[工学]01[1]电子材料概论

电子材料电子材料物理科学与技术学院物理科学与技术学院王彩霞王彩霞* 1课程性质和任务课程性质和任务本课程为本专业高年级专业课，它紧密地把基础理论与生产实践溶于一体。学生学习本课程后，更深入掌握电介质物理、磁性物理的基础知识，具备从事电子材料生产、研究、应用和开发的基本能力；本课程又为后续专业课程基础，直接同电子器件和电子材料测量密切结合。因此本课程为本专业重要专业课程。电子材料的重点是阐明各类电子材料晶体结构、电磁特性及影响因素、基本工艺，为研制电子材料奠定理论与实践的基础 . Date 2前 言电子材料是当前材料科学的一个重要方向，品种电子材料是当前材料科学的一个重要方向，品种多、用途广、涉及面宽。是制作电子元器件和集成电路多、用途广、涉及面宽。是制作电子元器件和集成电路的基础，是获得高性能高可靠先进电子元器件和系统的的基础，是获得高性能高可靠先进电子元器件和系统的保证。同时还广泛应用于印制电路板和微线板、封装用保证。同时还广泛应用于印制电路板和微线板、封装用材料、元器件和整机、电信电缆和光纤、各种显示器及材料、元器件和整机、电信电缆和光纤、各种显示器及显示板，以及各种控制和显示仪表等等。显示板，以及各种控制和显示仪表等等。* 3分类与特点分类与特点无机电子材料无机电子材料有机电子材料有机电子材料表面与界面表面与界面常用微观分析方法常用微观分析方法应用与发展动态应用与发展动态第一章第一章 电子材料概论电子材料概论* 41.1 电子材料的分类与特点电子材料的分类与特点 1.1.1 在国民经济中的地位 1.1.2 电子材料的分类 1.1.3 电子材料对环境的要求 1.1.4 电子材料与元器件Date 51.1.1 在国民经济中的地位在国民经济中的地位电子材料是指与电子工业有关的、在电子学与微电电子材料是指与电子工业有关的、在电子学与微电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路的物子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路的物质基础。质基础。 材料、能源和信息技术是当前国际公认的新科材料、能源和信息技术是当前国际公认的新科技革命的三大支柱。电子材料处于材料科学与工程的最技革命的三大支柱。电子材料处于材料科学与工程的最前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的质量，与电前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的质量，与电子工业的经济效益有密切关系。一个国家的电子材料的子工业的经济效益有密切关系。一个国家的电子材料的品种数量和质量，成了衡量该国科学技术、国民经济水品种数量和质量，成了衡量该国科学技术、国民经济水平和军事国防力量的一个主要标志。平和军事国防力量的一个主要标志。Date 61.1.2 电子材料的分类电子材料的分类 按 用途分：结构电子材料和功能电子材料。 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）稳定的一类材料； 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用和转换的非结构材料； 按组成（化学作用）分：无机电子材料和有机电子材料 无机电子材料可分为金属材料 (以金属键结合）和非金属材料（以离子键和共价键结合）； 有机电子材料主要是指高分子材料（以共价键和分子键结合）； 按材料的物理性质和应用领域分 : 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、压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等。 按应用领域分：微电子材料、电器材料、电容器材料、磁性材料光电子材料、压电材料、电声材料等； 传统电子材料与先进电子材料Date 71.1.3 电子材料对环境的要求 电子材料对环境的要求电子材料在做成元器件和集成电路之后，还应具电子材料在做成元器件和集成电路之后，还应具备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。主 备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。主 要表现在以下几方面：要表现在以下几方面：1. 温度温度2. 压力压力3. 湿度湿度4. 环境中的化学颗粒及尘埃环境中的化学颗粒及尘埃5. 霉菌和昆虫霉菌和昆虫6. 辐射辐射7. 机械因素机械因素Date 81.1.4 电子材料与元器件 电子材料与元器件1、电子材料对元器件和集成电路发展的促进作用、电子材料对元器件和集成电路发展的促进作用新型先进的电子材料的出现，就可能使电子元器件迅新型先进的电子材料的出现，就可能使电子元器件迅猛发展，并带来社会的进步。无源元件电阻器的发展猛发展，并带来社会的进步。无源元件电阻器的发展也是如此。每当出现一种新的电阻材料，接着就出现也是如此。每当出现一种新的电阻材料，接着就出现一种新型的电阻器。一种新型的电阻器。2、功能电子材料和结构电子材料在电子元器件中的作用、功能电子材料和结构电子材料在电子元器件中的作用电子元器件中的性能主要由其中的功能材料来决定的电子元器件中的性能主要由其中的功能材料来决定的。但是，有时结构材料对电子元器件的性能的影响也。但是，有时结构材料对电子元器件的性能的影响也很突出。很突出。Date 91.2 无机电子材料无机电子材料无机电子材料大部分是由原子或小分子组成的固态材料。无机电子材料大部分是由原子或小分子组成的固态材料。1.2.1 晶体的宏观特征晶体的宏观特征（ 1）有规则的外形（自范性）；）有规则的外形（自范性）；（ 2）晶体的均匀性，来源于晶体中原子排布的周期性规则，）晶体的均匀性，来源于晶体中原子排布的周期性规则， 宏观观察中分辨不出微观的不连续性。宏观观察中分辨不出微观的不连续性。（ 3）解离性；）解离性；（ 4）稳定性，晶体有固定的熔点。）稳定性，晶体有固定的熔点。（ 5）物理性质的各向异性）物理性质的各向异性Date 10所有点阵点分布在一条直线上。所有点阵点分布在一个平面上。所有点阵点分布在三度空间。直线点阵平面点阵空间点阵点阵聚乙烯分子周期性直线点阵点 阵 由点阵点在空间排布形成的图形将原子（分子，离子）中的一些位置（如重心等） 抽象成 几何学上的点点 阵 点1、空间点阵、晶胞和晶面的表示、空间点阵、晶胞和晶面的表示石墨平面点阵的例子NaCl结构类型的晶胞点阵参数：a, b, c, , , 空间点阵的例子晶胞的划分有多种方式，通常满足对称性的前提下，选取体积最小的晶胞。对于实际的三维晶体，将其 恰当 地划分成一个个完全等同的平行六面体，叫 晶胞。 它代表了晶体结构的基本重复单位。晶胞所选的单位向量要能满足晶体的周期 性晶胞的二个基本要素晶 胞 是晶体结构的基本重复单位。它有哪些特征，怎样描述这些特征呢？用 分数坐标 来表示用 晶胞参数 来表示晶胞晶胞的 大小和形状晶胞中各 原子的坐标位置 分数坐标分别为：212121:+CsZYPa bcybzcoxaXXYZCsCl晶胞Cs :Cl :For example!晶胞参数 :向量 a、 b、 c的长度及其间的夹角原子 P的位置可用向量 OP表示： OP xa yb zc .我们定义 x、 y、z为原子 P的分数坐标分数坐标 :由于点在晶胞内， x、 y、 z1晶面和晶面指标某晶面在三个晶轴上的截距分别是 ha、 kb、 lc。 (a,b,c为单位长度）其中hkl是晶面在晶轴上的截数。其倒数的互质整数比1 h1 k1 l = h* :k* :l*可 写为 （ h* k* l*） -晶面指数注意 :晶面指标代表 一组平行晶面晶面指数为（ 236）M1M3OacM2ha kblcb晶面 ： 由不同位置原子组成的平面 。例如：图中的 A、 C、 D、 E平面晶面指数 ：立方晶体的几组晶面指标（ 100） （ 111）（ 110）七类晶系的特性P I F立方a=b=c90= = =P I F正交Ca b c90= = =四方I 90= = =a=b cP七类晶系的特性三方a=b=c90= =PC单斜a b c90= = 90H六方a=b c= 90= = 120P三斜a b c单晶体是指在整个晶体内原子都按周期性的规则排列，而多晶体是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可以看成是由许多取向不同的小单晶体（又称为晶粒）组成的。1.2.4 实际晶体 1-4 电子材料的表面和界面物质和物质接触的界面 (interface)可分为如下六种情形： 研究这些界面，可用界面物理化学方法。除气体 -固体的交界面（称为表面）外，还包括陶瓷内部的气孔与晶粒形成的界面。液体 -固体界面在陶瓷液相烧结时能看到。对于固体 -固体界面，当这些固体属同一晶相，仅结晶取向不同时，这种界面称为晶界 (grain boundary)或晶体边界 (crystal boundary)，当这些固体晶相不同，即组成和晶体构造都不相同时，其界面称为相界 (phase boundary)。 1、理想表面理想表面是为分析问题方便而设定的一种理想的表面结构。理想表面实际上在自然界中并不存在。 1.4.1 表面的定义和种类2、实际表面在自然界中存在的表面称为实际表面，实际表面的性质、状态同加工方式、周围环境等有密切的关系。通常按照其清洁程度分为： 未清洁表面 、 清洁表面 和 真空清洁表面 等三种类型。3、 表面的范围从原子排列的角度来看，表面区原子的排列大概在几层原子厚度的范围内与体内有差别，金属约 13层，半导体为 46层，绝缘体要厚一些，约十到几十层。通常认为，距表面处 5100范围内，原子排列与体内有所不同。总之，针对不同研究对象，表面区的范围并不相同。 1.4.1 表面的定义和种类不存在吸附物也不存在氧化层的固体表面，称为清洁面。相对于理想表面而言，处于清洁表面的原子组分与位置往往发生变化，具体表现为偏析（或分凝）、驰豫、重构等。因为清洁表面的上方没有原子存在，表面原子会受到下层原子的拉力。如果表面原子没有足够的附加能量的话，将被拉到下面去，这部分附加能量称为 表面能 ，也称为表面张力。 1.4.2 清洁表面的原子排布（ 1） 驰豫1、 表面原子排列的调整驰豫结构是指表面区晶格结构保持不变，只是晶格常数变化 。 可大于零（晶格常数增加），也可以小于零。表面质点间的垂直距离为 ds，与体内质点间距 do相比有所膨胀。发生弛豫现象的原因是由于表面质点受力的情况不对称，它可以波及几个质点层，而每一层间的膨胀（或压缩）程度可能是不同的，而且越接近最表层变