toán khảo sát tính thể thực phức tạp Để đơn giản, phần ta nói đến tinh thÓ lÝ t­ëng: r a3 r a2 (a) r a1 (b) Hình 1.1: Mạng tinh thể không gian chiều (a) chiều (b) Hình 1.2 đại lượng xác định ô sơ cấp Mạng tinh thể định nghĩa lặp lại không gian đơn vị cấu trúc gọi ô sơ cấp Gắn với đỉnh ô sơ cấp nguyên tử nhóm nguyên tử Tất đỉnh ô tương đương gọi nút mạng Trong không gian hai chiều ô sơ cấp biễu diễn băng hình đa giác (thường hình đa giác đối xứng) Trong không gian ba chiều cách biễu diễn ô sơ cấp thông qua vect¬ r r r a1 , a , a (hình 1.1), ba vec tơ gọi ba vectơ tịnh tiến sở ba vectơ tịnh tiến sở xác định trục hệ toạ độ tinh thĨ Mét ®iĨm t ý tinh thĨ cã thể r r xác định véc tơ r giống bán kính r thoả mãn điều kiện: r r r r ur r r r ’ = r + n1 a1  n a  n a  r  R (1.1) r r r ur n a  n a  n a  R ®ã 1 2 3 gọi vectơ mạng Tập hợp điểm có bán kính r véctơ r xác định theo (1.1) với tất giá trị n1, n2, n3 lập thành mạng không gian Thường hệ toạ độ tinh thể hệ toạ độ không vuông góc Hình hộp tạo thành từ ba vectơ sở ô sơ cấp mạng Như để mô tả ô sơ cấp tối thiểu ta phải biết đại lượng (ba cạch a,b,c góc , , ) hình 1.2 Các đại lượng gọi thông số ô sơ cấp Thường đơn vị độ dài không dùng m mµ dïng a,b,c (vÝ dơ M(1,1,2) nghÜa lµ M(x=1a, y = 1b, z = 2c) Như vậy, đơn giản mạng hai chiều ô sở biển diễn r r hình bình hành với hai véc tơ tịnh tiến sở a1 , a víi nhiỊu c¸ch chän kh¸c nhau, nh­ng thĨ tÝch cđa ô không đổi hình 2.3 Hình 2.3 Biu din hai chiều mạng đơn tỉnh thể có ô đơn vị II CÁC HỆ TINH THỂ TRONG KHÔNG GIAN 2.1 Hệ tinh thể: Hệ tinh thể nhóm điểm mạng tinh thể (tập hợp phép đối xứng quay đối xứng phản xạ mà điểm mạng tinh thể không biến đối Có 14 mạng thuộc tất hệ tinh thể với nhóm tịnh tiến khác (H.2.4) Hệ tinh thể đơn giản đối xứng cao hệ lập phương, hệ tinh thể khác có tính đối xứng thấp là: hệ sáu phương, hệ bốn phương, hệ ba phương (còn gọi hình mặt thoi), hệ thoi, hệ nghiêng, hệ ba nghiêng Một số nhà tinh thể học coi hệ tinh thể ba phương phần hệ tinh thể sáu phương Cấu trúc tinh thể mạng tinh thể với ô đơn vị nguyên tử có mặt nút mạng đơn vị nói Th«ng th­êng « sơ cấp mạng tinh thể chọn hình hộp, nút mạng nằm vị trí đỉnh đồng thời vị trí nguyên tử Ô sơ cấp chứa nguyên tử đỉnh gọi ô đơn giản hay gọi ô nguyên thuỷ Có nhiều trường hợp ô sơ cấp không chứa nguyên tử đỉnh mà có nguyên tử nằm không gian thể tích (gọi tâm khối), nguyên tử nằm mặt hình hộp (gọi tâm diện tâm đáy) Các cấu trúc tự nhiên mà tính thể tồn hình 2.4 (1,2,3,4,5,6,7): Hệ lập phương (The cubic system) (hình 1.4.1): a = b = c = = = 900 ô sơ cấp có loại với dạng hình lập phương: lập phương nguyên thủy, lập phương tâm khối lập phương tâm mặt (điển hình khoáng vật Pyrite) Hệ tứ giác (the tetragonal system) hình 2.4.2: a = b ≠ c vµ  = β =  = 900 Ô sơ cấp có dạng hình lăng trụ đáy vuông Thường có hai loại ô mạng tứ giác nguyên thuỷ tứ gíc tâm khối (điển hình khoáng vật Siberian) Hệ thoi (the orthorhombic system) hình 2.4.3: a ≠ b ≠ c vµ  = β = = 900 Ô sơ cấp có dạng hình hộp chử nhật với loại khác Thoi, thoi tâm khối, thoi tâm mặt thoi tâm đáy(điển hình khoáng vật Barite) Hệ tam tà (the triclinic system) hình 2.4.4: a b c 900 Ô sơ cấp hình hộp không đối xứng (điển hình khoáng vật Brazilian) Hệ đơn tà (the monoclinic system) hình 2.4.5: a b c = = 900 Ô sơ cấp hình hộp, thường có hai loại đơn tà nguyên thuỷ đơn tà tâm đáy c b c a b (1) c a c b a b a b c c a b a (7) Hình 2.4 Các cấu trúc tự nhiên mà tính thể (điển hình khoáng vật Gypsum) Hệ tam giác (the trigonal system) hình 2.4.6: a = b = c vµ  = β =  < 1200 900 Ô sơ cấp có hình lăng trụ thoi Hệ lục giác (the hexagonal system) hình 2.4.7: a = b ≠ c vµ  = β = 900 ,  = 1200 Khi mét m¹ng cã ô sơ cấp có dạng hình lăng trụ đứng, đáy hình thoi góc 600, để dể nhận tính đối xứng, ta phải ghép ô sơ cấp thêm để trở thành hình lăng trụ đáy hình lục giác đứng có hai nút mạng tâm đáy (điển hình khoáng Apatite) 2.2 Mng Bravais: Mng Bravais tập hợp điểm tạo thành từ điểm theo bước rời rạc xác định véctơ sở Có điều kiện chọn Bravais: Ơ phải mang tính đối xứng cao hệ tinh thể; Ơ có số góc vuông lớn số cạnh số góc phải nhiều nhất; Ơ tích nhỏ Trong khơng gian ba chiều có tồn 14 mạng Bravais (phân biệt với nhóm khơng gian) Tất vật liệu có cấu trúc tinh thể thuộc vào mạng Bravais (khơng tính đến giả tinh thể) 14 mạng tinh thể phân theo Nh­ vËy hÖ có 14 loại ô mạng sơ cấp gọi 14 m¹ng Bravais Hệ tinh thể Mạng tinh thể Ba nghiêng đơn giản tâm đáy đơn giản tâm đáy đơn giản tâm khối Một nghiêng tâm khối tâm mặt Trực thoi Sáu phương Ba phương Bốn phương hệ tinh thể khác đơn giản tâm khối tâm mặt Lập phương Hình 1.5: 14 mạng Bravais phân theo hệ tinh thể khác III TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA MẠNG KHÔNG GIAN – CHỈ SỐ MILER 3.1 TÝnh chất đối xứng mạng không gian Do có tính chất tuần hoàn tạo nên mạng tinh thể, mà mạng không gian bất biến số phép biến đổi, điều thể trùng lặp trở lại ta thực phép biến đổi Khi ®ã ta nãi: m¹ng cã tÝnh ®èi xøng ®èi víi phép biến đổi Tính đối xứng mạng đặc tính quan trọng để dựa vào mà nghiên cứu cấu trúc mạng tính thể Mạng không gian thường có phép biến đổi đối xứng sau: 1) Đối xứng với phép tịnh tiến 2) Đối xứng với phép quay quanh trục xác định 3) Đối xứng với phép nghịch đảo: (phép nghịch đảo phép biến đổi đối xứng, qua vectơ vị trÝ ®ỉi dÊu cho r r r  - r , mạng phải có tâm đối xứng) 4) Đối xứng với phép phản xạ qua số mặt phẳng Hình 7.3 Các cách chọn vectơ sở Nếu phân loại hệ tính thể theo tính chất đối xứng không gian hệ tinh thể phân thành loại với 14 kiểu ô mạng gọi 14 ô mạng Bravais: 3.2 Ch s miller: Vì tính dị hướng tinh thể nên phải có hệ thống ký hiệu thuận tiện để mặt mạng phương mạng Nếu dùng phương pháp thơng thường hình học giải tích, gặp nhiều khó khăn, nên người ta dùng hệ thống ký hiệu Miller Chỉ số miller mặt phẳng tinh thể xác định nghịch đảo giao 10 Ngủªn tư Bo trường hợp trở thành chất nhận (axepto) Khi nguyên tử Bo nhận điện tử vùng hoá trị điện tử chuỷển lên mức lượng chất nhận nằm định xứ gần đỉnh vùng hoá trị hình vẽ 1.5 Do tạp axepto lấy điện tử để tham gia vào liên kết nên vùng hoá trị lại lỗ trống nồng độ lỗ trống chiếm đa số trở thành hạt Ec bán dẫn loạ p Nếu hai loại bán dẫn dono axepto có mặt E đồng thời chất bán dẫn chủ, thành phần hạt tải loại dẫn bán dẫn quy định tạp chất loại có nồng độ cao (n p) tên gọi cho bán dẫn lấy sở loại tạp Khi nồng Ev Hình 1.5: Mức n.lượng axepto bd p độ tải điện hiệu hai nồng độ tạp chất đôno axepto Nđ NA Đa số bán dẫn thực tế bán dẫn loại p n với cách đưa tạp vào có chủ định theo yêu cầu công việc chúng gọi bán dẫn lưỡng tính Tuy nhiên có số bán dẫn n ZnO p nhươ CuO Đ3.2 HIN TNG TIP XC CA BN DN I Lớp chuyển tiếp p - n 1.1 Định nghĩa Lớp chuyển tiếp p-n tạo cách đưa vào khối bán dẫn chủ loại tạp chất loại n bên loại p bên Th«ng th­êng ng­êi ta dïng mét Si tinh khiÕt sau pha tạp đôno P môtk bên tạp axepto (B) bên Khi ta tưởng tượng có miền ngăn p n Hình 2.1 : Lớp chuyển tiếp p-n tưởng tượng cách miền p miền n chất bán dẫn hình 2.1 Cấu tróc nh­ vËy gäi lµ líp chun tiÕp p – n, nồng độ đôno Nđ axepto NA vào cở 1022 m-3 so víi nång ®é chÊt chđ 1028m-3 2.2 Các hạt tải lớp p-n Trong bán dẫn pha tạp hạt tải xếp thành hai loại, chúng hình thành hai nguyên nhân: + Các hạt tải hình thành chủ yếu ion hoá nguyên tử tạp chất Tại nhiệt độ phò lượng nhiệt lớn nhiều so với mức lượng tạp chất, nguyên tử p hpn n enp Hình 2.2: Các dòng khuếch tán hạt tải lớp p-n 64 tạp chất thực tế bị ion hoá hoàn toàndo xem nồng độ ®iƯn tư miỊn n b»ng nång ®é t¹p chÊt đono nn = Nđ tương tự pp = NA + Ngoài miền có hạt tải không bản, chúng xuất dẫn diện riêng bán dẫn Vì thực tế bán dẫn loại p dù chủ yếu lỗ trống p tồn điện tử với nồng độ np ngược lại bán dẫn loại n có lỗ trống với nồng độ pn Mối quan hệ hạt tải bản, không nồng độ hạt tải ni thể biểu thức: nppp = pnnn = ni2 (2.2.) Nếu tính định lượng điều kiện thường: nn = np = 1022m-3 ni = 1019m-3 pn = pp = 1016m-3 II CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC HẠT TẢI 2.1 ChuyÓn động hạt tải bản, dòng khuyếch tán Từ ví dụ định lượng trên, ta thấy nồng độ lỗ trống miền p lớn nồng độ lỗ trống miền n bậc ngược lại nồng độ điện tử miền n lớn nồng độ lỗ trống miền p bậc Sự chênh lệch nồng độ loại hạt tải làm xuất miền tiếp xúc tượng khuếch tán hạt tải hình 2.3: nn>>np pp >> pn (2.3) Kết miền tiếp xúc có tượng xãy sau: p - ++ ++ ++ ++ n H×nh 2.3: Sù tạo thành vùng ngèo lớp p-n + Một dòng ®iƯn tư (e) khch t¸n t­ê miỊn n sang miỊn p (ký hiêu en p) + Một dòng lỗ trống (h) khch t¸n tõ miỊn p qua miỊn n (ký hiệu hpn) 2.2 Vùng ngèo hạt tải, tiếp xúc Các điện tích khuếch tá chuyển động chậm dần vào sâu lòng bán dẫn sau dừng lại bờ Do miền n trở thành tích điện dương miền p tích điện âm, vùng không hạt tải tự gọi miền ngèo hình 2.3 Các điện tích đóng cố định hai bên vùng nghèo gây Vx V0 x hiệu điện tiÕp xóc cã ®iƯn tr­êng Enp h­íng tõ miỊn n sang p xuyên qua lớp chuyễn tếp hình 2.4 ®iƯn tr­êng Enp cã chiỊu chèng l¹i sù tiÕp tơc khuếch tán hạt tải d (ví dơ ë 300K np = 1016m-3 th× thÕ tiÕp xúc V0 = Hình 2.4: Sự tạo thành tiếp xúc 0,45 eV) 2.3 Hạt tải không bản, dòng trôi 65 Trong xuất dòng khuếch tán hạt tải tạo thành điện trường Enp vùng tiếp xúc p-n, có loại hạt tải không Ikh.tán p bản, điện tử từ miền p lỗ trống n Itrôi mìên n chún tác dụng điện Hình 2.5: Dòng khuếch tán dòng trôi líp p-n tr­êng Enp? Ta thÊy r»ng ®iƯn tr­êng hướng từ n sang p tạo điều kiện để hạt tải không chuyển động thành daòng qua miền tiếp xúc: - Dòng lỗ trống trôi theo chiều điện trường từ n sang p (hnp) - Dòng điện tử trôi ngược với chiều điện trường từ p sang n (epn) Các hạt tải chuyển động trôi trheo điện - + trường nên gọi dòng trôi Dòng trôi ngượck vpí dòng khuếch tán, tăng tiếp xúc tăng p Quá trình khuếch tán tiếp diễn cho ®Õn cã - ++ ++ ++ ++ n Hình 2.6: Lớp p-n mắc ngược cân thiết lập dòng trôi dòng khuếch tán lúc hai dòng bù trừ cho (bằng độ lớn ngược hướng): enp= epn hpn = hnp (2.5) Cường độ dòng: Itroi(np) = hnp+epn = Inp/troi (2.6) Ikh.tan(pn) = hpn+ enp = Ipn/kh.tán (2.7) Chúng hoàn toàn bù trừ hình 7.25: Tóm lại thiết lập cân lớp tiếp xúc pcó: n I + Một tiếp xúc hai đầu + Một điện trường hướng từ np + Dòng khuếch tán cân hoàn toàn với dòng O trôi Lớp chuyển tiếp p-n sử dụng nhiều linh kiƯn ®iƯn tư Ta sÏ xÐt mét sè linh V Hình 2.7: Đặc trưng V-I lớp chuyển tiếp p-n kiƯn cã mét líp tiÕp xóc (hai cùc-diot) vµ hai líp tiÕp xóc (triot-tranzitor) III DỤNG CỤ BÁN DẪN 3.1 Điot bán dẫn - T¸c dơng chØnh l­u cđa điot Bản thân nội miền tiếp xúc bán dẫn có điện điện trường thấy trên, dẫn đến lớp tiếp xúc p-n có tác dụng chỉnh lưu tốt: cho dòng qua hoàn toàn theo chhiều xác định mà không cho theoi chiều ngược laị 66 a) Lớp p-n mắc ngược Ta mắc ngược tinh thể bán bán dẫn + vào điện trường hình 2.8, Suất điện động Vng có cực dương mắc vào miền n cực âm vào miền p Suất điện động chiều với V0 cộng thgêm vào hiệu diện tiếp xúc p - ++ ++ ++ ++ n H×nh 2.8: Líp p-n mắc ngược làm cho rào cao Do dòng khuếch tán giảm rõ rệt Còn dòng trôi độc lập với cân theo biễu thức (2.8) bị phá vỡ, dòng Ing (Ing = Ipkh.tán In trôi) I nhỏ mạch Ngoài bề rộng vùng ngèo tăng lên Đặc trưng V-I lớp p-n coi I = (ứng với trục V 0 hình 2.7 Tóm lại: mắc thuận diôt cho dòng qua hoàn toàn mắc ngược không cho dòng chạy qua điot Điot nh­ mét c¸i kho¸ cã t¸c dơng chØnh l­u dong điện, cho đầu vào sóng hình sin (hình 2.9(a)) đầu ta có dạng sóng hình sin (hình 2.9(b)) 3.2 iot Zener Khi hiệu điện ngược đạt cao, lớp chuyễn tiếp p n bị đánh thủng, cường độ dòng ngược tăng nhanh, hiƯu ®iƯn thÕ Ýt thay ®ỉi điot bị hỏng Tuy nhiên phương pháp pha tạp đặc biệt, chế tạo điót bị đánh thủng không bị hỏng (đáng thủng thuận nghịch) điót zener Đi ốt zener dùng I mạch ổn áp tốt 3.3 Điốt Biến dung Khi điôt phân cực ngược, lớp chuỷen tiÕp p – n cã ®iƯn trë lín, BỊ réng cđa líp Rh c Uz o V Un R g Hình 2.10 : đặc tuyến V - A điôt zener mạch ổn áp dùng điot zener 67 chuyển tiếp phụ thuộc vào hiệu điện ngược đặt vào Nh­ vËy líp chun tiÕp cã t¸c dơng nh­ mét tụ điện Điện dụng tụ phụ thuộc vào hiệu điện đặt vào Ta chế tạo điót đặc biệt có điện dung đáng kế thay cho ácc tụ điện có điện dung thay đổi gọi điót biến dung Đi ốt biến dung dùng nhiều lĩnh vực cao tần có kích thước nhỏ điệ dung kí sinh nhỏ độ tin cậy cao thich hợp cho công nghệ đại 3.4 Điốt phát quang Khi điốt chế tạo chất bán dẫn thích hợp, có dòng điện thuận chất bán dẫn phát quang (LED light emiting diode) Màu sắc ánh sáng phát phụ thuộc vào chất dẫn cách pha tạp Điốt phát quang tiêu thụ lượng bé, bền thường dùng làm thị đèn báo Laser diot hoạt động sở lớp chuyển tiếp p-n 3.5 Phôtođiốt ánh sáng chiếu vào lớp chuyển tiếp p-n tạo thêm điện tử lỗ trống Do có hiệu điện ngược, di=òng ngược tăng lên rõ rệt, ánh sáng mạnh dòng ngược lớn dùng hiệu ứng để chế tạo cảm biến quang gọi photo diot CHNG IV SIấU DN IN Hạt tải siêu dẫn cặp điện tử cặp lỗ trống có Spin xung lượng đối 2e(k,-k) Cặp điện tử cặp Cupơ Do tổng spin cặp nên chúng hạt bozon Hệ điện tử dẫn trạng thái siêu dẫn có xu hướng kết cặp đôi tạo thành hệ cặp cupơ cac cặp Cupơ cớ kích thước cở 10-14cm, lớn so với khoảng cách điện tở kim loại vị chúng đan lồng tạo thành khối nguyên vẹn tập thể hạt tải liên kết Đ4.1 phân loại vật rắn theo tÝnh dÉn ®iƯn Dïng lÝ thut vïng NĂNG LƯỢNG Trong vùng lượng ứng với trạng thái lượng tử điện tử nguyên tử cô lập với số lượng tử quỹ đạo l có tối đa 2(2l + 1)N trạng thái Theo nguyên lý Pauli, trạng thái có tối đa điện tử số điện tử tối đa 2(2l +1)N điện tử Trong vùng lấp đầy không trạng thái tự 68 điện tử nơi khác chuyển đến tất trạng thái lượng có điện tử với spin đối song song chiếm giữ Vì điện tử vùng tham gia dẫn điện Vùng bị lấp đầy gọi vùng hoá trị Nếu vùng lượng nhiều mức trống, điện tử vùng a lân cận chuyển đến có tác dụng điện trường nghĩa điện tử tham gia dẫn điện Vùng có trống nhươ gọi vùng dẫn Vùng trống Vùng lấp đầy b c Eg Hình 1.1 Sắp xếp vùng lượng nguyên tố Như tính chất dẫn điện tinh thể định chiếm vùng lượng xếp đặt tương đối cđa c¸c vïng Trong tinh thĨ, nÕu c¸c ion nót mạng nguyên tố hoá trị 1, nguyên tử đóng góp điện tử vào vùng dẫn vùng dẫn chiếm nửa (hình 1.1a) Tinh thể dẫn điện tốt Trong trường hợp ion nút mạng nguyên tố hoá trị nghĩa nguyên tử đongs góp điện tử vào vùng lượng nên số nguyên tử vùng 2N vùng lượng bị lấp đầy, nguyên tắc tinh thể không dẫn điện Tuy nhiên, tinh thể kim loại lí vùng lượng ứng với nguyên tử thường cao vùng trống vào vùng phủ phần lên vùng lượng bị chiếm đầy (phần ứng với vùng lượng bị lấp đầy thấp hơn) Như hai vùng phía không phủ lẫn xãy hai tr­êng hỵp sau: * NÕu bỊ réng vïng cÊm Eg < đến eV (hình 1.1b) T 0K chuyển động nhiệt làm số điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Những điện tử này, nằm vùng dẫn tham gia dẫn điện gọi điện tử tự hay điện tử dẫn Mặt khác trạng thái trống vùng hoá trị điện tử dẫn chuyển lên mức cao để lại củng tham gia vào dẫn điện Như tham gia dẫn điện loại tính thể có hai loại hạt mạng điện, điện tử mang điện âm lỗ trống mang điện dương Những tinh thể gọi bán dẫn Trong trường hợp Eg >> 3eV (hình 1.1c), chuyển động nhiệt không đủ để đưa điện tử lên vùng dẫn số lượng hạt tham gia dẫn điện coi không đáng kể tinh thể loại hoàn toàn không dẫn điện Những tinh gọi điện môi Như vậy, theo quan niƯm cđa thut vïng ta cã thĨ ph©n biƯt vËt rắn làm loại: Kim loại nguyên tè nhãm (Cu, Na, K ) B¸n dÉn (Si, As ) điện môi C 69 ) Trong thực tế trực quan ta phân biệt loại trên sở thông số thực nghiệm như: mật độ hạt tải tự do, điện trở suất nhiệt độ phòng, phụ thuộc nhiệt độ vào điện trở R(T) Đ4.2 Kim loại Kim loại với đặc trưng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ dẻo cao Các tính chất giải thích tốt định luật vật lí cổ điển định luật Ohm, Jun Lenxơ I Lý thuyết cổ điển êlectro tự Quan niêm cho kim loại có êlectron tự do, không liên kết với nguyên tử riêng biệt phát triển thuyết êlectron cổ điển Theo Drude rong kim loại êlectron tạo thành chất khí êlectron đặc thù tham gia vào qúa trình nhiệt động tuân theo định luật nhiệt động häc nh­ khÝ lÝ t­ëng Tõ ®ã ng­êi suy lượng trung bình êlectron xác định từ nhiệt độ vật: E= kT (3.1) Các êlectron chuyển động hỗn loạn, điện tích trung b×nh cđa chóng mang qua mét tiÕt diƯn bÊt k× đơn vị thời gian Nhưng có điện trường tác dụng vận tốc chuyển động nhiệt êlectron bị đẫy với vận tốc theo hướng ngược với điện trường Vận tốc trung bình vk (còn gọi vận tốc kéo) xác định từ: vk = e v k max  E 2m (3.2) ®ã E điện trường thời gian trung bình quảng đường tự hai lần va chạm Hệ số tỷ lệ không phụ thuộc vào trường đặc trưng chất Nó gọi độ linh động êlectron vk = E với  = e el  2m 2mv n (3.3) l đọ dài quảng đường vận tốc chuyển động nhiệt Từ ta thu công thức Drude: e n j  env k  enn  E víi   2m (3.4) Khi nhiƯt độ tăng, độ dài quảng đường tự giảm vận tốc tăng, thời gian quảng đường tự giảm điện trở tăng Việc giải thích tượng điện trở kim loại thành công lớn lý thuyết cổ điển Mặc dù 70 quan niện khí êlectron không tương tác không xác chúng mang điện tích tương tác với êlectron khác Tuy nhiên lý thuyết cổ điển gặp khó khăn việc đưa biểu thức nhiệt dung Để giả thích đầy đủ tính chất kim loại ta cần có thêm lí thuyết lượng tử mà cụ thể theo quan điểm lí thuyết vùng lượng II Lý thuyết vùng lượng êlectron tự Theo lí thuyết vùng lượng, kim loại, mức lượng cao bị ®iƯn tư chiÕm n»m ë gi÷a mét vïng cho phép, lại bị chiếm đầy điện tử hoá trị Ta biết kim loại điện tử hoá trị bị tập thể hoá không thuộc môt nguyên tử đặt tên điện tử dẫn, chúng tạo thành lớp khí điện tử Tính chất dẫn điện tốt kim loại phụ thuộc vào lớp khí điện tử Vì tập hợp điện tử tạo thành hệ hạt vi mô có tính lượng tử chúng tuận theo quy luật phân bố đó, quy luật phân bố thể trạng thái hệ Mặt khác tập thể hoá êlectreon dẫn đến lực đặc biệt xuất đồng thời xuất loại liên kết liên kết kim loại nguyên tử mạng Liên kết trường hợp giới hạn cđa hiƯu øng trao ®ỉi, Khi sù trao ®ỉi x·y nguyên tử riêng biệt mà nguyên tử mạng Điều cho phÐp ta cã thĨ gi¶i thÝch tèt mét sè vấn đề cụ thể liên quan đến kim loại 2.1 Trạng thái cân khí điện tử - Mức Fermi 2.1.1 Kim loại điện trường Khi điện trường, khí điện tử vật dẫn trạng thái cân tuận theo thống kê Fermi - Dirac ta biết với phân bè: f(E) = e ( i  ) kT (3.5) f(E) xác suất để điều kiện cân nhiệt nhiệt độ T trạng thái có lượng E bị điện tử chiếm giữ Khi T = 0K hàm phân bố 3.5 nhận giá trị: f(E) = E(k) (0 hoá học ë T = 0K) KÝ hiÖu 0 = EF gäi lượng Fermi Như 0K hoá học có giá trị lượng Fermi nhiệt độ Đồ thị hàm f(E) hình 1.2 cho thấy 0K hàm phân bố giảm đột ngột từ xuống lượng EF = = E f(E) T=0 T1 T2 >T1 E = EF E Hình 1.2 Phân bố Fermi-Dirac cho khí điện tử T = T >0 71 Để thấy rõ mức lượng Fermi, ta hình dung ®iƯn tư tù kim lo¹i nh­ n»m hgố Để vượt hố phải tiêu tốn công để thắng liên kết giữ chúng lại tinh thể Giả sử khí có N hạt, theo nguyên lía Pauli mức lượng cã hai ®iƯn tư cã spin song ®èi song song điện tự bắt dầu chiếm đầy từ mức thấp đến mức cao Mức lấy làm gốc = đáy vùng mức cuối N/2, hình 1.2 Mức cao bị chiếm khí điện tử gọi mức Fermi Đối với ®ång Cu (Ef = 7eV) VËn tèc ®iƯn tư øng với lượng Fermi gọi vận tốc Fermi Nói cách khác T = 0K mức lượng mức Fermi bị lấp đầy, lúc hàm phân bố có xác suất f(E)= mức bị trống f(E) = Tuy nhiên cần lưu ý hàm phân bố Fermi thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng, điện tử bị kÝch N/2 thÝch cã thÓ chuyển lên mức có lượng cao có điện tử dải hẹp lượng EF kBT cạnh mức Fermi bị kích thích nhiệt mức cao cảm giác kích thích mức xung quanh bị lấp đầy không chổ cho chúng Hình 1.3 Các mức lượng bị điện tử chiếm đầy chuyển lên nữa, ta nói lượng nhiệt không đủ để kích thích chúng hình 1.3 Ta đánh giá số điện tử bị kích thich N Tại nhiệt độ phòng kT = 0,025eV EF = đến 10eV th× N/N < 1%, Khi T = 1000K th× N/N = ®Õn 2% Nh­ vËy thùc tÕ chØ có số điện tử nằm gần mức Fermi bị kích thích nhiệt điều thể mức lượng Fermi bị nhoè có bề rộng 2kT 2.1.2 Khi kim loại đặt điện trường Mặc dù kim loại không đặt điện trường điện tử chuyển động với vận tèc rÊt lín (cë 106m/s t¹i 300K), nh­ng tÝnh trung b×nh theo thêi gian vỊ mét h­íng th× vËn tèc Khi có điện trường với chuyuển động nhiệt điện tử còpn tham gia chuyển động có hướng tác dụng điện trường tạo thành dòng điện Vận tốc chuyển động có hướng tác dụng điện trường gọi vận tốc trôi vận tốc trung bình điện tử trôi qua vật dẫn hướng, vận tốc hoàn ur toàn khác vận tốc tốc chuyển động nhiệt Giả sử điện trường có độ lơna E r ur điện tử chịu tác dụng lực F e E làm cho điện tử có thêm gia tốc có hướng ngược với hướng điện trường Do có va chạm tán xạ dao động nhiệt mạng tính thể sai hỏng mạng nên vận tốc điện tử không tăng điều tương 72 đương với cản trở chuyển động điện tử ma sát xuất chuyển động học Sau thời gian, có cân lực điện trường lực ma sát này, vận tốc trôi điện tử ổn định giới hạn Trạng thái ứng với dòng điện không đổi thiết lập kim loại ta gọi trạng thái dừng mặt khác thời gian đặc trưng cho trình ngược lại Với giả thiết vật dẫn ur trạng thái dừng với dòng điện không đổi tác dụng điện trường E , ta ngừng tác dụng điện trường sau thời gian hệ điện tử lại trở trạng thái ban đầu Nguyên nhân hồi phục trạng thái va chạm tán xạ điện tử lên khuyết tật, tạp chât phonon Thời gian gọi thời gian hồi phục, kim loại thông thường thời gian hồi phục cở 10-14s Mặc dụ tất điện tử dẫn tham gia vào trìng dẫn điện , thực tế có đện tử lớp tham gia chúng mức trống để thực chuyển dời thiết lập giá trị tới hạn vận tốc trôi, điện tử nằm sâu mức bị lấp đầy nên dịch chuyển Vận tốc trôi điện tử cở 10-5m/s nhỏ vận tốc chuyển động nhiệt chóng ë møc Fermi cë 1011 lÇn Thêi gian håi phôc  cã ý nghÜa quan träng sù dÉn điện kim loại, đặc trưng cho trình tán xạ điện tử ứng với lượng Fermi Quãng đường tự trung bình (giữa hai lần va chạm) là: lF = FF có giá trị lớn so víi h»ng sè m¹ng cđa tinh thĨ cã thĨ, giải thích sở quan điểm tán xạ điện tử sóng ne m Độ dẫn điện kim loại xác định: điện trở suất víi m, m ne  e, n lµ khèi lượng, điện tích mật độ điện tử, thời gian hồi phục, khối lượng điện tử biểu thức thay khối lượng hiệu dụng có giá trị phụ thuộc vào phương tinh thể Đ4.3 Siêu dẫn kim loại 3.1 NGUYÊN NHÂN GÂY RA ĐIỆN TRỞ TRONG KIM LOẠI NÕu điện tử chuyển động tinh thể tuần hoàn lÝ t­ëng, tÝnh chÊt sãng cđa nã mµ nã 0,16 R() 0,09 chuyển động mà không mắc phải cản trở T(K)73 Hình 1.4: Sự phụ thuộc điện trở thuỷ ngân vào nhiệt độ qua tinh thể, quãng đường tự trung bình lF phải lớn vô điện trở kim loại Tuy nhiên thược tế tinh thể không lí tưởng, sai lêch khỏi tính tuần hoàn lí tưởng tinh thể thực (deffect) khiến cho điện tử bị va chạm tán xạ trình chuyển động nguyên nhân gây điện trở kim loại Các tán xạ thường xãy vật rắn kể đến: + Tán xạ dao động mạng tinh thể + Tán xạ sai hỏng mạng + Tán xạ nguyên tử tạp chất lạ + Tán xạ biên tính thể Các nguyên nhân có ảnh hưởng đến tính dẫn điện kim loại khác nhau, biến đổi theo nhiệt độ, áp suất khác Các thông tin phụ thuộc điện trở nhiệt độ phản ánh tính chất kim loại Như vậy, kim loại thực tÕ bao giê còng cã ®iƯn trë, ®ã ®iƯn tử chuyển động có tán xạ Vấn đề đặt phải tránh tán xạ qúa trình chuyển động điện tử 3.2 IN TR BNG KHễNG (R = 0) Năm 1911, Kamerling Ơnes phát rằng: nhiệt độ T < 4,2K thuỷ ngân dẫn điện với điện trở hoàn toàn trạng thái siêu dẫn thuỷ ngân Từ tới nhà vật lý không ngừng tìm kiếm vật liệu có đặc tính Ta định nghĩa: Vật mà nhiệt độ Tc có điện trở gọi vật siêu dẫn Trạng thái nhiệt độ TTc Vật liệu siêu dẫn thuỷ ngân có đường cong phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ hình 1.4 Ta thấy vùng T = Tc = 4,2K R giảm đột ngột đến Tại nhiệt độ Tc vật chuyển trạng thái từ thuỷ ngần thường qua thuỷ ngân siêu dẫn Hiện người ta tìm nhiều trạng thái siêu dÉn cđa c¸c chÊt kh¸c nh­ Nb-Sr; Nb-Ge; Al, Zn; Nb Như vật rắn siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn Tc, nhiệt độ điện trở vật 0, dòng điện chạy vật liệu không tắt không toả nhiệt Cac svật liệu siêu dẫn không tiêu hao lượng truyền nên chúng có ý nghĩa kinh tế cao Tuy nhiên điều kiện nhiệt độ thử thách lớn để chế tạo nó, nên việc tìm vật liệu có tính siêu dẫn nhiệt độ cao vấn đề cấp thiết đề tài không giới hạn nhà khoa học vật liệu Năm 1993 hợp chất HgBaCaCuO có nhiệt độ tới hạn Tc = 135-150K t×m thÊy 3.3 HẠT TẢI TRONG SIÊU DẪN, CẶP CUPƠ 74 Các tính chất đặc biệt siêu dẫn giải thích mô hình lý thuyết Bardeen, Coopơ Schrrieffer gọi tắt BCS 1957 Theo lý thuyết hạt tải siêu dẫn cặp điện tử cặp lỗ trống có Spin xung lượng đối 2e(k,-k) Cặp điện tử cặp Cupơ Do tổng spin cặp nên chúng hạt bozon Hệ điện tử dẫn trạng thái siêu dẫn có xu hướng kết cặp đôi tạo thành hệ cặp cupơ cac cặp Cupơ cí kÝch th­íc cë 10-14cm, rÊt lín so víi kho¶ng cách điện tở kim loại vị chúng đan lồng tạo thành khối nguyên vẹn tập thể hạt tải liên kết Khi có điện trường khối đan lồng chuyễn động nên không gấy tán xạ hay điện trở tinh thể ta có siêu dẫn nhiên điêù kiện xãy nhiệt độ đủ thấp từ trường yếu Khi nhiệt độ tăng từ trường mạnh, nămng lượng kích thích lớn lượng liên kết cupơ làm tách cặp cupơ thành điện tử riêng biêt vật liệu tính siêu dẫn Đó chuyển pha siêu dẫn - thường qua nhiệt độ tới hạn Tuy nhiªn mét sè vËt liƯu cã tÝnh siªu dÉn nhiệt độ cao cần có lý thuyết hợp lí để giải thích điều mà đến vÉn bâ ngâ 3.4 SIÊU DẪN Ở NHIỆT ĐỘ CAO – CƠ CHẾ Các thí nghiệm tán xạ neutron tiết lộ manh mối quan trọng việc họ vật liệu siêu dẫn sắt phát gần lại có tính siêu dẫn nhiệt độ cao Các đo đạc tiến hành nhóm nhà khoa học Hoa Kỳ Anh quốc “khe lượng siêu dẫn” vật liệu khác hẳn so với kiểu cách siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống siêu dẫn dựa hợp chất đồng (Cuprate superconductors) Điều dẫn đến chế siêu dẫn xây dựng Hiện tượng siêu dẫn xảy vật liệu bị làm lạnh nhiệt độ định điện tử dẫn vật liệu kết thành cặp truyền dẫn mà khơng có điện trở Khe lượng siêu dẫn, tính chất vật lý quan trọng chất siêu dẫn, lượng cần thiết để phá hủy số cặp Thật vậy, đo đạc cách xác chất khe lượng đóng vai trò định việc hiểu chất vật lý tượng siêu dẫn Trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống ví dụ chì, nhà vật lý biết khe lượng đối xứng hồn hảo chiều mômen xung lượng điện tử Các vật liệu siêu dẫn mơ tả lý thuyết siêu dẫn BCS phát triển John Bardeen, Leon Cooper Robert Schrieffer vào năm 1957 Lý thuyết cặp điện 75 tử tạo kết tương tác điện tử với dao động mạng tinh thể vật liệu Tuy nhiên, vật liệu khác ví dụ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa hợp chất ôxit đồng (cuprate superconductors), khe lượng khơng đối xứng cách hồn hảo, phân chia thành thùy riêng biệt mô tả đối xứng sóng d (d-wave symmetry) Do lý thuyết BCS đòi hỏi khe lượng đối xứng, lý thuyết khơng thể sử dụng để lý giải tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao Trong dường có mối tương quan lớn khe lượng với tính chất đối xứng bất thường tính siêu dẫn nhiệt độ cao, nhà vật lý cố gắng hiểu chế kết cặp vật liệu Đối xứng hay không đối xứng? Vấn đề bị phức tạp hóa Hình Cấu trúc tinh thể hệ hợp chất Ba0.6K0.4Fe2As2 (Nature 456 930) mà họ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hợp chất sắt-arsene nhà vật lý phát năm trước khơng có tính chất khớp với mơ hình BCS hay kiểu ơxit đồng Khi đo đạc khe lượng vật liệu kỹ thuật chuẩn phổ phát xạ phân giải góc (Angleresolved photoemission spectroscopy - ARPES), khe lượng xuất dạng đối xứng lý thuyết BCS bất lực việc giải thích chúng lại mang tính siêu dẫn nhiệt độ cao Một số nhà vật lý nhận vật liệu siêu dẫn có khe lượng đối xứng hoàn hảo mặt độ lớn, với trạng thái dương cho vài điện tử trạng thái âm cho số khác Một khe lượng với đối xứng "S±" liên quan đến tính chất nhiệt độ cao hợp chất sắt-arsene Mới đây, Ray Osborn cộng Phòng thí nghiệm Quốc gia Argons Oak Ridge, Đại học Northwestern (Hoa Kỳ), cộng Phòng thí nghiệm Rurtherford Appletion (RAL, Anh quốc) sử dụng Hình Kích thích spin cộng hưởng vật liệu kỹ thuật tán xạ netron không Ba0.6K0.4Fe2As2 thông qua đo đạc tán xạ neutron không đàn hồi với chùm neutron tới có lượng đàn hồi để tìm 60 meV nhiệt độ K (a) 50 K (b) 76 chứng thực nghiệm cho đối xứng S± vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sắt (Ba0.6K0.4Fe2As2) Merlin tiết lộ kích thích từ Nhóm sử dụng phổ kế Merlin hệ thiết bị tán xạ neutron ISIS RAL Chùm neutron xung sử dụng để bắn phá vật liệu, phân bố lượng xung lượng neutron tán xạ đo đạc Nhóm tìm neutron tạo kích thích từ vật liệu giá trị xung lượng lượng mà họ tin xảy khe lượng có đối xứng S± Theo Osborn, đối xứng chưa phát trước kỹ thuật ARPES không nhạy với trạng thái khe Osbon phát biểu physicsworld.com đối xứng S± “có hệ sâu sắc cho chất tương tác cặp” Không giống tương tác BCS, tương tác hút khoảng cách gần, Osbon nói đối xứng S± có ngụ ý chế cặp vật liệu siêu dẫn tương tác đẩy khoảng cách gần tương tác hút khoảng cách xa “Đó thơng tin quan trọng cho nhà lý thuyết” – Osbon nói, cảnh báo “Nó khơng nói chế xác thực gì?” Theo Igor Mazin Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Washington, phát có nghĩa nhiều khả chế tạo tính siêu dẫn vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sắt-arsene, khác hẳn với chế vật liệu siêu dẫn hợp chất đồng siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống Mazin đối xứng S± đồng nghĩa với việc từ tính tạo tương tác cặp hiểu cách rõ ràng tronng vật liệu sắt-arsene then chốt việc hiểu tính siêu dẫn chúng Osbon đồng nghiệp lập kế hoạch để thực thêm thí nghiệm nhiễu xạ neutron mẫu đơn tinh thể, mà có khả tiết lộ thêm nhiều thơng tin lý thú Có thể xem chi tiết cơng trình vừa cơng bố 3.5 TÍNH CHẤT TỪ TRONG SIÊU DẪN VÀ ỨNG DỤNG VËt liƯu siªu dẫn thường kèm theo nhiều tính chất từ đặc biệt: Từ trường yếu thấm sâu vào vật liệu cở 10-6 cm (gọi độ sâu Lơnđơn), thể tích xem có cảm ứng từ B = Vật liệu siêu dẫn từ trường yếu khái hÇu hÕt thĨ tÝch cđa nã HiƯu øng gọi hiệu ứng Mayxnơ phát năm 1933 Do tính chất mà siêu dẫn gọi nghịch từ lý tưởng đực sử dụng làm chắn từ với độ che chắn cao làm đệm từ giao thông Ngòi siêu dẫn ứng dụng đo đạc, vũ trụ, lượng CU HI ễN TP Chng minh giới tồn trục đối xứng bậc 1, 2, 3, Chứng minh hệ số dày đặc M ( tỷ số thể tích ngun tử chiếm mạng thể tích mạng) mạng lục giác xếp chặt lập phương tâm mặt 0,47 77 Trình bày kết phép gần liên kết yếu Xác định hệ thức tán sắc dao động mạng chiều loại hai loại NT Định nghĩa: trục đối xứng, góc quay sở, bậc đối xứng Liệt kê tất trục đối xứng đa diện tinh thể lập phương Trình bày kết phép gần liên kết mạnh Tìm ký hiệu phương tinh thể [100], [111], [110] mặt tinh thể (100), (111), (110) ô tinh thể lập phương Chứng minh tỉ số c/a mạng lục giác xếp chặt lý tưởng Từ kết phép gần liên kết yếu, chứng minh sóng điện tử bị phản xạ biên vùng Brillouin 10 Hãy chứng tỏ tinh thể thực, nhiệt độ T ≠ 0K luôn tồn sai hỏng 11 Phonon gì? Trình bày đặc tính Phonon? 12 Từ biểu thức lượng điện tử phép gần liên kết mạnh, áp dụng vào mạng lập phương đơn giản để xác định độ rộng vùng lượng phép 13 Phân biệt tính sắt điện, áp điện hỏa điện 14 Thế mặt đối xứng? Cho ví dụ tinh thể lập phương có mặt đối xứng? 15 Xác định nhiệt dung khí điện tử đo nhiệt độ phòng 16 Nêu đặc điểm chất sắt từ? 17 Thế sai hỏng điểm? Hãy xác định nồng độ sai hỏng Schottky 18 Trình bày chất bán dẫn bán dẫn tạp? 19 Giải thích phân biệt chất dẫn điện, chất cách điện chất bán dẫn dựa vào lý thuyết vùng lượng 20 Nêu đặc điểm cấu trúc đơmen sắt từ? 21 Trình bày ý nghĩa vật lý khối lượng hiệu dụng 22 Định nghĩa: trục đối xứng, góc quay sở, bậc đối xứng liệt kê tất trục đối xứng đa diện tinh thể lập phương Tài liệu tham khảo: Vũ Đình Cự Vật lý chất rắn NXB Khoa học Kỹ thuật, 1997 Võ Duy Dần, Phan Đình Giớ Vật lý chất rắn đại cương TTĐTTX-ĐH Huế, 2002 78 ... tích vật rắn tạo bền vững theo thời gian tuỳ ý Vì chất rắn trật tự xa đặc trưng cho tính chất chất Khi nhiệt độ hay áp suất vật rắn thay đổi lớn, trật tự xết vật rắn thay đổi tạo biến dạng vật rắn. .. cứu tính chất vật rắn ta xét mối liên kết phân tử, nguyên tử cấu tạo trì vật rắn II LIấN KT TRONG VT RN Các vật rắn có tính định hình trì mối liên kết hạt cấu thành nên vật rắn Khi chất rắn ổn... Chương 2: NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT RẮN 2.1 Những tính chất học tinh thể 2.2 Biến dạng tinh thể, Định luật Hooke tổng quát 2.3 Những tính chất nhiệt vật rắn 2.4 Lý thuyết điện tử vật rắn (kim loại, điện