材料制備科學(xué)與技術(shù)考試重點

1、材料制備科學(xué)與技術(shù)晶格：空間點陣可以看成在三個坐標方向上無數(shù)平行坐標軸的平面彼此相交所形成的格點的集合體，這些集合體是一些網(wǎng)絡(luò)，稱為晶格。晶胞：空間點陣可分成無數(shù)等同的平行六面體，每個平行六面體稱為晶胞。熔鹽生長方法（助熔劑法或高溫溶液法,簡稱熔鹽法）:是在高溫下從熔融鹽溶劑中生長晶體的方法。蒸發(fā)沉積（蒸鍍）: 對鍍膜材料加熱使其氣化沉積在基體或工件表面并形成薄膜或涂層的工藝過程。濺射沉積（濺射）:用高能粒子轟擊靶材，使靶材中的原子濺射出來，沉積在基底表面形成薄膜的方法。離子鍍：在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術(shù),改善膜層性能。外延：在單晶襯底上生長同類單晶體（同質(zhì)外延），

2、或者生長具有共格或半共格異類單晶體抑制外延的技術(shù)。 同質(zhì)外延: 外延層與襯底具有相同或近似的化學(xué)組成，但兩者中摻雜劑或摻雜濃度不同的外延。異質(zhì)外延: 外延層和襯底不是同種材料的外延.濺射鍍膜：用動能為幾十電子伏的粒子束照射沉積材料表面，使表面原子獲得入射粒子所帶的一部分能量并脫離靶體后，在一定條件下沉積在基片上，這種鍍膜方法稱為濺射鍍膜?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）：在一個加熱的基片或物體表面上，通過一個或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層或材料過程稱為化學(xué)氣相沉積。化學(xué)溶液鍍膜法：指在溶液中利用化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)原理在基體材料表面上沉積成膜的一種技術(shù)?；瘜W(xué)鍍：利用還原劑從所鍍

3、物質(zhì)的溶液中以化學(xué)還原作用，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層的技術(shù)。 陽極氧化法：鋁、鉭、鈦、鈮、釩等閥型金屬，在相應(yīng)的電解液中作陽極，用石墨或金屬本身作陰極，加上合適的直流電壓時，會在這些金屬的表面上形成硬而穩(wěn)定的氧化膜，這個過程稱為陽極氧化，此法制膜稱為陽極氧化法。 液相外延(LPE):指含溶質(zhì)的溶液（或熔體）借助過冷而使溶質(zhì)在襯底上以薄膜形式進行外延生長的方法。分子束外延（MBE）：以蒸鍍?yōu)榛A(chǔ)發(fā)展起來的超薄層材料生長新技術(shù)，是是超高真空條件下的精控蒸發(fā)技術(shù)。 作業(yè)題如下：晶體缺陷：實際晶體中原子規(guī)則排列遭到破壞而偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域?？煞譃辄c缺陷、線缺陷和面缺陷三類。 點缺陷：是

4、最簡單的晶體缺陷，它是在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。缺陷形成能：它的數(shù)值可以直接反應(yīng)特定缺陷形成的難易程度，材料合成環(huán)境對于缺陷形成的影響，以及復(fù)合缺陷體系的穩(wěn)定性等等。位錯能（或位錯的應(yīng)變能）：晶體中位錯的存在會引起點陣畸變，導(dǎo)致能量增高，這種增加的能量稱為位錯的應(yīng)變能，包括位錯的核心能量和彈性應(yīng)變能量?？率蠚鈭F：金屬內(nèi)部存在的大量位錯線，在刃型位錯線附近經(jīng)常會吸附大量的異類溶質(zhì)原子（大小不同吸附的位置有差別）,形成所謂的“柯氏氣團”。位錯反應(yīng)：就是位錯的合并與分解，即晶體中不同柏氏矢量的位錯線合并為一條位錯或一條位錯線分解成兩條或多條柏氏矢量不同的位錯線。過冷

5、度：通常的熔體生長系統(tǒng)中，其中溫度T略低于熔點Tm，亦即具有一定的過冷度。界面能位壘：在表面能作用下，界面面積有縮小的趨勢，便產(chǎn)生了附加壓力，稱界面能位壘均勻成核：在亞穩(wěn)相系統(tǒng)中空間各點出現(xiàn)穩(wěn)定相的幾率都是相同的，稱為均勻成核非均勻成核：在亞穩(wěn)相系統(tǒng)中穩(wěn)定相優(yōu)先出現(xiàn)在系統(tǒng)中的某些局部，稱為非均勻成核自發(fā)形核：液態(tài)金屬絕對純凈，無任何雜質(zhì)，也不和型壁接觸，靠自身形成晶核核心的形核方式非自發(fā)形核：靠液相中某些外來難熔質(zhì)點或固體表面作為晶核核心的形核方式成核率：單位時間，單位體積內(nèi)能夠發(fā)展成為晶體的晶核數(shù)，并以I表示平衡分配系數(shù)：指在固液兩相體系達平衡狀態(tài)時，溶質(zhì)在兩相中的濃度的比值。平衡凝固：在一

6、定的壓力條件下，凝固體系的溫度、成分完全由相應(yīng)合金的品平衡相圖規(guī)定，此理想狀態(tài)下的凝固過程成分過冷：由于在不平衡凝固時，液相中溶質(zhì)分布不均勻在正常溫度梯度下也會引起過冷（由于成分不均勻引起的過冷）成分偏析：在不平衡凝固過程中，固相中溶質(zhì)濃度分布不均勻使晶體中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。宏觀偏析：在不存在成分過冷且晶體以平面方式生長時，先結(jié)晶部分地溶質(zhì)濃度低，后結(jié)晶部分溶質(zhì)濃度高，晶體各宏觀區(qū)域化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。 胞狀偏析：在小的成分過冷度條件下，晶體以胞狀生長時，先結(jié)晶的凸出部分溶質(zhì)含量低，被排出的溶質(zhì)向周圍擴散在側(cè)向富集，最后結(jié)晶，因而晶胞內(nèi)部溶質(zhì)濃度低，胞界部位富集溶質(zhì)，形成胞狀偏析。樹枝狀

7、偏析：當(dāng)成分過冷很大，晶體以樹枝狀方式生長時，先結(jié)晶的枝晶主干部分溶質(zhì)含量低，后結(jié)晶的枝晶外周部分富集溶質(zhì)，形成樹枝狀偏析。居里烏爾夫定律：有熱力學(xué)可知，在恒溫恒壓下，一定體積的晶體與溶液或熔體處于平衡態(tài)時，它所具有的形態(tài)（平衡形態(tài)）應(yīng)使其總的表面能降至最少，在趨于平衡態(tài)時，晶體將調(diào)整自己的形態(tài)。以便使自己的表面能降低至最少。 奇異面：表面能級圖上能量曲面上出現(xiàn)極小值的點所對應(yīng)的晶面稱為奇異面鄰位面：取向在奇異面附近的晶面非奇異面：其他取向的晶面g與界面層中晶體相原子成分X的函數(shù)關(guān)系：D界面的吉布斯自由能的變化表面熔化溫度;在溫度低時光滑界面上的粗糙是很小的，雖然它隨溫度增加而增加，但不快；但

8、溫度增加到某一臨界值TC時，界面的粗糙度突然增加，此時隨溫度增加粗糙度增加很快。這個臨界值TC稱為表面熔化溫度。特姆金模型;即擴散界面模型，又稱多層界面模型。利用這種模型可以確定熱平衡條件下界面的層數(shù)，并根據(jù)非平衡狀態(tài)下界面自由能的變化推測出界面相變熵對界面結(jié)構(gòu)的影響面擴散激活能：指吸附分子能夠面擴散所必須具有的能量面擴散距離(定向遷移率)：無規(guī)則漂移在給定方向的遷移為XS恒定的晶面生長過程中給定面指數(shù)的晶面運動軌跡為直線。 1次成鍵。q弗蘭克運動學(xué)第一定律：密度不變的臺階群就是給定指數(shù)的晶面，亦即傾角2氣相生長方法可分三類 。3氣相生長中的輸運過程中壓力的分類：當(dāng)時，分子運動主要由擴散確定;

9、 當(dāng)對流控制。45水熱法的生長裝置：6熔鹽法生長晶體在停止生長后把晶體與殘余物的溶液分離的方法：7從熔體中生長單晶的典型方法大致有：1法）；2、逐驅(qū)熔化法（水平區(qū)熔法、浮區(qū)法、基座法、焰熔法）。其中晶體提拉法中的加熱方式有電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱、等離子體加熱、弧光成像加熱。B-S方法中坩堝下降法有垂直式和水平式。 8薄膜材料的制備方法從學(xué)科上分為三種方式。 9薄膜的生長過程可分為3種類型：。10物理氣相沉積（PVD）包括等。11把蒸鍍材料加熱化的主要方法有電阻加熱、電子束轟擊、射頻感應(yīng)等。12濺射鍍膜的裝置有。13離子鍍的四種方法：14化學(xué)氣相沉積（CVD）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的

10、形式可分為和15化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝裝置有等。其中反應(yīng)器的基本類型有式和鐘罩式。16按照沉積溫度的高低CVD反應(yīng)器又可分為反應(yīng)器; 根據(jù)沉積時系統(tǒng)壓力的大小，CVD又可分為常壓CVD（NPCVD）和低壓CVD（LPCVD）。17影響沉積質(zhì)量的因素18CVD的設(shè)備：。19膜厚的測量與監(jiān)控方法：稱重法（石英晶體法、微量天平法）、 電學(xué)方法（電阻測量法、電容測量法、品質(zhì)因素（Q值）變化測量法、電離法）、光學(xué)方法（測量光吸收系數(shù)的方法、光干涉方法、橢圓偏振法）專用厚度監(jiān)控方法：光電法、觸針法20 面心立方（FCC），單胞原子數(shù) ；半徑 ；配位數(shù)為 ；致密度 ；密排方向 ；密排面 ; 體心立方（B

11、CC），單胞原子數(shù) ；半徑 ；配位數(shù)為 ；致密度 ；密排方向 面 (110) ;1， 過飽和點缺陷的產(chǎn)生方式；2， 位錯形式；3，1氣相生長的方法和原理：（1）升華法 是將固體在高溫區(qū)升華，蒸氣在溫度梯度的作用下向低溫區(qū)輸運結(jié)晶的一種生長晶體的方法。（2）蒸氣輸運法 是在一定的環(huán)境（如真空）下，利用運載氣體生長晶體的方法，通常用鹵族元素來幫助源的揮發(fā)和原料的輸運，可以促進晶體的生長。（3）氣相反應(yīng)法 即利用氣體之間的直接混合反應(yīng)生成晶體的方法。2在氣相系統(tǒng)中，通過可逆反應(yīng)生長時，輸運可分成三個階段：（1）在原料固體上的復(fù)相反應(yīng)（2）氣體中揮發(fā)物的輸運（3）在晶體形成處的復(fù)相逆向反應(yīng)3根據(jù)晶體的

12、溶解度與溫度的關(guān)系，從溶液中生長晶體的具體方法：（1）降溫法，其基本原理是利用物質(zhì)較大的正溶解度溫度系數(shù)，在晶體生長的過程逐漸降低溫度，使析出的溶質(zhì)不斷在晶體上生長。（2）流動法（溫差法） （3）蒸發(fā)法 將溶劑不斷蒸發(fā)減少，從而使溶液保持在過飽和狀態(tài)，晶體便不斷生長。（4）凝膠法 以凝膠作為擴散和支持介質(zhì)，使一些在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)通過凝膠擴散緩慢進行，從而使溶解度較小的反應(yīng)物在凝膠中逐漸形成晶體的方法。2p （3）密封結(jié)構(gòu)良好。-ssDn=Dw=4對高壓釜的要求：（1）制作材料，要求在高溫高壓下有很高的強度，在溫度為2001000范圍內(nèi)，能耐壓（2100）*107Pa，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好

13、。（2）釜壁的厚度按理論公式計算：Kd（4）高壓釜的直徑和高度比。一般對于內(nèi)徑為100200mm的高壓釜來說，內(nèi)徑與高度之比為1：16左右。內(nèi)徑增加，上述比例也相應(yīng)增加。（5）耐腐蝕，特別是耐酸堿腐蝕。5助熔劑的選擇應(yīng)具備的物理化學(xué)特性：（1）對晶體材料必須具有足夠大的溶解度（2）助熔劑在晶體中的固溶度應(yīng)盡可能的?。?）有盡可能低的熔點，盡可能高的沸點（4）具有很小的揮發(fā)性和毒性（5）對鉑或其他坩堝材料的腐蝕性要小（6）在熔融態(tài)時，助熔劑的比重應(yīng)與結(jié)晶材料相近，否則上下濃度不易均一薄膜的生長過程中核生長型分為四個階段：（1）成核 在此期間形成許多小的晶核，按統(tǒng)計規(guī)律分布在基片表面上。（2）晶核

14、長大并形成較大的島,這些島常具有小晶體的形狀（3）島與島之間聚接形成含有空溝道的網(wǎng)絡(luò)（4）溝道被填充 7真空蒸發(fā)鍍膜中制膜過程的四個物理階段：（1）淀積材料蒸發(fā)或升華為氣態(tài)（2）原子或分子從蒸發(fā)源輸運到基片上（3）蒸氣粒子在基片上沉積（4）粒子在機體表面從新排列或他們的鍵發(fā)生變化，凝結(jié)成膜。8殘存氣體對制膜的影響：影響蒸發(fā)過程、沉積膜的質(zhì)量。殘余氣體是蒸發(fā)膜受污染的原因之一。在蒸發(fā)淀積過程中，殘余氣體分子會撞擊帶基片上而被薄膜吸附和進入薄膜中。根據(jù)到達基片的氣體分子與蒸汽分子之比可知：對于一定的蒸發(fā)材料，殘余氣壓越低，對薄膜的污染越小，蒸發(fā)速率越大，污染也越小。薄膜邊緣部分淀積膜最薄，膜的生長

15、率低，污染也就要大些。當(dāng)然，薄膜中殘余氣體分子的含量與蒸發(fā)材料和殘余氣體的性質(zhì)、薄膜結(jié)構(gòu)、基片溫度和系統(tǒng)的物理化學(xué)平衡等因素有關(guān)。9物理氣相沉積蒸發(fā)源的類型及優(yōu)缺點：（1）電阻加熱 優(yōu)點是可以從各個方向發(fā)射蒸氣 缺點是只能向上發(fā)射。 （2）電子束加熱 優(yōu)點1、直接對蒸發(fā)材料加熱 2、裝蒸發(fā)料的容器可以是冷的或者用水冷卻，從而可避免材料與容器的反應(yīng)和容器材料的蒸發(fā)。 3、可蒸發(fā)高熔點材料 缺點 1、裝置復(fù)雜 2、只適合于蒸發(fā)單質(zhì)元素 3、殘余氣體分子和蒸發(fā)材料的蒸汽會部分被電子束電離 （3）射頻感應(yīng)加熱 優(yōu)點 1、熱效率高，功率直接輸給蒸發(fā)材料，減少了傳導(dǎo)過程的損耗 2、當(dāng)蒸發(fā)料是半導(dǎo)體時，坩堝

16、不需要導(dǎo)電或?qū)?缺點 1、需要復(fù)雜的高頻發(fā)生裝置，而且必須屏蔽，以防干擾 2感應(yīng)線圈附近的殘余氣體易被高頻場電離10化學(xué)氣相沉積中基體必須滿足以下條件：1、基體材料與沉積膜層材料之間有強的親和力 2、基體和沉積膜層在結(jié)晶結(jié)構(gòu)上有一定的相似性 3、基體材料與沉積膜層材料有相近的熱膨脹系數(shù)11化學(xué)氣相沉積中影響沉積質(zhì)量的因素：1、沉積溫度 沉積溫度越高則沉積速率越大，沉積物越致密。但沉積溫度的選擇還要考慮沉積物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的要求以及的基體的耐熱性 2、反應(yīng)氣體的比例 為了得到較好的沉積速率和高質(zhì)量的B-N薄膜，必須通過實驗來確定各物質(zhì)間的最佳流量比 3、基體對沉積膜層的影響 一般要求沉積膜層與基體有

17、一定的附著力。1柏氏矢量的確定方法；先確定位錯線的方向（一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正），按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指向位錯線正向，回路方向按右手螺旋方向確定。2柏氏矢量與位錯類型的關(guān)系；利用柏氏矢量b 與位錯線的關(guān)系，可判斷位錯的類型。若b/t，則為螺旋位錯，其中同向為右螺旋，反向為左螺旋；若b t，則為韌性位錯，其中正負用右手法則判定，右手拇指，食指與中指構(gòu)成一直角坐標系，以食指指向t方向，中指指向b正反向，則拇指代表多余半原子面方向，多余半原子面在上的稱為正刃型位錯，反之為負韌性位錯。3位錯反應(yīng)條件：（1）幾何條件；根據(jù)柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)后諸位錯的柏氏矢量之和應(yīng)等于反

18、應(yīng)前諸位錯的柏氏矢量之和；即 （2）能量條件；從能量角度要求，位錯反應(yīng)必須是一個伴隨著能量降低的過程。由于位錯的能量正比于其柏氏矢量的平方，所以，反應(yīng)后各位錯的能量之和應(yīng)小于反應(yīng)前各位錯的能量之和；即4晶體中的缺陷，根據(jù)其幾何形態(tài)的不同可分成幾種類型？說明各種類型的物理意義答；晶體中的缺陷，根據(jù)其幾何形態(tài)的不同可分成四種類型。（1）點缺陷 是最簡單的晶體缺陷，它是在結(jié)點上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。（2）線缺陷 是指晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中沿著某條線（行列）方向上的周圍局部范圍內(nèi)所產(chǎn)生的晶格缺陷。（3）面缺陷 是指沿著晶格內(nèi)或晶粒間某些面的兩側(cè)局部范圍內(nèi)所出現(xiàn)的晶格缺陷。（4）體

19、缺陷 如果在任何方向上缺陷區(qū)的尺寸都可以與晶體或晶粒的線度相比擬，那么這種缺陷稱為體缺陷。5點缺陷有哪幾種類型，是分別作說明;點缺陷有兩種基本類型，即空位和填隙原子?？瘴恢缚罩脑游恢茫钕对又副粩D進點陣間隙的原子。6位錯有幾種類型，主要特征是什么？（1）韌性位錯 1）刃型位錯有一個額外的半原子面；2）刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線；3)滑移面必定是同時包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。這是由于在刃型位錯中，位錯線與滑移矢量相垂直，所以，由它們構(gòu)成的平面只有一個；4)晶體中存在刃型位錯后，位錯周圍的點陣發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。；5)在位錯線

20、周圍的過渡區(qū)（畸變區(qū)）每個原子具有較大的平均能量。（2）螺型位錯 1)螺型位錯沒有額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱；2)螺型位錯沿位錯線原子面呈螺旋形，每繞軸一圈，原子面上升一個原子間距。3)螺型位錯線與滑移矢量平行，因此一定是一直線，而且位錯線的移動方向與晶體滑移方向相互垂直。4)純螺型位錯的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面。實際上，滑移通常是在那些原子密排面上進行。5)螺型位錯線周圍的點陣也發(fā)生了彈性畸變。6)螺型位錯周圍的點陣畸變隨離位錯線距離的增加而急劇減少，是線缺陷。7位錯的運動方式有哪些？其形成原因分別是什么？（1）位錯的滑移；在外力作用下，位錯線在其

21、滑移面上運動，結(jié)果導(dǎo)致晶體永久變形。（2）位錯的攀移；刃型位錯在晶體內(nèi)沿著垂直于滑移方向上的運動。實質(zhì)是多余半原子面的伸縮或縮短。8實際晶體中的位錯取決于什么？其檢測方法有哪些？（1）晶體結(jié)構(gòu)和所處的能量條件。（2）化學(xué)腐蝕法，X射線衍射形貌照相法和掃描電子顯微鏡法。9 相變驅(qū)動力及其與晶體生長的關(guān)系； g為相變驅(qū)動力，單個原子由流體相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w相時引起的系統(tǒng)吉布斯自由能的降低，或者說使單個原子從流體相變?yōu)榫w相的力。當(dāng) g0時，f為正，表示f指向流體，即此時晶體生長；當(dāng) g0時，f為負，表示f 指向晶體，即此時晶體溶解或熔熔化，升華；當(dāng) g=0時，f=0,界面不動，晶體和溶液處于平衡，晶體不

22、長也不熔。10 界面壓力產(chǎn)生的原因以及大??；（1）兩相間如果有彎曲界面存在，表面張力就會導(dǎo)致附加力的出現(xiàn)，結(jié)果出現(xiàn)彎曲界面處兩相的壓力就會彼此不等，其差值稱為界面壓力。（2）界面壓力的一般表達式11 開而芬關(guān)系式，分析r>0和r<0時Pe與Po的大小關(guān)系；由當(dāng)r>0 時，此時Pe>Po;當(dāng)r<0時，Pe<Po12 正溫度梯度和負溫度梯度下晶體的生長方式；（1）正溫度梯度下，在小的區(qū)域內(nèi)界面為平面，局部的不平衡帶來的小凸起因前沿溫度較高而放慢生長，因此可理解為齊步走，稱為平面推進方式。（2）負溫度梯度下生長；晶體以樹枝晶方式生長。13晶體生長可能的途徑有哪些？14 定向遷移率對晶體生長的基本過程影響；吸附分子的定向遷移率Xs對晶體生長的基體過程影響很大。Xs的大小將影響到流體分子達到界面上扭折位置的途徑。若Xs較大，而界面上臺階的間距以及臺階上扭轉(zhuǎn)位置的距離小于Xs，這意味著吸附分子在其壽命內(nèi)就可能和臺階或扭折相遇而被捕獲。因而在這種情況下，界面上的所有吸附都對生長有貢獻，生長將按B途徑進行，氣相生長就是按這種方式生長。如果Xs很小，則生長只能按途徑C的方式進行，此時生長