電子材料復(fù)習(xí)綱要

1、第一章：電子(dinz)材料概論材料(cilio)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103106范圍內(nèi)。共五十六頁材料按結(jié)晶狀態(tài)可分為(fn wi)晶體、非晶體和液晶。 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要類型：連續(xù)(linx)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：電子材料概論共五十六頁液晶： 是一種有機化合物。在一定

2、的外部環(huán)境下既具有液體(yt)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)(jigu)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共五十六頁電子(dinz)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。化學(xué)成分分析的常用(chn yn)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。共五十六頁電子材料(cilio)常用微觀分析方法結(jié)構(gòu)分析(fnx)：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)

3、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。共五十六頁電子(dinz)材料常用微觀分析方法顯微分析(fnx)：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：共五十六頁 金屬導(dǎo)電(dodin)材料 厚膜導(dǎo)電(dodin)材料 薄膜導(dǎo)電材料 復(fù)合物導(dǎo)電材料 導(dǎo)電聚合物第二章：導(dǎo)電材料共五十六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(jnsh)的電阻一般增大。電導(dǎo)率：電阻率的倒數(shù)。通常以國際標準軟銅的電導(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

4、度和內(nèi)應(yīng)力。導(dǎo)電(dodin)材料共五十六頁薄膜導(dǎo)電(dodin)材料主要要求：導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)(huxu)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 。共五十六頁導(dǎo)電(dodin)聚合物：按其結(jié)構(gòu)特征和導(dǎo)電(dodin)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)具有大的共軛電子體系。共五十六頁電子(dinz)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(shn o)，電子導(dǎo)電型聚合物的電導(dǎo)率增大。提高共軛鏈的長度，

5、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。共五十六頁 電阻(dinz)材料概述 線繞電阻(dinz)材料 薄膜電阻材料 厚膜電阻材料第三章：電阻材料共五十六頁電阻(dinz)、電阻(dinz)器和電阻(dinz)單位：電阻是指材料在一定程度上阻礙電流流通(litng)，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。共五十六頁不同電阻材料，導(dǎo)電機理不同，電阻溫度(wnd)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(wnd)的關(guān)系： 純金屬塊體 合金塊體

6、金屬或合金薄膜 半導(dǎo)體電阻材料 高分子電阻材料共五十六頁金屬的電阻率與溫度(wnd)的關(guān)系： 純金屬(jnsh)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。共五十六頁當金屬中含有雜質(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(ync)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(dinz)溫度系數(shù)比純金屬小。 合金塊體共五十六頁其電阻取決于下列(xili)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

7、散射。外界環(huán)境的影響：主要是溫度。 金屬(jnsh)或合金薄膜共五十六頁電阻率與溫度(wnd)的關(guān)系： 半導(dǎo)體電阻(dinz)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)為負值。共五十六頁在合成型電阻材料中，實際起導(dǎo)電(dodin)作用的主要是鏈狀回路和間斷回路。 高分子電阻(dinz)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。適當選擇材料和工藝，可獲得理想的電阻值和電阻溫度系數(shù)。共五十六頁電阻(dinz)的標識：直標法：例如20，100k， 1.0M等。文字符號法：將電

8、阻材料的標稱阻值和允許偏差用數(shù)字(shz)和文字符號按一定規(guī)律組合標志在電阻器件上。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。共五十六頁電阻(dinz)的標識：色標法：用不同顏色的環(huán)在電阻器表面標出阻值和允許(ynx)偏差。國外電阻大部分采用色標法。共五十六頁定義：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1m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)(shngchn)、應(yīng)用廣范

9、。薄膜電阻(dinz)材料共五十六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(quxin)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(dinz)材料共五十六頁定義：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)(zhn ji)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(dinz)材料共五十六頁第四章：超導(dǎo)(cho do)

10、材料 引言(ynyn) 超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ) 低溫超導(dǎo)材料 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀 高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征共五十六頁超導(dǎo)機理(j l)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(tngy)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。共五十六頁超導(dǎo)(cho do)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(ln ji)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。共五十六頁臨界磁場(cchng)與臨界電流影響臨界電流密度Jc 的主要(zhyo)因

11、素： 磁通蠕動 磁通釘扎 晶內(nèi)缺陷 晶間弱連接共五十六頁臨界磁場(cchng)與臨界電流西耳斯比定則(dn z)： 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。共五十六頁邁斯納效應(yīng)(xioyng)超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)(fxin)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

12、為完全抗磁性。共五十六頁邁斯納效應(yīng)(xioyng)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是零。零電阻和完全抗磁性是超導(dǎo)態(tài)兩個獨立(dl)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。共五十六頁BCS理論(lln)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(shy)弱耦合理論；不適應(yīng)于第二類超導(dǎo)體。共五十六頁低溫(dwn)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

13、照(nzho)磁場中的磁化行為，可將超導(dǎo)體分為兩類： 第一類超導(dǎo)材料 第二類超導(dǎo)材料共五十六頁高溫超導(dǎo)材料發(fā)展(fzhn)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(ynji)：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。共五十六頁高溫(gown)超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)(jigu)： 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： 組分可通過部分替代而在很寬的范圍內(nèi)變化。 或多或少的存在著氧缺位和A晶位陽離子的缺位。共五十六頁第五章：半導(dǎo)體材料(cilio) 半導(dǎo)體材料

14、的一般(ybn)性能 鍺、硅半導(dǎo)體材料 太陽能電池 化合物半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用共五十六頁半導(dǎo)體材料(cilio)的一般性能半導(dǎo)體材料的能帶特征(tzhng)： 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（ Paulis exclusion principle ）； 能量最小原理半導(dǎo)體中的電子與空穴 載流子共五十六頁半導(dǎo)體材料(cilio)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(jbn)

15、電學(xué)特性是單向?qū)щ娦?。共五十六頁半?dǎo)體材料的一般(ybn)性能半導(dǎo)體的光電性質(zhì)： 半導(dǎo)體中，電子(dinz)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)共五十六頁半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)(xioyng)當用適當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(chn wi)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。共五十六頁半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì)(xngzh)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

16、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(yndng)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)。共五十六頁硅材料(cilio)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(shupng)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共五十六頁第六章：電介質(zhì)材料(cilio) 電容器介質(zhì)(jizh)材料 壓電材料 熱釋電材料與鐵電材料 玻璃電介質(zhì)材料 有機電介質(zhì)材料共五十六頁電容器介質(zhì)(jizh)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(bl)電容

17、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。共五十六頁壓電材料(cilio)壓電效應(yīng)：對某些電介質(zhì)晶體(jngt)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)。共五十六頁壓電材料(cilio)具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電體。壓

18、電效應(yīng)產(chǎn)生的條件(tiojin)： 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)必須有帶正負電荷的質(zhì)點。共五十六頁有機(yuj)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(dinxin)和電纜的絕緣護套。共五十六頁第七章：光電子材料(cilio) 固體激光(jgung)材料 光導(dǎo)纖維 半導(dǎo)體發(fā)光材料 透明導(dǎo)電薄膜材料 光顯示材料共五十六頁固體激光(jgung)材料激光 - LASER： Light Amplificatio

19、n by Stimulated Emission of Radiation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(nngj)結(jié)構(gòu)。共五十六頁固體(gt)激光材料固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)(j zh)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)諧振腔共五十六頁固體激光(jgung)材料世界上第一臺激光器：紅寶石激光器典型(dinxng)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 激光躍遷能級屬于四能級結(jié)構(gòu)，激光儲能較低。共五十六頁光導(dǎo)纖維(un do xin wi)光纖基本結(jié)構(gòu)：芯料、包層和涂覆層利用光纖進行信息傳遞(chund)的基本原理：光的全反射原理。最主要的光纖材料：高純SiO2。共五十六頁光導(dǎo)纖維(un do xin wi)