Kim cương có dẫn điện hay không là thắc mắc của nhiều người khi loại đá quý này lại dẫn nhiệt cực tốt nhưng không truyền điện. Bài viết sau từ Jemmia sẽ giúp bạn hiểu rõ lý do từ cấu trúc phân tử của kim cương, đồng thời khám phá xem có loại kim cương nào dẫn điện được hay không.
Kim cương có dẫn điện không?
Kim cương không dẫn điện vì kim cương là một chất cách điện với điện trở suất ≥ 10¹⁶ Ω·cm. Nguyên nhân trực tiếp là độ rộng vùng cấm (band gap) khoảng 5,5 eV, lớn gấp đôi silicon. Nên ở nhiệt độ thường hầu như không có electron nào đủ năng lượng “nhảy” lên vùng dẫn điện.
Kim cương không dẫn điện vì kim cương là một chất cách điện với điện trở suất ≥ 10¹⁶ Ω·cm
Vì sao kim cương không dẫn điện? Phân tích cấu trúc phân tử
Để lý giải vì sao kim cương không dẫn điện, cần hiểu rõ cấu trúc phân tử đặc trưng của chúng:
- Cấu trúc tứ diện sp³: Mỗi nguyên tử C liên kết cộng hoá trị với bốn nguyên tử C lân cận, tạo mạng 3D cực bền.
- Không có electron tự do: Bốn electron hoá trị của carbon “khóa chặt” trong liên kết σ; khác với graphite (sp²) có π-electron delocalised dẫn điện.
- Vùng cấm rộng: Năng lượng để bứt electron khỏi liên kết ~ 5,5 eV, vượt xa năng lượng nhiệt (0,026 eV ở 25 °C).
Bởi vì, không có hạt tải điện tự do, kim cương tinh khiết gần như không cho dòng điện đi qua.
Xem thêm: Công thức hóa học của kim cương là gì?
Kim cương không có hạt tải điện tự do nên không dẫn điện
Vì sao kim cương không dẫn điện nhưng dẫn nhiệt cực kỳ tốt?
Một nghịch lý thú vị của kim cương là dù không dẫn điện, nhưng lại dẫn nhiệt cực kỳ hiệu quả. Do các nguyên nhân sau:
- Liên kết cộng hoá trị siêu cứng cộng với khối lượng nguyên tử nhẹ, dẫn đến dao động mạng (phonon) lan truyền rất nhanh.
- Độ rối loạn mạng thấp dẫn đến Phonon ít bị tán xạ, giúp hệ số dẫn nhiệt ~ 2 200 W/m·K - cao nhất tự nhiên.
- Cơ chế khác biệt: Trong kim loại, điện tử vừa mang điện vừa mang nhiệt; ở kim cương, phonon gánh gần như toàn bộ dòng nhiệt, còn điện tử bị giữ chặt nên không đóng góp vào điện dẫn.
Kim cương không dẫn điện nhưng dẫn nhiệt cực kỳ tốt
Có loại kim cương nào dẫn điện không?
Mặc dù kim cương tinh khiết không dẫn điện, nhưng một số biến thể đặc biệt lại có khả năng dẫn điện nhờ thành phần tạp chất.
- Kim cương pha tạp bo (Boron-doped diamond - BDD): Nguyên tử bo (3 electron hoá trị) tạo lỗ trống p-type, biến kim cương thành bán dẫn; nồng độ bo cao có thể khiến vật liệu siêu dẫn dưới ~4 K.
- Kim cương xanh tự nhiên (Ví dụ: Hope Diamond): Màu xanh do tạp bo vài ppm; đủ để làm kim cương dẫn điện yếu ở nhiệt độ phòng.
- Kim cương pha tạp phosphor/lưu huỳnh: Thí nghiệm CVD tạo kim cương n-type (P) cho thiết bị điện tử công suất cao; độ dẫn điện còn thấp nhưng đang được cải thiện.
Xem thêm: Kim cương là gì? Tổng hợp tất cả các kiến thức về kim cương
Các loại kim cương dẫn điện được
Qua bài viết, chắc hẳn bạn đã có câu trả lời là kim cương không có dẫn điện. Nếu bạn yêu thích vẻ đẹp hoàn hảo của kim cương và muốn tìm hiểu thêm nhiều kiến thức thú vị, hãy ghé thăm website Jemmia Diamond để khám phá vẻ đẹp của kim cương và các mẫu trang sức kim
