CHẤT RẮN KẾT TINH
9.2 CẤU TRÚC TINH THỂ
9.2.1 Những loại mạng tinh thể
9.2.1.1 Các đặc trưng chung của mạng tinh thể
Về mặt hình học có thể coi tinh thể là một đa diện: một hình khối giới hạn bởi các mặt bờ.
+ Mạng tinh thể: Do liên kết phân tử giữa các hạt bên trong tinh thể được phân bố theo một trật tự nhất định, tuần hoàn theo cả 3 chiều trong không gian tạo thành mạng tinh thể chất rắn.
+ Các định nghĩa khác:
- Nút mạng: các hạt hình thành tinh thể nằm ở nút mạng
- Hàng mạng: nút mạng nằm trên một đường thẳng gọi là hàng mạng - Mặt mạng: các nút mạng nằm trên một mặt phẳng gọi là mặt mạng
- Ô mạng: các mặt mạng chia cắt không gian thành những khối nhỏ giống hệt được gọi là ô mạng
- Ô mạng cơ sở: ô mạng nhỏ nhất phản ánh được cấu trúc toàn bộ mạng được gọi là ô mạng cơ sở.
. a , b , c : ba vectơ cơ sở.
. Độ dài a, b, c : các chu kỳ mạng . Các góc α,β,γ giữa các cặp vectơ cơ sở : hằng số mạng.
Có thể tạo nên mạng tinh thể bằng cách dịch chuyển ô mạng cơ sở dọc theo 3 phương với khoảng dịch chuyển bằng các vectơ a , b , c .
9.2.1.2 Phân loại mạng tinh thể
Nhà tinh thể học người Pháp Bravais cho rằng về cơ bản chỉ có 14 loại mạng tinh thể được đặc trưng bởi 14 ô mạng cơ sở khác nhau; 14 ô mạng nầy được xếp thành 7 hệ như sau :
TT HỆ GÓC TRỤC
1 Lập phương α = β = γ = 90o a = b = c 2 Bốn phương α = β = γ = 90o a = b ≠ c 3 Sáu phương α = β = 90o
α = 120o
a = b ≠ c
4 Mặt thoi α = β = γ ≠ 90o a = b = c 5 Trực thoi α = β = γ = 90o a ≠ b ≠ c 6 Một nghiêng α = γ = 90o
β ≠ 90o
a ≠ b ≠ c
7 Ba nghiêng α ≠ β ≠ γ ≠ 90o a ≠ b ≠ c
Hỗnh 9.2
Hỗnh 9.3
Đa phần tinh thể của các nguyên tố hóa học thuộc hệ lập phương (35 nguyên tố), một số khác thuộc loại mạng sáu phương, trong đó có cacbon graphit (than chì).
9.2.2 Những mạng vật lý
Ngoài sự khác biệt có tính hình học của mạng tinh thể, khi chú ý đến khía cạnh vật lý: bản chất các hạt tạo thành mạng, các lực tác dụng giữa chúng... người ta có thể chia tinh thể thành 4 loại :
9.2.2.1 Tinh thể ion
Các hạt ở nút mạng là các Ion dương hoặc âm, liên kết giữa chúng là liên kết Ion, gây bởi lực hút Culông. Từ đó các ion (+)
và ion (-) được sắp xếp xen kẽ bó chặt nhau.
Ví dụ : Tinh thể NaCl (muối ăn). Các nút mạng được chiếm bởi Ion Na+ hoặc Cl-, tinh thể có dạng lập phương.
Nhiệt độ nóng chảy của tinh thể loại nầy thường cao; NaCl nóng chảy ở 8000C, KCl nóng chảy ở nhiệt độ 7900C.
9.2.2.2 Tinh thể nguyên tử
Các hạt ở nút mạng là các nguyên tử trung hòa, liên kết giữa chúng là liên kết cộng hóa trị, do sự góp chung các điện tử hóa trị mà nên.
Ví dụ: Germani, Silic, kim cương...:
có 4 e- hóa trị cùng tham gia liên kết cộng hóa trị.
9.2.2.3 Tinh thể kim loại
Các nút mạng bị chiếm bởi các ion (+) còn khoảng không gian giữa chúng có các điện tử tự do. Liên kết trong tinh thể loại nầy được thực hiện bởi các electron tự do có vai trò xúc tác và chúng có thể di chuyển trong toàn tinh thể làm tinh thể dẫn điện tốt.
9.2.2.4 Tinh thể phân tử
Các nút mạng được chiếm bởi các phân tử trung hòa như: H2; O2; N2; Cl2...
do phân bố điện tích trong phân tử có tính bất đối xứng làm phân tử bị phân cực, mỗi phân tử loại nầy giống một lưỡng cực điện. Khi hai phân tử gần nhau xuất hiện tương tác phân tử, tương tác nầy yếu hơn nhiều so với các loại tương tác khác nên chất rắn dạng tinh thể phân tử thường kém bền và có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Ví dụ: tinh thể CO2 là loại tinh thể phân tử.
9.2.3 Các khuyết tật ở mạng tinh thể
Hỗnh 9.4
Hỗnh 9 5
+ Mạng tinh thể lý tưởng: mạng nầy có cấu trúc hoàn chỉnh đúng như mô tả hình học của chúng.
Thực tế mạng tinh thể thực có nhiều sai hỏng (khuyết tật), từ đó tính tuần hoàn lý tưởng của mạng bị vi phạm. Các sai hỏng có thể ở từng điểm trên một đường mạng, cũng có thể trên toàn đường mạng hoặc mặt mạng. Các sai hỏng thường gặp ở mạng tinh thể thực là:
9.2.3.1 Sai hỏng điểm
- Ở nút mạng không có hạt; từ đó có “nút trống”
- Nút mạng bị chiếm bởi một nguyên tử hoặc một loại hạt khác. (tạp chất)
- Có thừa nguyên tử ở giữa hai nút mạng.
9.2.3.2 Lệch mạng : Được chia làm hai loại - Lệch mạng bờ: có thừa một nữa mặt mạng (AA’)
- Lệch mạng xoắn: do sự dịch một mặt phẳng nguyên tử sang bên cạnh, làm mặt mạng bị nghiêng (xoắn).
9.2.3.3 Sai hỏng mặt
- Ở mặt tiếp giáp giữa các tinh thể con trong
vật rắn đa tinh thể tạo thành những miền có bề dày cở vài lần kích thước phân tử. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của các hạt tăng lên, miền nầy lớn dần làm lệch mạng.
Các sai hỏng trong mạng tinh thể làm thay đổi tính chất vĩ mô của vật rắn.
Chẳng hạn: lệch mạng bờ làm vật rắn kém bền, chỉ cần một lực nhỏ cũng có thể làm đứt các liên kết trên một đường mạng. Tuy vậy một số trường hợp các sai hỏng trong mạng lại có ích, chẳng hạn trong lĩnh vực bán dẫn, người ta đưa vào mạng tinh khiết một số nguyên tử lạ (tạp chất) điều nầy làm thay đổi cấu trúc năng lượng của bán dẫn tinh khiết; khiến nó có thể dẫn điện tốt hơn.
Ví dụ: Asen (hóa trị 5) được đưa vào mạng Ge (hóa trị 4) tinh khiết; khi đó 1 nguyên tử As sẽ liên kết với 4 nguyên tử Ge lân cận còn thừa 1e- ; As dễ dàng phóng thích e- nầy để trở thành Ion + , hình thành bán dẫn tạp chất Ge - As có thêm nhiều electron dẫn nên dẫn điện tốt hơn.