电子材料物理全册配套最完整精品课件.ppt

1、电子材料物理全册配套最完整电子材料物理全册配套最完整 精品课件精品课件 电子材料物理电子材料物理 2 绪绪 论论 3 什么是材料什么是材料 世界万物，世界万物，凡于我有用者凡于我有用者，皆谓之材料。材，皆谓之材料。材 料是具有一定料是具有一定性能性能，可以用来制作器件、构件、，可以用来制作器件、构件、 工具、装置等物品的工具、装置等物品的物质物质。 4 一、材料发展与人类文明一、材料发展与人类文明 在历史上，人们将石器、 青铜器、铁器等当时的主导材 料作为时代的标志，称其为石 器时代、青铜器时代和铁器时 代。在近代，材料的种类及其 繁多，各种新材料不断涌现， 很难用一种材料来代表当今时 代的特

2、征。 5 材料是人类文明、社会进步、科学技术材料是人类文明、社会进步、科学技术 发展的物质基础和技术先导。发展的物质基础和技术先导。 产业产业 革命革命 时间时间技术革命技术革命 产业产业 结构结构 特点特点新材料新材料 第一次产 业革命 18世纪 60年代 蒸汽机的广泛 应用 内燃机的发明 纺织业、 汽车工业、 采矿业 以新能源的广泛使 用为突破口，带动 制造业的蓬勃发展 合金、 非金属材料、 化工材料 第二次产 业革命 19世纪 下半叶 电报、电话以 及集成电路的 发明 电气与电 子信息工 业 以电子通讯产业的 发展为突破口，在 计算机互联网技术 达到顶峰 电工电子材料 第三次产 业革命

3、20世纪 中叶 基因工程 生物、 医药产业 以计算机技术为基 础，涵盖计算机、 纳米、生物、医药 等领域，达到生物 与材料、能源、信 息等产业的整合。 电子、能源、 生物等材料 一、材料发展与人类文明一、材料发展与人类文明 6材料、能源、信息材料、能源、信息是是社会文明社会文明和和国民经济国民经济的三大支柱的三大支柱。 7 信息社会与信息材料信息社会与信息材料 信息社会：信息社会：3G-3T 信息感知信息感知 信息传输信息传输 信息处理信息处理 信息存储信息存储 计算机计算机 互联网互联网 物联网物联网 1945年年 1969年年 1999年年 半导体芯片材料半导体芯片材料 半导体光电子材料半

4、导体光电子材料 特种功能晶体材料特种功能晶体材料 光纤通信材料光纤通信材料 光电显示材料光电显示材料 信息功能陶瓷材料信息功能陶瓷材料 磁性材料磁性材料 信息材料信息材料+ 信息技术信息技术 海量存储、云计算、CDMA、DWDM、TD-LTE 信息社会与信息材料信息社会与信息材料 数字地球（数字地球（GPS、GIS） 雷达与遥感雷达与遥感 光纤通信光纤通信 铜线：400Kg/Km 光纤：27g/Km 二、材料的分类二、材料的分类 Classification （1）按状态分类）按状态分类 （2）按材料的尺寸分类）按材料的尺寸分类 （3）据材料的性能作用分类）据材料的性能作用分类 （4）按化学组

5、成分类）按化学组成分类 （5）材料按应用的领域来分类）材料按应用的领域来分类 9 气态 液态 固态 零维 一维 二维 三维 结构材料 功能材料 金属 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 材料按化学组成分类材料按化学组成分类 化学组成化学组成 components 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 10 复合材料复合材料 (a) 金属材料金属材料 Metals 金属材料是由化学元素周期表中的金金属材料是由化学元素周期表中的金 属元素组成的材料。属元素组成的材料。 分类分类 单质:由一种金属元素构成； 合金:由两种或两种以上的金 属元素或金属与非金

6、属元素构成。 基本特性基本特性 金属材料在常温下一般都是固体(Hg除外)，熔点较高， 有金属光泽，导热、导电性好。在力学性质方面，具有较 高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 11 电子行业常用金属： 金、银、铜、铂、 镍 导电浆料 (b) 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic nonmetals 无机非金属材料主要是指非金属单质和由无机非金属材料主要是指非金属单质和由 金属与非金属元素构成的氧化物、氮化物、金属与非金属元素构成的氧化物、氮化物、 碳化物、硫化物、硅化物、卤化物等材料。碳化物、硫化物、硅化物、卤化物等材料。 12 基本特性：基本特性： 大多数在常温下是绝缘体，自由电子

7、少，导电 性和导热性都很差；键合力强，熔点高，耐高 温抗氧化、耐腐蚀，坚硬，性脆。 种类繁多，用途各异，尚无统一完善的分类方法。种类繁多，用途各异，尚无统一完善的分类方法。 (b) 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic nonmetals 传统的无机非金属材料 主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的 材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 13 水泥 (cement) 指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又 能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在 一起的细粉状水硬性材料。 玻璃 (glass） 由熔体过冷制得的非晶态材料 耐火材料 (Fire clay

8、) 指耐火度不低于1580的无机非金属材料。 陶瓷 （Ceramic） 传统陶瓷是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料 经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。 先进（或新型）无机非金属材料 指用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅 化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的 材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机 涂层、无机纤维等。 (b) 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic nonmetals 第三代半导体：GaN、SiC，制备高功率、高频率、高工作温温度器件 高熔点化合物、易挥发化合物 高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚高聚物是由一种

9、或几种简单低分子化合物经聚 合而组成的分子量很大的化合物。合而组成的分子量很大的化合物。 (c) 有机高分子材料有机高分子材料 Polymers 橡胶 Rubber 室温弹性高，在很小的外力作用下，能产生很大的形变，外 力去除后，能迅速恢复原状。弹性模量小，约105104Pa。 纤维 Fiber 弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超过20%。纤 维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度 范围（-50150）内，机械性能变化不大。 塑料 Plastics 弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度稍高些， 受力形变可达百分之几至几百。 胶粘剂 Adhesiv

10、e 常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形， 外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。 基本特性：基本特性：有机高分子材料具有比强度高、弹性好、有机高分子材料具有比强度高、弹性好、 耐腐蚀、易成型、质轻、绝缘性好等特点。耐腐蚀、易成型、质轻、绝缘性好等特点。 15 (d) 复合材料复合材料 Composities 由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的 材料组合而成，并具有与其组成不同的新的性能的材料组合而成，并具有与其组成不同的新的性能的 材料。材料。 复合材料是多相材料，主要包括基本相基本相和增强相。增强相。 复合材料既保持原组成材料的重要特

11、色，又通过复合效应使 各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。 16 按基体材料分：金属基、陶瓷基、塑料基、橡胶基复合材料 按增强剂形状分: 粒子、纤维及层状复合材料 按复合材料的性能分: 结构复合材料和功能复合材料。 材料按应用领域分类材料按应用领域分类 17 建筑材料：水泥、砖、沙、玻璃等建筑材料：水泥、砖、沙、玻璃等 耐火材料：耐火砖、耐火纤维、石棉等耐火材料：耐火砖、耐火纤维、石棉等 电子材料电子材料：导电金属：导电金属 、半导体材料、功能陶瓷等、半导体材料、功能陶瓷等 能源材料：核材料、储氢材料、太阳能电池能源材料：核材料、储氢材料、太阳能电池 医用材料：输液器具、人造

12、器官、诊疗器具医用材料：输液器具、人造器官、诊疗器具 包装材料：满足产品包装要求的材料，如金属、玻璃、塑料、包装材料：满足产品包装要求的材料，如金属、玻璃、塑料、 陶瓷等陶瓷等 航空航天材料：涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、航空航天材料：涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、 密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于 高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。 材料的性质材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械负是指材料对电、磁、光、热、机械负 荷的反应，主要

13、决定于材料的组成与结构。荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。 使役性能使役性能是材料在使用状态下表现的行为，它与是材料在使用状态下表现的行为，它与 材料本身性能、器件中材料的结构设计、封装技材料本身性能、器件中材料的结构设计、封装技 术、工程环境密切相关。使役性能还包括可靠性、术、工程环境密切相关。使役性能还包括可靠性、 耐用性、寿命预测及延寿措施等。耐用性、寿命预测及延寿措施等。 合成与制备合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、 压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、 气相沉积、分子束外延、激光脉冲沉积等新工

14、艺气相沉积、分子束外延、激光脉冲沉积等新工艺 或化学方法，人工合成如超晶格、薄膜材料以及或化学方法，人工合成如超晶格、薄膜材料以及 纳米材料等新材料。纳米材料等新材料。 18 三、材料结构三、材料结构性能间的关系性能间的关系 Flemings（MIT，1989） 师昌绪（1999） 19 三、材料结构三、材料结构性能间的关系性能间的关系 性质性质 Properties 使役性能使役性能 Performance 合成合成/制备制备 Synthesis and Processing 成分成分/结构结构 Compositions and Structures （工程）（工程） （化学）（化学） （物

15、理学）（物理学） 成分 使役性能 性能 结构 合成/制备 材料理论与 制备设计 20 拓展读物拓展读物 成分分析：成分分析： 电子能谱仪（电子能谱仪（Electron Energy Disperse Spectroscopy， EDS）：电子显微镜中自带，微区成分分析（定量） 及元素分布（定性），包括面、点、线分布分析。 电子探针（电子探针（Electron Probe）：可以对试样中微小区 域（微米级）的化学组成进行定性或定量分析。可 以进行点、线、面扫描分析，得到分布图像。 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy， XPS）：能分

16、析材料中元素含量及元素的化合价。 21 材料的组成和结构测试技术材料的组成和结构测试技术 微观形貌测试：微观形貌测试： 光学显微镜光学显微镜：最大放大倍数1500倍 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（scanning electron microscope， SEM）：40-40万倍 透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission electron microscopy， TEM）：25-110万倍 结构分析：结构分析： X射线衍射（射线衍射（X-ray diffraction，XRD）：根据X射 线衍射图谱分析物相组成、材料结构、晶粒大小。 电子衍射电子衍射：根据电子衍射花斑对材料结构进

17、行分析。 22 材料的组成和结构测试技术材料的组成和结构测试技术 23 扫描电镜（扫描电镜（SEMSEM） ZBTCMF压敏陶瓷试样的晶 粒的能谱图 23 透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEMTEM） 24 Ba sites Ln sites Ba/Ln sites (b) 25 X射线衍射仪（射线衍射仪（XRD） 25 四、电子材料的特点及应用四、电子材料的特点及应用 电子材料电子材料是以发挥其物理性能（如电、磁、是以发挥其物理性能（如电、磁、 光、声、热等）或物理与物理性能之间、力光、声、热等）或物理与物理性能之间、力 学与物理性能之间、化学与物理性能之间相学与物理性能之间、化学与物理性

18、能之间相 互转换为主而用于互转换为主而用于电子信息工业电子信息工业的材料。的材料。 根据形态、成分、用途、功能的不同可以将根据形态、成分、用途、功能的不同可以将 电子材料分类。电子材料分类。 26 电子材料的定义与分类 1.1. 按用途分：按用途分：结构电子材料结构电子材料和和功能电子材料。功能电子材料。 u 结构电子材料是指能承受一定压力和重力，并能保结构电子材料是指能承受一定压力和重力，并能保 持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性等）持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性等） 稳定的一类材料，如开关、基板、稳定的一类材料，如开关、基板、PVBPVB电路板、封电路板、封 装材料等；装材

19、料等； u 功能电子材料是指除强度性能外，还有特殊性能，功能电子材料是指除强度性能外，还有特殊性能， 或能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作或能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作 用和转换的非结构材料；用和转换的非结构材料； 27 电子材料的分类电子材料的分类 2.2. 按材料的使用特性分按材料的使用特性分: : u 按材料的物理性质分：导电材料、超导材料、按材料的物理性质分：导电材料、超导材料、 半导体材料、绝缘材料（介电材料）、磁性材半导体材料、绝缘材料（介电材料）、磁性材 料、光学材料等。料、光学材料等。 u 按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电按物理效应分为：压电材料、

20、热电材料、铁电 材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、 声光材料、敏感材料、声光材料、敏感材料、LiLi离子电池材料等。离子电池材料等。 28 电子材料的分类电子材料的分类 29 3.3.按化学组成分：按化学组成分： u 金属材料金属材料( (以金属键结合），如金属布线、合金等；以金属键结合），如金属布线、合金等； u 无机非金属材料（以离子键和共价键结合），主要无机非金属材料（以离子键和共价键结合），主要 包括电子陶瓷、半导体材料；包括电子陶瓷、半导体材料； u 高分子材料（聚合物）（以共价键和分子键结合）；高分子材料（聚合物）（以共价键和分子键

21、结合）； u 复合材料；复合材料； 电子材料的分类电子材料的分类 4.4. 按结晶状态分类按结晶状态分类 u 单晶单晶材料材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，是由一个比较完整的晶粒构成的材料， 如单晶硅；如单晶硅； u 多晶多晶材料材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与是由许多晶粒组成的材料，其性能与 晶粒大小、晶界的性质有密切的关系，如电子晶粒大小、晶界的性质有密切的关系，如电子 陶瓷。陶瓷。 u 非晶态非晶态材料材料是由原子或分子排列无明显规律的是由原子或分子排列无明显规律的 固体材料，如液晶、高分子材料。固体材料，如液晶、高分子材料。 30 电子材料的分类电子材料的分类 电子材料是指与电

22、子信息工业有关的、在电子学与电子材料是指与电子信息工业有关的、在电子学与 微电子学中使用的材料，微电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电是制作电子元器件和集成电 路的路的物质基础物质基础。 材料、能源材料、能源和和信息技术信息技术是当前国际公认的新科技革是当前国际公认的新科技革 命的三大支柱。命的三大支柱。 电子材料处于材料科学与工程的最前沿。电子材料电子材料处于材料科学与工程的最前沿。电子材料 的优劣直接影响电子产品的质量。一个国家的电子材的优劣直接影响电子产品的质量。一个国家的电子材 料的品种数量和质量，成了一个衡量该国料的品种数量和质量，成了一个衡量该国科学技术科学技术、 国民经济

23、水平国民经济水平和军事和军事国防力量国防力量的主要标志。的主要标志。 31 电子材料的应用电子材料的应用 杜邦 TDK 32 计算机技术计算机技术 通信技术通信技术 传感技术传感技术 武器装备技术武器装备技术 光电显示技术光电显示技术 电子材料是信息技术发展的基础和先导电子材料是信息技术发展的基础和先导 电子材料电子材料 及器件及器件 电子材料的应用电子材料的应用 33 电子材料的应用电子材料的应用 电子材料的应用电子材料的应用 高性能高性能LTCC材料材料 （Low Temperature Co-fired Ceramics） 低温陶瓷材料低温陶瓷材料 陶瓷陶瓷/玻璃复合材料玻璃复合材料 微

24、晶玻璃微晶玻璃 主要应用于片式主要应用于片式 元件和集成电路元件和集成电路 电子材料的应用电子材料的应用 电子材料的应用电子材料的应用 电池 充电器 机壳 封装 连接件（耳机 插孔） 粘结件 按钮、按键 PCB（单层、多层） 电阻、电容、电感 天线、EMC屏蔽 滤波器、合路器 存储IC、CPU LCD显示（ITO，像素） TFT驱动 光学摄像头 麦克风、耳机 振动器 解码、降频模块 专用IC（导航） 电子材料的 物理效应 电子材料的 组份、结构 无源、有源 电子器件 37 电子材料的应用电子材料的应用- -总结总结 37 电子材料是电子、光电子元器件的物质基电子材料是电子、光电子元器件的物质基

25、 础和结构基础！础和结构基础！ 集成电路、微波集成电路、光电收发器件、集成电路、微波集成电路、光电收发器件、 基础无源器件、基础无源器件、PN结、三极管、敏感器件、结、三极管、敏感器件、 太阳能电池、光电显示、红外器件、频率太阳能电池、光电显示、红外器件、频率 器件、大功率电力电子器件、表面贴装元器件、大功率电力电子器件、表面贴装元 件、磁性器件、件、磁性器件、 n 现代社会对电子材料的要求：现代社会对电子材料的要求： 为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、数字为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、数字 化、多功能，现在社会要求电子元器件的开发生产必须向化、多功能，现在社会要求电子

26、元器件的开发生产必须向 小型化和微型化小型化和微型化、高频化和频率系列化高频化和频率系列化、集成化和模块化集成化和模块化、 无铅化和环境协调化无铅化和环境协调化的方向发展；因此，电子材料的发展的方向发展；因此，电子材料的发展 将尽可能适应电子元器件的这些应用要求。具体有以下几将尽可能适应电子元器件的这些应用要求。具体有以下几 个方面：个方面： u 结构与功能相结合结构与功能相结合 u 智能材料智能材料 u 减少污染减少污染 u 节省能源节省能源 u 长寿命和可控寿命长寿命和可控寿命 38 电子材料与元器件的发展趋势电子材料与元器件的发展趋势 电子电子材料物理材料物理是阐述各类电子材料晶体是阐述

27、各类电子材料晶体 结构、物理特性及结构与性能之间关系的一结构、物理特性及结构与性能之间关系的一 门基础学科，它是科技领域中技术密集型学门基础学科，它是科技领域中技术密集型学 科，涉及到材料科学、电子技术、物理化学、科，涉及到材料科学、电子技术、物理化学、 固体物理学和工艺基础等多学科知识。固体物理学和工艺基础等多学科知识。 39 五、课程内容与课程安排五、课程内容与课程安排 固体物理学固体物理学 半导体物理半导体物理 电介质物理电介质物理 磁性物理磁性物理 电子材料物理电子材料物理 电子器件电子器件 基础基础 n 电子材料物理基础电子材料物理基础 材料的晶体结构材料的晶体结构 晶体的缺陷与扩散

28、晶体的缺陷与扩散 材料的相变材料的相变 n 电子材料物理性能电子材料物理性能 材料的导电性能材料的导电性能 材料的介电性能材料的介电性能 材料的磁学性能材料的磁学性能 材料的光学性质材料的光学性质 40 课程内容课程内容 p掌握基本概念掌握基本概念 p弄清基本原理弄清基本原理 p培养分析问题、解决问题的方法和能力培养分析问题、解决问题的方法和能力 注重平时成绩，不以期终考试定终身注重平时成绩，不以期终考试定终身。 章节章节测验、作业、实践性环节：测验、作业、实践性环节：30-40% 结束性考试：结束性考试：60-70% 闭卷闭卷 课程要求课程要求 41 核心主干课程要求核心主干课程要求 自主学

29、习环节自主学习环节 42 课外辅导实验性研究 分组报告 作业 实践 环节 专题 讨论 结束 性考 试 形成性考核机制形成性考核机制 课堂练习 形式：形式：实践+分组讨论+汇报 分组：分组： p 物质结构分析 p 材料电导特性（Varistor） p 材料电导特性（PTC） p 材料的频谱特性 p 材料的介温特性（2组） p 铁电体的电滞回线 p 压电陶瓷的阻抗特性 实践研究环节安排实践研究环节安排 43 电子材料物理电子材料物理电子工业出版社电子工业出版社 电介质物理电介质物理机械工业出版社机械工业出版社 磁性物理磁性物理电子工业出版社电子工业出版社 Materials Science and

30、 Engineering William D. John Wiley CaO-NiO; Al2O3-ZnO (3)(3)固相部分互溶二元系基本相图固相部分互溶二元系基本相图 ）（）（）（ EEE CCCL 0 （Pb） T（） 183 E L L+ L+ + A F B CH G 100 （Sn） 60804020 0 100 200 300 0 （Pb） 102030 0 100 200 300 T（） L L+ + L L+ 0 （Pb） 102030 0 100 200 300 T（） L + d e f g L a b c SnwtSnwtSnwtL%8 .97%3 .18%9 .61

31、 Pb-Sn体系形成共体系形成共 晶结构示意图晶结构示意图 300 200 100 00 204060 80100 （Pb）（Sn） T（） 183 18.397.861.9 L j m k l 020406080100 （Sn）（Pb） 0 100 200 300 T（） L+ + L+ L 1745 E F MNLO 230 低共熔相图：低共熔相图：当将第二组分加到一种纯材料中时，凝固点 常常降低。 低共熔温度：液相线相交处的温度，也是出现液相的最低 温度。 相图特点：二元系统中含有从 两个端点组元处出发呈下降趋 势的液相线。 低共熔系统的主要特点：液相 形成温度的降低。 例如：Na2O-

32、SiO2系 （1710790） 低共熔相图低共熔相图 二元包晶体系二元包晶体系 (binary peritectic system) 熔点（A，B） 液相线（AP，PB） 固相线（AM，NB） 固溶度线（ME，NF） 包晶线包晶线：MNP f=2-3+1=0 包晶反应(peritectic reaction) 陶瓷中：FeO-MnO )()()(NPLM (3)(3)固相部分互溶二元系基本相图固相部分互溶二元系基本相图 B Pt 0 400 1200 1600 Ag T（） 204 0 6 0 8 0 800 wAg(%) L + L+ L+ 1772 1186MNP EF A 10.542.

33、466.3 （II） （I） B Pt 0 400 1200 1600 Ag T（） 204 0 6 0 8 0 800 wAg(%) L + L+ L+ 1772 1186 MNP EF A 10.542.466.3 (I) (II) 1 1 3 2 4 1以上 1NN开始 N结束 N以下 应用举例：区域熔炼（应用举例：区域熔炼（zone meltingzone melting） 一般是将高频加热环套在需精炼的棒状材料的 一端，使之局部熔化，加热环再缓慢向前推进，已 熔部分重新凝固。由于杂质在固相和液相中的分布 不等，用这种方法重复多次，杂质就会集中到一端， 从而得到高纯物质。 S L C0

34、 A Bxa T 分凝系数分凝系数 设杂质在固相和液相中的浓度分别为Cs和C1， 则分凝系数Ks为： Ks1，杂质在固相中的浓度大于液相， 当加热环自左至右移动，杂质集中在左端。 l s s C C K 区域熔炼（区域熔炼（zone melting） 一般情况下，在液态一般情况下，在液态 状态下状态下A A，B B二组分之间二组分之间 的互溶比固态下要容易。的互溶比固态下要容易。 这是由于液相原子间结这是由于液相原子间结 合力弱、合力弱、 间距大、间距大、 长长 程无序、程无序、 原子扩散容易原子扩散容易 的缘故。的缘故。 双相调幅双相调幅(binodal)： 钟罩形的双液相分离区钟罩形的双液

35、相分离区 双液相（两相）体系 钟罩型相图 （4）液相部分互溶体系液相部分互溶体系 与与SiO2有关的二元相图，有关的二元相图， 液态分离的较多，这液态分离的较多，这 种双相分离在固相也种双相分离在固相也 很常见。如：很常见。如：TiO2- SnO2、TiC-ZrC A+B L+B L+A L+B L L1+L2 A B E F G H K M N 偏晶反应偏晶反应（monotectic reaction）: L (G)S (B)+L (F) 共晶、包晶、偏晶对比共晶、包晶、偏晶对比 237 类别定义反应式反应类型实际特征 共晶 一定成分的液体同时 结晶出两种不同晶体 的恒温转变。 LA+B L

36、+ 分解 两种晶体同时 结晶(共结晶) 包晶 已结晶的固相与剩余 液相反应形成另一种 固相的恒温转变。 +L化合 一种晶体包裹 在另一种晶体 表面生长 偏晶 一定成分的液相在一 定温度下形成一种晶 体和另一种成分液相 的转变过程。 L1A+L2分解 一种晶体从液 体中偏析出来 （偏晶） (1)先看相图中是否存在稳定的化合物，如果有稳定化 合物，则可将稳定化合物作为一个独立的组元把相 图分为几个部分来分析研究。 4. 4. 二元相图分析方法二元相图分析方法 4. 4. 二元相图分析方法二元相图分析方法 (2)根据相区的接触法则，弄清各个相区 相区接触法则：在二元系相图中，相邻相区中相的数目或相

37、的种类只能相差一个(点接触情况除外)。 l三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。 (3)找出三相共存水平线及与其接触的3个单相区，由3个单相区与水 平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式这是分析复杂相 图的关键步骤关键步骤。 4. 4. 二元相图分析方法二元相图分析方法 (4) 分析典型体系随温度而发生的转变和变化规律 u 在单相区内，该相的成分与原体系相同 u 在两相区内，不同温度下两相的成分均沿其相界线 变化，两相的相对含量可由杠杆定律求得 u 三相平衡时，3个相的成分是固定的，反应前或反应 后各组成相的相对含量也可以

38、由杠杆定律进行计算 。 4. 4. 二元相图分析方法二元相图分析方法 某A-B二元系共晶反应式如下：L(75%B)(15%B)+(95%B) 试求含50%B的合金凝固后： （1）初生相及共晶体的质量分数； （2）相及相的质量分数； （3）共晶体中相及相的质量分数 例题例题1 1 100 B 解: (1)当T=T1，50%B成分达到D点， 三相平衡，对于B、D、E组成，反应前 =25/60=5/12; L=35/60=7/12， 且共= L =7/12 0 A T（） E L L+ L+ + A F B CH G 60804020 0 100 200 300 1550 7595 D T1 (2)

39、 对于B、D、G成分，反应后： =45/80=9/16; =35/80=7/16 (3) 共晶反应，对于B、E、G成分，反应后： =20/80=1/4; =60/80=3/4 应用应用 应用应用 1 性质性质 Properties 使役性能使役性能 Performance 合成合成/制备制备 Synthesis and Processing 成分成分/结构结构 Compositions and Structures （工程）（工程） （化学）（化学） （物理学）（物理学） 4 电子材料的结构 1 2 3 5 电子材料中的相变 晶体中的缺陷与扩散 电子材料的电导 电子材料的介电性能 6 电子材料

40、的磁学性能 电子材料物理 246 4 电子材料的电导电子材料的电导 传导电流的方式传导电流的方式 物质与电场的相互作用物质与电场的相互作用 感应电荷的方式感应电荷的方式 自由载流子的产生自由载流子的产生 自由载流子的输运自由载流子的输运 电导特性电导特性 感应电荷的产生感应电荷的产生 极化子的运动极化子的运动 介电特性介电特性 247 EE 1 RS El S I J I V R 电导率表示物质传送电荷的能力，单位S/m （2）电导的电导的微观本质：微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移。载流子在电场作用下的定向迁移。 （1） 4.1 电导电导的物理现象的物理现象 E v nqvnqJ E （

41、3）多种）多种载流子共存时：载流子共存时： iiii uqn 248 VS R 1 R 1 R 1 V I ag b 体积电阻率的测量 V I a g b 表面电阻率的测量 （4）电导率的测量）电导率的测量 2 1 VV r d R x r1 r2 2 r /r x2 dx R 12 S r r SS 2 1 ln 4.1 电导的物理现象电导的物理现象 V I S l 322131 1111 2llllllV I 高电导率材料-四探针法 4.2 4.2 电导的分类电导的分类 249 电流是电荷电荷在空间的定向定向运动。 电子电导电子电导 离子电导离子电导 载流子载流子电子电子/ /空穴空穴正负

42、离子、空位正负离子、空位 物理效应物理效应 霍尔效应电解效应 zxHy HJRE l d w g=CQ=Q/zF 250 4.3 4.3 离子电导离子电导 u 载流子载流子：离子离子 u 特特 点点：电解效应电解效应 电解效应：电解效应：在直流电场作用下，离子发生迁移并在直流电场作用下，离子发生迁移并 在电极附近发生电子得失（电化学反在电极附近发生电子得失（电化学反 应），产生新的物质应），产生新的物质。 法拉第电解定律法拉第电解定律：电解物质与通过的电量呈正比：电解物质与通过的电量呈正比 g=CQ=Q/zF g:电解电解物质的物质的量量(mol)；C: 电化当量电化当量(mol/C) Q:

43、通过通过的的电量电量(C); z: 电解物质的化合价电解物质的化合价 F: 法拉第常数，法拉第常数，9.6485104C/mol； 。 nq 251 一、离子电导中的载流子一、离子电导中的载流子 1、载流子来源：、载流子来源： (1) 热振动：热振动：由于热振动晶格离子离开晶格形成缺陷载 流子，一般在高温下产生。(热缺陷) (2) 杂质杂质：由杂质离子做载流子。(杂质缺陷) nq 252 一、离子电导中的载流子一、离子电导中的载流子 2. 载流子浓度：载流子浓度： (1) 本征载流子浓度：本征载流子浓度： )2exp(kTENN ff Nf：填隙离子浓度或空位浓度 N：单位体积阳离子个数 Ef

44、：弗伦克尔缺陷形成能 )2exp(kTENN ss Ns：肖特基空位浓度 N：单位体积离子对数 Es：离解一个阴离子和一个阳离子 并达到表面所需的能量 nq 253 1.1.离子电导中的载流子离子电导中的载流子 2. 载流子浓度：载流子浓度： (2) 杂质载流子浓度：杂质载流子浓度： 杂质离子浓度与杂质数量、种类有关。杂质离子浓度与杂质数量、种类有关。 杂质离子的存在：杂质离子的存在： 1 1、载流子数目增加、载流子数目增加 2 2、晶格点阵产生畸变，杂质离子、晶格点阵产生畸变，杂质离子离解活化能离解活化能下降。下降。 低温下低温下，离子晶体的电导由，离子晶体的电导由杂质电导杂质电导决定。决定

45、。 254 二、离子迁移率二、离子迁移率 以间隙离子在晶格间隙的扩散为例以间隙离子在晶格间隙的扩散为例 E1 填隙离子的运动势场 据波尔兹曼统计，在温度T时粒子具有 E1能量的几率和exp(-E1/kT)成正比例； 间隙原子在间隙处的热振动具有一 定的频率； 单位时间内填隙原子越过势垒的次数 为： P = exp(-E1/kT) 单位时间沿某一方向跃迁的次数为： P = /6exp(-E1/kT) 热运动宏观上无电导现象热运动宏观上无电导现象 离子电导离子扩散 E1：邻近离子的束缚势垒 255 在外电场存在时，间隙离子的势垒变化 U=Fa/2 净跃迁次数为：P= P顺- P逆 则P =/6ex

46、p(-E1/kT) exp(U/kT)-exp(-U/kT) 每跃迁一次间隙离子移动距离a， 间隙离子沿电场方向的迁移速度为： v=Pa =(a/6)(qa/kT)Eexp(-E1/kT) 载流子沿电场力的方向的迁移率为： =v/E=(a2q /6kT)exp(-E1/ kT) 一般离子的迁移率为10-1310-16 m2/sV, kT E e kT qa 1 6 2 E E1 UU U a 二、离子迁移率二、离子迁移率 三、离子电导率三、离子电导率 )exp( 6 )exp( 6 ) 2 exp( 2 1 1 22 1 22 kT EE kT aNq kT E kT aq kT E N )e

47、xp()exp( 1 1 1 1 T B A kT W A )exp()exp( 2 2 2 2 T B A kT W A 256 根据=nq，本征离子电导率可写出 本征离子电导率的一般表达式本征离子电导率的一般表达式 W1为电导活化能，包括缺陷 形成能和迁移能。B1=W1/k， A1为常数。 杂质离子电导率的一般表达式杂质离子电导率的一般表达式 A2=N2q2a2/6kT，N2为杂质离 子浓度，W2为电导活化能， 包括杂质离子离解活化能和 迁移能。 257 BT TB ee BB NN TBTB 斜率 杂质电导为主。，即离子晶体的电导以所以 能也小很多，但杂质离子的电导活化 多，尽管杂质离子

48、浓度小很 1ln lnln , , 0 / 12 12 12 ln T1 本征 杂质 低温下，杂质电导占优；低温下，杂质电导占优； 高温下，本征电导占优。高温下，本征电导占优。 TBATBA 2211 expexp 三、离子电导率三、离子电导率 258 1.温度温度：温度越高，离子电导越大。：温度越高，离子电导越大。 一般高温下本征离子电导为主，低温下杂质离子电导为主。 2. 晶体结构晶体结构：电导活化能包括缺陷形成能和迁移能，：电导活化能包括缺陷形成能和迁移能， 晶体熔点高，价键强，形成能高，电导率低； 正离子电荷少、半径小，活化能低，电导率高； 结构越致密，迁移能大, 电导率低。 3. 晶

49、格缺陷晶格缺陷：热激励、掺杂、气氛影响，导致载流：热激励、掺杂、气氛影响，导致载流 子浓度的变化子浓度的变化 四、影响离子电导率的因素四、影响离子电导率的因素 259 五、扩散系数与离子电导率的关系五、扩散系数与离子电导率的关系 在电场作用下，离子发生定向移动，同时发生浓度梯度的变化 J：扩散流密度 D：扩散系数 由载流子浓度梯度形成的电流密度 E存在时， 总的电流密度 热平衡时，Jt=0；载流子服从Boltzman分布 x n DJ x n qDJ 1 x V EJ 2 x V x n q-DJt )exp( kT qV nn 0 kT E e kT qa 1 6 2 kT E eaD 1

50、2 6 1 载流子服从Boltzman分布 )exp( kT qV nn 0 x V kT qn x n 热平衡时，Jt=0 0 x V x V kT qn q-D x V x n q-DJt kT nq D 2 q kT D 能斯特能斯特- -爱因斯坦方程爱因斯坦方程 五、扩散系数与离子电导率的关系五、扩散系数与离子电导率的关系 261 举例举例-Y-Y稳定稳定ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 立方晶四方晶单斜晶 CC23701000 相变中有9%的体积变化，难得到稳定的ZrO2烧结体， 在ZrO2中固溶少量的CaO，Y2O3可得到稳定型ZrO2 当VO较小时，i VO 随着VO，产生复合