電子材料復(fù)習(xí)綱要

第一章：電子材料概論材料按化學(xué)組成和結(jié)合鍵可分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四類。金屬材料：常溫下一般為固態(tài)晶體，有較好的強度、塑性和延展性，熔點高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、有特殊光澤。貴金屬：金、銀、銠、釕、鈀、鋨、銥、鉑。高分子材料：聚合物的相對分子質(zhì)量在103~106范圍內(nèi)。第1頁，共57頁。材料按結(jié)晶狀態(tài)可分為晶體、非晶體和液晶。

非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要類型：連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)：常用于玻璃、非晶硅等材料的結(jié)構(gòu)模型。無規(guī)密堆積：主要用于金屬玻璃的結(jié)構(gòu)。無規(guī)線團模型：主要用于非晶高分子聚合物。第一章：電子材料概論第2頁，共57頁。液晶：

是一種有機化合物。在一定的外部環(huán)境下既具有液體的流動性，又具有晶體的各向異性。處于液晶態(tài)的物質(zhì)，分子排列總的來說是長程有序，但分子位置是不固定的（流動性）。按照結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，液晶可分為四類：近晶相液晶向列相液晶碟型液晶膽甾相液晶第3頁，共57頁。電子材料常用微觀分析方法化學(xué)成分分析：原子發(fā)射光譜(AES)、X射線熒光和電子探針?；瘜W(xué)成分分析的常用儀器：質(zhì)譜儀、能譜儀、傅立葉紅外光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）等。第4頁，共57頁。電子材料常用微觀分析方法結(jié)構(gòu)分析：X射線衍射法。布拉格方程：XRD圖譜可以提供的信息：晶體結(jié)構(gòu)、所含元素及其構(gòu)成、晶粒尺寸、晶體擇優(yōu)取向程度、殘余應(yīng)力、位錯密度等。XRD與SAD是相互對應(yīng)的。第5頁，共57頁。電子材料常用微觀分析方法顯微分析：電子顯微鏡的成像原理TEM（透射~）SEM（掃描~）AFM（原子力~）STM（掃描隧道~）電子顯微鏡：第6頁，共57頁。①金屬導(dǎo)電材料②厚膜導(dǎo)電材料③薄膜導(dǎo)電材料④

復(fù)合物導(dǎo)電材料⑤導(dǎo)電聚合物第二章：導(dǎo)電材料第7頁，共57頁。常溫下電阻率最小的導(dǎo)電材料是銀Ag。隨著溫度的升高，金屬的電阻一般增大。電導(dǎo)率：電阻率的倒數(shù)。通常以國際標(biāo)準(zhǔn)軟銅的電導(dǎo)率為100％，其它材料與之比較，以百分電導(dǎo)率來表示。影響導(dǎo)體電阻的因素：雜質(zhì)、缺陷、溫度和內(nèi)應(yīng)力。導(dǎo)電材料第8頁，共57頁。薄膜導(dǎo)電材料主要要求：導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊性好、成本低。鋁薄膜：通常采用真空蒸鍍法制備。鉻-金薄膜和鎳鉻-金薄膜：目前使用最多的多層導(dǎo)電薄膜。第9頁，共57頁。導(dǎo)電聚合物：按其結(jié)構(gòu)特征和導(dǎo)電機理分類：電子導(dǎo)電型聚合物離子導(dǎo)電型聚合物氧化還原型導(dǎo)電聚合物電子導(dǎo)電型聚合物的共同結(jié)構(gòu)特征是分子內(nèi)具有大的共軛電子π體系。第10頁，共57頁。電子導(dǎo)電型聚合物：摻雜可以減少能帶分裂造成的能級差，因而可提高其電導(dǎo)率。溫度升高，電子導(dǎo)電型聚合物的電導(dǎo)率增大。提高共軛鏈的長度，電子導(dǎo)電型聚合物的電導(dǎo)率增大。以聚乙炔為例，共軛分子鏈長度增加，其電導(dǎo)率呈指數(shù)式增大。第11頁，共57頁。①電阻材料概述②線繞電阻材料③薄膜電阻材料④

厚膜電阻材料第三章：電阻材料第12頁，共57頁。電阻、電阻器和電阻單位：電阻是指材料在一定程度上阻礙電流流通，并將電能轉(zhuǎn)變成熱能的一種物理性質(zhì)。將電阻材料做成具有一定形狀、結(jié)構(gòu)的實體元件，常稱它為電阻器或電阻元件。電阻器的功能：調(diào)節(jié)和分配電能。第13頁，共57頁。不同電阻材料，導(dǎo)電機理不同，電阻－溫度關(guān)系也有所不同。對下面幾種電阻材料分別闡述：電阻與溫度的關(guān)系：①純金屬塊體②合金塊體③金屬或合金薄膜④半導(dǎo)體電阻材料⑤高分子電阻材料第14頁，共57頁。金屬的電阻率與溫度的關(guān)系：①純金屬塊體式中A為常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。這說明純金屬的電阻率與溫度成正比。純金屬的電阻溫度系數(shù)為正值。第15頁，共57頁。當(dāng)金屬中含有雜質(zhì)時，金屬晶格中的間隙原子和缺陷數(shù)目增加，自由電子被晶格、間隙原子以及缺陷散射的幾率增大。因此合金的電阻率大于純金屬的電阻率。合金電阻率與溫度的關(guān)系：合金的電阻溫度系數(shù)比純金屬小。②合金塊體第16頁，共57頁。其電阻取決于下列因素：內(nèi)部因素：薄膜結(jié)構(gòu)和厚度。晶格熱振動和金屬雜質(zhì)引起的電子散射。其它缺陷如晶界、位錯引起的電子散射。表面電子散射。外界環(huán)境的影響：主要是溫度。③金屬或合金薄膜第17頁，共57頁。電阻率與溫度的關(guān)系：④半導(dǎo)體電阻材料式中u為常數(shù)，與半導(dǎo)體材料中載流子的激活能有關(guān)。其電阻溫度系數(shù)可用下式表示：半導(dǎo)體電阻材料的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值。第18頁，共57頁。在合成型電阻材料中，實際起導(dǎo)電作用的主要是鏈狀回路和間斷回路。⑤高分子電阻材料合成型電阻材料的等效電路：由鏈狀回路、絕緣回路和間斷回路三部分組成。其電阻溫度系數(shù)可正可負(fù)。適當(dāng)選擇材料和工藝，可獲得理想的電阻值和電阻溫度系數(shù)。第19頁，共57頁。電阻的標(biāo)識：直標(biāo)法：例如20Ω，100kΩ，1.0MΩ等。文字符號法：將電阻材料的標(biāo)稱阻值和允許偏差用數(shù)字和文字符號按一定規(guī)律組合標(biāo)志在電阻器件上。數(shù)碼法：采用三位數(shù)碼表示電阻器件的阻值。數(shù)碼從左到右，第一、二位為有效值，第三位為指數(shù)，單位為歐。偏差仍然采用文字符號法表示。第20頁，共57頁。電阻的標(biāo)識：色標(biāo)法：用不同顏色的環(huán)在電阻器表面標(biāo)出阻值和允許偏差。國外電阻大部分采用色標(biāo)法。第21頁，共57頁。定義：在絕緣基體（或基片）上采用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積、熱分解、噴涂等方法制得的膜狀電阻材料，其膜厚一般在1μm以下，稱為薄膜電阻材料。特點：體積小、阻值范圍寬、電阻溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定、容易調(diào)阻、易于散熱、用料少、適合大量生產(chǎn)、應(yīng)用廣范。薄膜電阻材料第22頁，共57頁。薄膜電阻材料采用蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積等方法制得后，通常要在真空或空氣中進行熱處理，其目的是什么？熱處理工藝可以使晶粒生長進一步完善，減少缺陷和內(nèi)應(yīng)力，提高薄膜的穩(wěn)定性。同時還可以調(diào)整薄膜電阻材料的成分和阻值。薄膜電阻材料第23頁，共57頁。定義：采用厚膜電阻漿料，通過絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)等方法在絕緣基體上形成的一層較厚的膜，并具有電阻的特性。厚膜電阻漿料是制備厚膜電阻器的關(guān)鍵，通常由導(dǎo)電相、粘結(jié)相、有機載體和改性劑組成。絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)固化是制備各類厚膜電子材料的主要方法。厚膜電阻材料第24頁，共57頁。第四章：超導(dǎo)材料①引言②超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)③低溫超導(dǎo)材料④

高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀⑤高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征第25頁，共57頁。超導(dǎo)機理研究：經(jīng)典的BCS理論；西耳斯比定則；邁斯納效應(yīng)；高溫超導(dǎo)機理：目前還沒有統(tǒng)一成熟的理論，在已有的幾十種機理模型中，Anderson的共振價鍵模型較為流行。第26頁，共57頁。超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)表征超導(dǎo)材料性能的幾個基本參量：臨界溫度Tc；

臨界磁場強度Hc；

臨界電流密度Jc；

穿透深度；相干長度；磁化強度M。第27頁，共57頁。臨界磁場與臨界電流影響臨界電流密度Jc的主要因素：①

磁通蠕動②磁通釘扎③晶內(nèi)缺陷④

晶間弱連接第28頁，共57頁。臨界磁場與臨界電流西耳斯比定則：在無外加磁場的條件下，臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的磁場恰好等于Hc。闡述了臨界電流與臨界磁場之間的內(nèi)在聯(lián)系，并得到很多超導(dǎo)體的實驗驗證。第二類超導(dǎo)體并不遵循西耳斯比定則。第29頁，共57頁。邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后二十多年，人們一直把超導(dǎo)體看作是“理想導(dǎo)體”。1933年，Missner和Ochsenfeld通過磁測量實驗，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的一個特殊現(xiàn)象：不管外加磁場的次序如何，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場感應(yīng)強度（磁通量）總是等于零，與加載歷史（途徑）無關(guān)。此即邁斯納效應(yīng)，也稱為完全抗磁性。第30頁，共57頁。邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)說明：超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度不僅是恒量，而且這一恒量值永遠(yuǎn)是零。零電阻和完全抗磁性是超導(dǎo)態(tài)兩個獨立的基本性質(zhì)。所謂的零電阻（理想導(dǎo)電性）是針對直流而言的。在交流電的情況下，超導(dǎo)體不再具有完全導(dǎo)電性而出現(xiàn)交流損耗。第31頁，共57頁。BCS理論BCS理論在解釋超導(dǎo)電性方面獲得了很大成功。如可以解釋同位素效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)，在極限條件下還可推導(dǎo)出Pippard方程和Ginzburg-Landau方程。局限性：屬于弱耦合理論；不適應(yīng)于第二類超導(dǎo)體。第32頁，共57頁。低溫超導(dǎo)材料常壓下，超導(dǎo)臨界溫度Tc最高的單質(zhì)元素是Nb。按照磁場中的磁化行為，可將超導(dǎo)體分為兩類：①

第一類超導(dǎo)材料②第二類超導(dǎo)材料第33頁，共57頁。高溫超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀新的高Tc材料：目前最高Tc值的超導(dǎo)材料為高壓下164K的HgBaCaCuO體系。超導(dǎo)材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究：高溫超導(dǎo)薄膜及其應(yīng)用：

高溫超導(dǎo)體全部是由多種元素組成的氧化物。第34頁，共57頁。高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)：一般而言，高溫超導(dǎo)體都具有層狀的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有下述特點：

①組分可通過部分替代而在很寬的范圍內(nèi)變化。

②或多或少的存在著氧缺位和A晶位陽離子的缺位。第35頁，共57頁。第五章：半導(dǎo)體材料①半導(dǎo)體材料的一般性能②鍺、硅半導(dǎo)體材料③太陽能電池④化合物半導(dǎo)體材料⑤半導(dǎo)體材料的應(yīng)用第36頁，共57頁。半導(dǎo)體材料的一般性能半導(dǎo)體材料的能帶特征：價帶、導(dǎo)帶、空帶、禁帶半導(dǎo)體中電子填充能帶遵循的基本原理：泡利不相容原理（

Pauli’sexclusionprinciple）；能量最小原理半導(dǎo)體中的電子與空穴~載流子第37頁，共57頁。半導(dǎo)體材料的一般性能半導(dǎo)體載流子的主要來源：本征激發(fā)和雜質(zhì)電離本征半導(dǎo)體：完全純凈、缺陷極少的半導(dǎo)體，其載流子由熱激活產(chǎn)生。雜質(zhì)半導(dǎo)體：N型半導(dǎo)體---施主雜質(zhì)半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體---受主雜質(zhì)半導(dǎo)體。P-N結(jié)：基本電學(xué)特性是單向?qū)щ娦?。?8頁，共57頁。半導(dǎo)體材料的一般性能半導(dǎo)體的光電性質(zhì)：半導(dǎo)體中，電子吸收光子能量后的躍遷形式主要有哪些？

本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收、晶格振動吸收。光伏效應(yīng)及其實際應(yīng)用半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì)：霍爾效應(yīng)第39頁，共57頁。半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射非均勻摻雜的半導(dǎo)體（如P-N結(jié)）時，由于光激發(fā)和半導(dǎo)體內(nèi)建電場的作用，將在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，最主要的實際應(yīng)用是光電池或太陽能電池。第40頁，共57頁。半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì)如果在一塊半導(dǎo)體某一方向上加以電場，并在其垂直方向上加有磁場，則載流子除了受電場力作用外，還要受磁場力的作用。在兩種外力的作用下，載流子的運動將發(fā)生變化，結(jié)果在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生一橫向電勢差，其方向同時垂直于電流和磁場。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第41頁，共57頁。硅材料的制備與加工多晶硅制備工藝：常用的單晶硅制備方法：1）水平區(qū)域法；2）提拉法；3）浮區(qū)法原料的化學(xué)處理提純還原或合成第42頁，共57頁。第六章：電介質(zhì)材料①電容器介質(zhì)材料②壓電材料③熱釋電材料與鐵電材料④玻璃電介質(zhì)材料⑤有機電介質(zhì)材料第43頁，共57頁。電容器介質(zhì)材料電容器在電子電路中的作用：

具有濾波、耦合和電源的功能。電解電容器的比率電容量是各種電容器中最高的。電解電容器：通常是在鋁、鉭、鈮、鈦等金屬的表面采用陽極氧化法生成一薄層氧化物作為電介質(zhì)，以電解質(zhì)（包括電解液、二氧化錳、有機半導(dǎo)體、凝膠電解質(zhì)）作為陰極而構(gòu)成的電容器。第44頁，共57頁。壓電材料壓電效應(yīng)：對某些電介質(zhì)晶體施加應(yīng)力時，隨著形變的產(chǎn)生，晶體某兩個相對的表面產(chǎn)生數(shù)量相等、符合相反的電荷，而當(dāng)外力撤銷形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)

。反之，在某些電介質(zhì)晶體的極化方向上施加電場，如果產(chǎn)生與電場強度成正比的應(yīng)變或機械應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。第45頁，共57頁。壓電材料具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電體。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件：必須是電介質(zhì)晶體；晶體結(jié)構(gòu)沒有對稱中心；其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點。第46頁，共57頁。有機電介質(zhì)材料聚四氟乙烯：結(jié)構(gòu)式-(-CF2-CF2-)-n絕緣材料，耐熱性好，抗老化性能好。不溶于任何溶劑中，化學(xué)穩(wěn)定性好。聚氯乙烯（PVC）：結(jié)構(gòu)式-(-CHCl-CH2-)-n

熱塑性樹脂，廣泛用于電線和電纜的絕緣護套。第47頁，共57頁。第七章：光電子材料①固體激光材料②光導(dǎo)纖維③半導(dǎo)體發(fā)光材料④透明導(dǎo)電薄膜材料⑤光顯示材料第48頁，共57頁。固體激光材料激光-LASER：

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光的主要特點：方向性好，相干性好，亮度好，單色性好。激光的發(fā)光機制：受激輻射~實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)固體激光材料：激光晶體和激光玻璃。激光的波長注意取決于激活離子的內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)。第49頁，共57頁。固體激光材料固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子兩部分組成。激光的波長注意取決于激活離子的內(nèi)部能級結(jié)構(gòu)。激光器的基本結(jié)構(gòu)：工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔第50頁，共57頁。固體激光材料世界上第一臺激光器：紅寶石激光器典型激光晶體材料：

紅寶石激光晶體—摻雜Cr3+的Al2O3單晶。激光躍遷能級屬于三能級結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生激光的閥值較高。釹-釔鋁石榴石激光晶體—Nd3+：Y3Al5O12激光躍遷能級