现代电子功能材料器件一课件.ppt

1、现代电子功能材料现代电子功能材料第一部分：授课第一章 晶体学基础与材料性能第二章 超导材料及其应用第三章 半导体材料第四章 信息记录与存储材料第五章 光导纤维材料第六章 光电子材料及其应用第七章 敏感材料及其应用第八章 智能材料与智能系统第九章第九章 贮氢材料贮氢材料第十章第十章 形状记忆合金形状记忆合金第二部分：课堂讨论主题1 半导体材料器件的可靠性主题2 半导体陶瓷主题3 光存储材料(光盘)主题4 磁存储材料(磁卡)主题5 器件的封装主题6 敏感材料(报警方面的应用)主题7 光电子材料主题8光纤材料主题9 压电材料主题10 磁性记忆合金主题11 贮氢材料及其他电池材料主题12 磁阻效应及其

2、应用参考书与参考资料1功能材料概论 殷景华,王雅珍,鞠刚主编,哈工大出版社2. 功能材料学概论 马如璋,蒋民华,徐祖雄主编,冶金出版社3. 电子器件导论 包兴,胡明主编, 北京理工大学出版社4. 电子材料导论 李言荣,恽正中主编,清华大学出版社5. 电子材料 贾德昌等主编,哈工大出版社电子功能材料的定义电子功能材料的定义定义1以发挥其物理性能，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互转换的特性为主，用于IT工业的材料。定义2凡具有能量与信息的发射，吸收，转换，传输，存储，控制与处理功能特性之一，或者是直接参与保障这些功能特性的顺利发挥，用于IT工业的材料电子功能材料的分

3、类（电子功能材料的分类（I）按定义1分类：1.利用物性： 电-半导体材料，超导材料，电阻材料 磁-磁记录材料，磁屏蔽材料 光-光纤，光记录材料 热-热敏电阻 其他 - 触点材料，集成电路基片材料2.利用物-物转换：光电子材料，磁敏材料3.利用力-物转换：压电材料，力敏材料4.利用化-物转换：气敏材料，湿敏材料电子功能材料的分类（电子功能材料的分类（II）按定义2分类：1.能量与信息的发射材料 - 热电子发射材料2.能量与信息的吸收材料 - 微波吸收材料3.能量与信息的转换材料 - 光电显示材料4.能量与信息的传输材料 - 超导材料，光导纤维5.能量与信息的存储材料 - 信息记录与存储材料6.能

4、量与信息的处理材料 - 半导体微处理器材料7.辅助材料 - 电阻，触点，基片，衬底，封装， 引线第一章第一章 晶体学基础与材料性能晶体学基础与材料性能1-1 晶体、非晶体与准晶体晶体、非晶体与准晶体一. 原子排列特点：晶体： 原子或原子团在三维空间呈规则周期排列；非晶体： 原子或原子团呈现长程无序、短程有序的排列；准晶体： 原子或原子团呈现准周期排列特点二. 表征方法：晶体： 将原子或原子团抽象成几何点(阵点阵点)，形成点的阵列(空间点阵空间点阵)；连接各阵点，形成空间格子(晶格)；从中取出分析单元(晶胞晶胞)；用个晶胞晶胞(点阵点阵)常数常数即可表征原子或原子团的排列规律。按点阵常数之间关系

5、，可将点阵分为七大晶系；按几何环境和物质环境相同的原则，可将点阵划分为十四种布拉菲点。非晶体： 采用径向分布函数径向分布函数来表征。准晶体： 采用拚砌花砖的方式三. 性能特点：晶体： 性能各向异性，具有固定的熔点；非晶体： 性能各向同性，无固定熔点；准晶体： 脆性较大1-2 化学键与晶体化学键与晶体结构与性质离子型晶体原子型晶体分子型晶体金属型晶体化学键类型离子键原子键(非极性共价键)分子间作用力(范德华力)金属键典型实例NaCl,CsCl金刚石，晶体硅，单质硼冰H2O干冰CO2各种金属与合金硬度略硬而脆高硬度软较高硬度熔点、沸点、挥发性熔点相对较高，沸点高，一般低挥发性熔点和沸点高，无挥发性

6、低熔点和沸点，高挥发性一般高熔点和沸点导热性不良导体不良导体不良导体良导体导电性固态不良导体，熔或溶态为导体非导体非导体良导体机械加工性不良不良不良良好1- 晶体结构与晶体缺陷晶体结构与晶体缺陷一一. 金属键晶体金属键晶体纯金属：bcc,fcc,hcp 固溶体(金属键)合金：金属间化合物(不一定全为金属键)二二. 共价键晶体共价键晶体配位数服从8-N法则；四价时：由两个面心立方沿体对角线错开四分之一体对角线形成(例如金刚石)三价时：层状结构二价时：链状结构(螺旋状)典型金属晶体结构典型非金属晶体结构金刚石晶体结构GaAs晶体结构三三. 离子键晶体离子键晶体 遵循鲍林结构规则： A. 负离子配位

7、多面体规则:在离子晶体中,正离子的周围形成一个负离子配位多面体,正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和,而正离子的配位数则取决于正负离子之比。B.电价规则数分别为正负离子的配位分别为正负离子的电荷，CNCN，ZZCNZCNZiiiinZSZnZS/:负离子的电价正离子的静电键强度. 负离子共用顶、棱和面规则：在一配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性，对于电价高、配位数低的正离子来说，这个效应尤其显著。D. 不同种类正离子配位多面体间连接规则：在含有二种以上正离子的离子晶体中，一些电价较高、配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。E. 节约规则：在同一晶体

8、中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。NaCl的晶体结构CsCl的晶体结构闪锌矿(立方ZnS)的晶体结构纤锌矿(六方ZnS)的晶体结构钙钛矿的晶体结构尖晶石的晶体结构1-4 能带结构与材料的导电性能能带结构与材料的导电性能1能带填充程度与晶体导电性能带填充程度与晶体导电性1.单个原子的能级大量(个)原子能级相加形成能带；2.满带若能带被2N个电子所填满，则 所产生的电流正好一一抵消，无电流产生，且外电场不改变满带中电子的分布；3部分填充能带中的电子可以导电(导带导带)电场作用下，电子在布里渊区的分布不再对称，总电流不为零。态态与kk二二. 导体的能带结构与导电性导体的能带结

9、构与导电性1. 金属的能带结构(v价带顶，Ec导带底)： EcEv，存在禁带Eg 例如：Na等碱金属 cEv，禁带Eg较窄(Eg2eV)，且价带被填满足1-5 功能材料的性能功能材料的性能一半导体的导电性一半导体的导电性.本征电导与本征半导体 半导体材料的禁带很小，在外界作用下，价带上的电子可跃迁到较高能级的空带上，在价带上留下空穴。在电场作用下，两者均可参与导电。 载流子：电子+空穴相应的半导体本征半导体2. 掺杂半导体施主能级与n型半导体在四价的单晶硅中掺入五价的原子(例如)，成键后，多余一个电子，其能级接近导带，易激发至导带，此能级被称为施主能级，掺入施主杂质的半导体被称为n型半导体 载

10、流子：电子受主能级与p型半导体在四价的单晶硅中掺入三价的原子(例如)，成键后，少了一个电子，其能级接近价带，易激发至导带，此能级被称为受主能级，掺入施主杂质的半导体被称为p型半导体 载流子：空穴影响掺杂半导体电导率的因素i受施主和受主杂质浓度的影响 ii. 与温度有关，低温时，杂质起主要作用；高温时，本征电导，与浓度无关二磁性二磁性磁性材料的技术磁参量磁化曲线和相应的磁参量s-饱和磁化强度s-饱和磁感应强度s-饱和磁极化强度磁化曲线：磁化率与磁导率相对磁导率动态磁导率最大磁导率起始磁导率磁导率磁化率0，HBHMmi居里温度c由铁磁性(亚铁磁性)转变为顺磁性的临界温度.剩磁(Br或Mr)与矫顽力

11、(c)E磁积能Bmm与最大磁积能(BH)m F. 磁损耗(由磁滞损耗、感应电流损耗及其他损耗组成)2. 磁性铁磁性在外磁场作用下，产生很强的磁化强度，去除外磁场后仍保持相当强的永久磁性，这种特性叫做铁磁性. 抗磁性一种很弱、只有外磁场存在时才能维持的磁性，磁矩方向与外磁场方向相反C. 顺磁性一种很弱、只有外磁场存在时才能维持的磁性，磁矩方向与外磁场方向相同反铁磁性相邻原子或离子的磁矩作反方向平等排列，总磁矩为零亚铁磁性某些陶瓷表现出来的、其饱和磁化强度比铁磁性低的永久磁性.三超导性1超导现象电阻突然消失、进入以零电阻为特征的现象。2.迈斯纳效应超导体一旦进入超导态，材料内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒等于零，这种现象称为迈斯纳效应note：i 无论通过什么途径进入超导态，均有这种效应出现，说明其与状态有关，与途径无关，是一种热力学平衡状态Ii与理想导体不同超导体的基本特征：零电阻R=0迈斯纳效应 B=0四光谱特性吸收光谱吸收系数与光波频率或波长之间的关系；光谱特性与物质组成、结构和周围介质的影响有关；2.发射光谱(荧光光谱)发射光子的能量与光波频率或波长之间的关系；同样与物质组成与结构及周围介质的影响有关；激光光谱使物质产生发光的激励光能量与光波频率或波长之间的关系