第二章(电性材料).ppt

第二章电性材料Chapter2ElectronicMaterials 主要内容 导电材料半导体材料超导材料 电性材料的类别 按电学性能特点 电性材料 导体 半导体 超导体 绝缘体 从材料的应用角度 电性材料 导电材料 电阻材料 电热材料 绝缘材料 第二章电性材料 导电材料可分为电子导电材料和离子导电材料两大类 三大类电子导电材料 导体 电导率 105S m 1 或 1 m 1 半导体 电导率 在10 8 104S m 1之间 超导体 电导率 趋于无限大 T Tc 第一节导电材料 导电材料 纯金属 合金 铜 铝 其他 银 金 镍 铂等 铜合金 铝合金 其他 银合金 金合金 镍合金等 导电材料的性能要求 高的电导率 高的力学性能 良好的耐腐蚀性能和加工性能 第二章电性材料 2 1导电材料 一 导电材料的种类及应用纯金属电导率 在107 108S m 1之间 1 铜纯铜 又称紫铜 外观呈淡紫红色 优点 良好的导电性 仅次于银 耐腐蚀性 塑性加工性 缺点 硬度低 耐磨性差 易与硫生成硫化铜而致使导电性能降低 因此 用铜制造的导线不能与硫化过的橡胶直接接触 使用时必须在铜导线外面预先镀好一层锡 影响铜导电性能的因素 杂质 如氧 冷加工等将降低铜的电导率 改善措施 在保护气氛下可以重熔出无氧铜 具有塑性高 电导率高的特点 冷加工制成的纯铜经400 600 C退火处理 可使其导电性能有所恢复 第二章电性材料 2 1导电材料 2 铝铝的电导率约为铜的61 密度为铜的30 机械强度为铜的1 2 比强度比铜高约30 优点 良好的导电性 资源丰富 价格便宜 缺点 强度低 热稳定性较差 不易焊接 与其他电极电位较大的金属 如铜 接触时耐腐蚀能力降低 例如 在环境潮湿中 易形成电动势相当高的局部电池而遭受严重的腐蚀破坏 因此 在选用铝材时 应避免高电极电位杂质的存在 而对铝线与铜线的接合处 则要增加保护措施 影响铝的性能的因素 杂质使铝的电导率下降 其中铬 锂 锰 钒 钛等影响较大 须严格控制 冷加工对铝的电导率影响不大 例如经90 以上冷变形 铝的抗拉强度可提高5 6倍 电导率降低约1 5 第二章电性材料 2 1导电材料 3 其他纯金属 1 银特点 具有最高的电导率 极好的加工性 但价格较高 在贵金属中 银又是价格最低的 应用 接点材料 云母与陶瓷电容器的被覆与烧渗银电极 银基焊料 导线电镀材料 制造高分子导电复合材料的导电相材料等 2 金特点 电导率与铝相近 化学性质稳定 但价格昂贵 应用 接点与电镀材料 引线和连接材料等 3 镍特点 熔点较高 便于焊接 应用 电真空器件 如支架 栅板 极板 隔离罩等 4 铂特点 良好的化学稳定性 良好的加工性 应用 触点材料 高温热电偶材料 厚膜导体及电极材料等 第二章电性材料 2 1导电材料 室温下一些纯金属的电导率 第二章电性材料 2 1导电材料 合金材料电导率 在105 107S m 1之间 1 铜合金 1 银铜合金特点 银的加入提高耐热性和强度 但导电性能略有下降 应用 含银0 03 0 1 的银铜合金用作引线 电极 电接触片等 2 锆铜合金 Cu 0 2Zr 特点 强度和耐热性优于银铜合金 但成本较高 应用 代替银铜 用作高温引线和导线 3 铍铜合金特点 无磁性 高的耐蚀性 耐磨损性 耐疲劳性 铍的加入可提高强度 但电导率下降 应用 用作导电弹簧 电刷 插头等 4 铜镍合金特点 良好的耐蚀性 较高的杨氏模量 应用 继电器用弹簧 第二章电性材料 2 1导电材料 2 铝合金 1 铝硅合金特点及应用 铸造铝硅合金 11 13 Si 流动性好 线膨胀系数比铝小 具有良好的耐蚀性和焊接性 变形铝硅合金加工性能良好 用作连接线 2 铝镁合金 Mg 1 特点 加工简便 焊接性和耐蚀性较好 应用 软态合金可作电线电缆的芯线 硬态合金多作架空导线 3 其他合金材料 1 银合金和金合金特点及应用 良好的导电性 化学稳定性 常用作接点材料 2 镍合金特点及应用 良好的成型加工性 封装性 电镀性等 用作封装材料 第二章电性材料 2 1导电材料 室温下一些合金的电导率 第二章电性材料 2 1导电材料 二 电阻材料的种类及应用一类电阻率较高的导电材料 包括精密电阻材料和电阻敏感材料 锰铜电阻合金锰铜合金属铜 锰 镍系精密电阻合金 密度8 4 8 7 特点 电阻温度系数小 稳定性好 对铜热电势小 机械加工和焊接性能良好 但使用温度范围窄 应用 制作室温范围的各种中 低阻值电阻器 如标准电阻器 分流器 精密或普通的电阻元件 康铜电阻合金康铜合金含镍约40 密度8 88 若用铝代替锰铜中的镍 又可得到密度为8 00的新康铜合金 又称无镍锰白铜 特点 电阻温度系数低 抗氧化能力 机械性能 耐热性能优良 使用温度范围宽 缺点是对铜的热电势高 不适于作直流元件 应用 交流精密电阻器和电位器绕组等 第二章电性材料 2 1导电材料 镍铬系电阻合金1 镍铬电阻合金线特点 电阻率较高 耐热性 耐磨性 耐腐蚀性良好 使用温度范围宽 但电阻温度系数大 阻值稳定性差 应用 制造普通的线绕电阻器和电位器 2 镍铬合金薄膜特点 性能稳定 阻值精度高 电阻率高 阻值范围宽 电阻温度系数小 应用 制造金属膜电阻器 薄膜集成电路中的薄膜电阻器 3 镍铬基精密电阻合金特点 电阻率高 电阻温度系数小 耐热 耐磨 耐腐蚀 抗氧化 机械强度高 加工性能好 使用温度范围宽 但焊接性能比锰铜线差 应用 制造线绕电阻器 电位器 以及大功率 高阻值 小型化的精密电阻元件 第二章电性材料 2 1导电材料 贵金属电阻合金应用 精密线绕电位器绕组的重要材料 1 铂基电阻合金特点 电阻值适中 耐腐蚀 抗氧化性能极优 接触电阻小且稳定 硬度高 寿命长 加工性 焊接性良好 2 钯基电阻合金特点 电阻率高 电阻温度系数较低 接触电阻低而稳定 焊接性能好 价格较铂基电阻合金线低 但耐腐蚀性 抗氧化性较铂基合金差 3 金基合金特点 抗氧化性 耐腐蚀性仅次于铂 价格比铂低 金基二元合金电阻率低 电阻温度系数较高 硬度较低 不耐磨 金基多元合金 如金银铜线 金镍铬线 金镍铜线及金钯铁铝线等 具有高的电阻率 低的电阻温度系数 硬度 强度和耐磨性均有提高 4 银基合金特点 性能介于金基线和锰铜线之间 抗腐蚀性较锰铜线好 但不抗硫化和盐雾的腐蚀 因此使用价值不如金基电阻合金线 第二章电性材料 2 1导电材料 三 其他导电材料及应用电接触材料电接触材料是用于有滑动接点或分合接点的电子元件中的电接触连接的导电材料 又称为接点材料 接头材料 如可变电阻器 电位器 开关插头座 继电器等 电接触材料的一般要求 接触电阻低而稳定 无损耗 接触无变形 不熔接 开关准确等 常用材料 1 Ag Pd Au Pt等贵金属或以它们为基的合金 适用于较小电流的场合 2 W Mo Cu WC等为主要成分的合金材料 适用于较大电流的场合 电碳材料电碳材料是非金属高电阻导电材料 包括石墨等结晶形碳和炭黑 焦炭等无定形碳 用于制造电机电刷 电位器电刷 碳棒 各种电极等 复合导电高聚物复合导电高聚物由基体高聚物和导电填料以及增塑剂 溶剂 颜料等组成 第二章电性材料 2 1导电材料 半导体材料的重要性 半导体材料是微电子技术和光电信息技术的物质基础 半导体材料的发展与器件紧密相关 两者相互影响 相互促进 半导体材料的发展 1941年 半导体材料开始得到应用 1948年 世界上诞生了第一个具有放大性能的晶体三极管 1952年 世界上第一根硅单晶采用直拉法成功拉出 20世纪60年代初 硅材料单晶制备方法进一步得到改进和提高 70年代以来 半导体材料成功应用于集成电路 半导体材料的发展方向 高纯度 高完整性 高均匀性和大尺寸 第二节半导体材料 第二章电性材料 2 2半导体材料 世界上第一台电子计算机ENIAC 现在的笔记本电脑 第二章电性材料 2 2半导体材料 世界上第一只晶体管 世界上第一个集成电路 单晶硅集成电路 第二章电性材料 2 2半导体材料 一 典型半导体材料元素半导体半导体元素基本上处于 A族 A族的金属与非金属的交界处 约有十几种 如 族元素B 硼 IV族元素Ge 锗 Si 硅 V族元素S 硫 Se 硒 Te 碲 等 Si和Ge是第一代半导体材料的典型代表 应用最为广泛 第二章电性材料 2 2半导体材料 1 硅和锗 1 硅和锗的性质晶体结构金刚石立方化学键共价键 每一个原子贡献四个价电子 具有灰色金属光泽 硬而脆室温电子迁移率 e Ge 3800cm2 V s e Si 1800cm2 V s室温本征电阻率 Ge 2 3 105 cm Si 46 cm室温禁带宽度Eg Ge 0 67eV Eg Si 1 106eV 第二章电性材料 2 2半导体材料 2 硅和锗单晶的制备首先获得超高纯度的硅或锗的多晶材料 然后制备硅或锗单晶 区熔提纯原理 利用溶质在凝固时的重新分布来获得提纯效果 将原料装入螺杆状容器内 采用感应加热使一部分原料熔化 然后缓慢移动熔化部分 杂质 溶质 则陆续淀积于螺杆容器的终端 经过多次循环作用 即可获得到超高纯度的半导体多晶材料 有害杂质的含量小于0 01 10 6 第二章电性材料 2 2半导体材料 制备单晶的方法包括直拉法 区熔法 定向结晶法等 直拉法是制备大单晶的最主要方法 直拉单晶设备及剖面图 第二章电性材料 2 2半导体材料 直拉单晶原理 首先将区域熔炼法得到的高纯度硅或锗多晶材料装入坩埚中使之熔化 然后加热到比材料熔点稍高的温度后保持炉温 将籽晶夹在籽晶杆上 随后让籽晶杆下降 使籽晶与液面接触 接着缓慢降低温度 同时使籽晶杆一边旋转 一边向上提拉 这样晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大 最终成长为单晶硅锭或单晶锗锭 第二章电性材料 2 2半导体材料 单晶硅锭 单晶硅片 单晶硅片的平整度要求 硅片在25mm 44mm的范围内起伏不超过100nm 对比 相当于一个60m 105m的足球场地面起伏不超过0 24mm 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 硅和锗的主要用途硅 用于制造集成电路 可控硅 二极管 晶体管等 用于制造夜视镜和夜视照相机的红外聚焦透镜 超纯硅对1 7 m红外光透过率高达90 95 锗 用于制造红外器件 高频器件等 锗在红外及高频特性方面具有优良的性能 2 硒 1 硒的性质具有金属光泽 禁带宽度Eg约1 5eV 硒为空穴型导电的p型半导体 其空穴的迁移率很小 约0 1cm2 V s 以下 且随温度的升高而增大 2 硒的主要用途用于制造固体整流器 光电池等 硒整流器是最早的固体整流器之一 但其效率和允许电流密度均远低于锗 硅整流器 现已很少采用 第二章电性材料 2 2半导体材料 化合物半导体1 化合物半导体的类别 1 二元化合物半导体 A A族化合物半导体GaAs GaP InP InSb InAs GaN AlP AlAs AlSb GaSb等 B A族化合物半导体CdS CdTe CdSe等 A A族化合物半导体SiC 第二章电性材料 2 2半导体材料 A A族化合物半导体GeS GeSe SnTe PbS PbTe等 A A族化合物半导体AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3等 2 多元化合物半导体IB A A 2组成的多元化合物半导体如AgGeTe2 IB A A 2组成的多元化合物半导体如AgAsSe2 IB 2 B A A 4组成的多元化合物半导体如Cu2CdSnTe4 第二章电性材料 2 2半导体材料 2 族化合物半导体 1 砷化镓 GaAs 砷化镓是第二代半导体材料的典型代表 砷化镓的性质晶体结构闪锌矿型化学键共价键 每个原子和周围最近邻的四个其它原子发生键合 室温电子迁移率 e 8500cm2 V s 约为硅的7倍 室温禁带宽度Eg 1 424eV 比硅的大 第二章电性材料 2 2半导体材料 砷化镓单晶材料的制备制备砷化镓单晶的方法包括水平区熔法 定向结晶法 温度梯度法 磁拉法 浮区熔炼法 液体封闭直拉法等 液体封闭直拉法是制备砷化镓单晶的主要方法 液封直拉单晶原理 类似制备硅单晶的直拉法 将熔体用某种流体 如B2O3 覆盖 并置于惰性气体中 封闭系统保持高的压力 大于砷化镓的离解压 拉单晶的过程同直拉法 第二章电性材料 2 2半导体材料 砷化镓的主要用途主要用于制造光电子器件 光电存储器等 化合物半导体的应用 第二章电性材料 2 2半导体材料 2 其他 V族化合物半导体及应用 磷化镓 GaP 特点 高的光电转换效率 低电耗下具有高的亮度 磷化镓是高效率多色性发光材料 在掺入适当的杂质后 能发出红 绿 黄等颜色的光 应用 制造可见光发光二极管和数码管 磷化铟 InP 特点 物理性质与砷化镓相似 但电子迁移率更大 负阻效应更明显 应用 制造电子转换器件 场效应晶体管 激光器等器件 锑化铟 InSb 和砷化铟 InAs 特点 熔点较低 禁带宽度较小 磁阻效应显著 易于制备 应用 锑化铟 制造光电导型 光生伏特型 光磁电型探测器 砷化铟 制造光生伏特型探测器 利用InSb InAs的磁阻效应 制造霍尔器件和光磁电器件 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 族化合物半导体及应用 1 硫化锌 ZnS 和硒化锌 ZnSe 特点及应用 硫化锌 具有闪锌矿型和纤维锌矿型晶体结构 粉末状硫化锌是重要的光致发光 阴极射线致发光和电致发光材料 硫化锌单晶或烧结片是良好的红外窗口材料 单晶还可制造激光调制器 硒化锌 用于制造黄光和绿光结型发光器件 2 硫化镉 CdS 硒化镉 CdSe 和碲化镉 CdTe 特点及应用 硫化镉 属六方晶系 各向异性显著 粉末材料可制成电致发光器件 光敏电阻 光电池及太阳能电池等 单晶材料可用于红外窗口 激光调制器 射线探测器 光敏电阻等 硒化镉 制造光敏电阻 碲化镉 制作核辐射探测器 第二章电性材料 2 2半导体材料 4 其他化合物半导体及应用 1 碳化硅 SiC 和氮化镓 GaN SiC和GaN具有宽的禁带 是第三代半导体材料的典型代表 特点 碳化硅单晶禁带宽度较宽 化学性能稳定 临界击穿电压 热导率和饱和电子漂移速度高 应用 SiC制造高频 大功率 耐高温 抗辐射的半导体器件 如发热器或红外光源 发光二极管 GaN制备高亮度蓝光二极管 2 硫化铅等铅的硫族化合物半导体特点 禁带宽度小 红外光电导效应显著 应用 光敏电阻 近红外探测器 激光器材料 GaN蓝光二极管 第二章电性材料 2 2半导体材料 我国化合物半导体材料的研究和制备现状 我国在化合物半导体材料的研究和制备上与发达国家的差距较明显 主要体现在单晶片的研制水平和商品化方面 以GaAs为例 而在SiC和GaN研究方面 我国目前基本上还处于研究阶段 没有开始大规模生产 第二章电性材料 2 2半导体材料 5 固溶体半导体及应用固溶体半导体是由两种或两种以上的元素或化合物半导体相互溶合而成的材料 重要特性 禁带宽度可调 1 镓砷磷特点 由GaAs和GaP组成的固溶体 GaAs1 xPx 是一种可见光发光材料 随着x值由1变到0 发光波长由565nm GaP 变到900nm GaAs 应用 制作红 黄光二极管 2 镓铝砷特点 由GaAs和AlAs组成的固溶体 Ga1 xAlxAs 是可见光发光和激光材料 应用 发光二极管 双异质结激光器 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 碲镉汞特点 由CdTe和HgTe组成的连续固溶体 Hg1 xCdxTe 具有优越的光电特性 其本征载流子浓度低 电子有效质量小 电子迁移率高 电子与空穴迁移率比大 应用 制造高速响应器件 如高频调制器件 红外探测器件 光通讯器件等 美国F 16战斗机上装有碲镉汞红外探测阵列 4 碲锡铅特点 由PbTe和SnTe组成的连续固溶体 Pb1 xSnxTe x取某一特定值时 可使其禁带宽度Eg为零 应用 制造红外探测器件 5 碲锑铋和碲硒铋特点 碲锑铋是Sb2Te3和Bi2Te3组成的固溶体 Bi1 xSbx 2Te3 碲硒铋是Bi2Se3和Bi2Te3的固溶体 Bi2 Se1 xTex 3 应用 制造半导体致冷器件和温差发电器件 第二章电性材料 2 2半导体材料 典型的半导体器件1 半导体温度计原理 本征半导体的电导率与温度的依赖关系 选择适当的半导体材料 用灵敏度足够高的仪器测出其电导率的变化 从而测定出对应的温度 特点 灵敏度高 能够检测出约10 4K的温度变化 应用 火警报警器 2 光敏器件原理 具有足够能量的光子 E Eg 能够激发产生额外的载流子 同时使半导体的电导率增大 通过检测电导率 确定光线的强度 特点 灵敏度高 应用范围广 从紫外到可见光 并可延伸至红外光 应用 路灯自动通断用光感应器 红外探测器件 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 二极管最简单的二极管 在一块半导体单晶片上 采取一定的工艺措施 在两边掺入不同的杂质 分别形成p型和n型半导体 它们的交界面上就构成了p n结 即一个最简单的二极管 二极管的特性 单向导电 一个p n结二极管 第二章电性材料 2 2半导体材料 a 一个p n结二极管的构造 b 在正向偏压作用下非本征载流子的移动方向 称正向注入 c 在反向偏压作用下非本征载流子的移动方向 称反向抽取 d 二极管的电流与所加偏压之间的函数关系 二极管的工作原理 第二章电性材料 2 2半导体材料 4 晶体管最简单的晶体管 在一块半导体单晶片上 采取一定的工艺措施 在三个区域分别掺杂 形成串联的p n结 即一个最简单的晶体管 晶体管的特性 信号放大 一个npn双极结晶体管 第二章电性材料 2 2半导体材料 基区 集电区结上承受较大的反向偏压 Vbe 回路中的电流很小 发射区 基区结上受到较小的正向偏压的作用 Veb 在发射区 基区结界面附近区域中 发生空穴和电子的复合 这种复合并不能都准确地发生于结界面上 来自发射区的一些电子 在复合前已穿过发射区 基区结进入基区 若基区足够薄 则来自发射区的未复合电子将跨过基区 集电区结 电子一旦跨过基区 集电区结 将快速被吸引到集电区右侧高电位处 如果未复合电子足够多 就会有一个较大的电流流过外部负载 晶体管的工作原理 第二章电性材料 2 2半导体材料 二 半导体微结构材料江畸 Esaki 的 半导体超晶格 概念 使两种或两种以上性质不同的半导体单晶薄膜 厚度是晶格常数的几倍到十几倍 交替周期性生长 从而给天然材料加上一个人造周期势场 人为改变电子的行为 最终改变半导体材料的性质 半导体器件设计新思路 掺杂工程 能带工程 同质结和异质结1 同质结在同一种半导体单晶中通过掺杂形成的两种不同导电类型的交界面 即结 称为同质结 2 异质结在一种半导体单晶上生长另一种半导体 或金属 单晶 即异质外延生长 则两种材料间形成的交界面 也是一种结 称为异质结 第二章电性材料 2 2半导体材料 超晶格材料1 超晶格结构将半导体材料外延生长层沿生长方向周期性排列起来而形成的一种重复结构 称为超晶格结构 例如 在AlxGa1 xAs GaAs异质结的GaAs外侧再生长AlxGa1 xAs 然后在AlxGa1 xAs外侧再生长GaAs 即可以形成AlxGa1 xAs GaAs超晶格 2 超晶格种类 1 组分超晶格由不同半导体材料的薄膜堆垛而成的超晶格 称为组分超晶格 组分超晶格的特点 由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度Eg 因此在异质界面处的能带是不连续的 第二章电性材料 2 2半导体材料 2 掺杂超晶格在同一种半导体中用交替地改变掺杂类型的方法做成的人造周期性半导体结构 称为掺杂超晶格 掺杂超晶格的特点 选材广泛 任何一种半导体材料 只要控制好掺杂类型 都可以做成超晶格 结构完整性好 由于掺杂量一般较小 107 1019 cm3 杂质引起的晶格畸变较小 没有明显的异质界面 禁带宽度可调 只要选择好各分层的厚度和掺杂浓度 即可获得所需的禁带宽度 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 多维超晶格一维超晶格能够将电子和空穴限制在二维平面内 从而产生量子力学效应 因此 把载流子再限制在二维或三维等低维空间中 就可能会出现更多的新的光电特征 第二章电性材料 2 2半导体材料 4 应变超晶格初期研究超晶格材料时 因为考虑到不同晶体之间的晶格常数相差很大 容易引起薄膜之间产生失配位错而难以获得良好质量的超晶格材料 因此 除AlxGa1 xAs GaAs体系外 对其他物质形成的超晶格的研究工作不多 进一步的研究表明 如果多层薄膜的厚度十分薄 在晶体生长时反而不容易产生位错 也就是在弹性形变限度之内的超薄膜中 晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生 因此完全有可能制备出两种晶格常数相差较大的超晶格 即应变超晶格 例如 SiGe Si就是一种典型的应变超晶格材料 随着能带结构的变化 载流子的迁移率得以提高 因此可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件 第二章电性材料 2 2半导体材料 导带 导带 导带 价带 价带 价带 Eg 1 Eg 2 a b 物质1 物质2 组分超晶格及能带示意图a 组分超晶格b 能带图 n Si n Si n Si p Si p Si p Si Ec Ev Eg 2 Eg 1 掺杂超晶格及能带示意图a 掺杂超晶格b 能带图 a b 第二章电性材料 2 2半导体材料 三 非晶态半导体非晶态半导体的结构长程无序 短程有序 短程有序性 使得在非晶态半导体中能够测量到光吸收边 激活电导率等一些半导体的特性 从能带结构上看 非晶态与晶态并无本质差别 因此非晶态半导体仍可用能带结构对其主要性能进行研究 非晶态半导体的特点 对杂质的掺入不敏感 具有本征半导体的性质非晶态半导体结构不具有敏感性 掺入杂质的正常化合价都被饱和 即全部价电子都处在键合状态 因此在电学上表现为非激活状态 制备工艺简单 便于大量生产 且价格低廉非晶态半导体的非结晶性和没有方向性 因此不需要结晶方式 提纯 杂质控制等麻烦工艺 因此便于大规模生产 且价格便宜 第二章电性材料 2 2半导体材料 非晶态半导体的种类1 共价键型 1 四面体 结构 非晶半导体 A族元素非晶态半导体和化合物 Si Ge SiC等 A A族化合物非晶态半导体 GaAs GaP InP InSb GaSb等 特点 最近邻原子配位数为4 2 链状 非晶半导体S Se Te As2S3 As2Te3和As2Se3等 特点 上述 链状 半导体往往以玻璃态形式出现 即呈典型的非晶 第二章电性材料 2 2半导体材料 3 交链网络非晶半导体由 1 2 两类非晶半导体结合而成 Ge Sb Se Ge As Se As Se Te As Te Ge Si As2Se3 As2Te3 Tl2Se As2Te3等 2 3 两类非晶半导体因含有很大比例的硫系元素S Se或Te 故称为硫系非晶半导体 2 离子键非晶半导体氧化物玻璃 V2O5 P2O5 V2O5 P2O5 BaO V2O5 GeO2 BaO V2O5 PbO Fe2O3 MnO Al2O3 SiO2 CaO Al2O3 SiO2 FeO Al2O3 SiO2 TiO B2O BaO等 第二章电性材料 2 2半导体材料 非晶态半导体的制备1 四面体材料的制备真空蒸发法 溅射法 CVD等 真空蒸发或溅射制备的非晶硅薄膜 含有大量的硅悬键 隙态密度高 1019 1020 cm 性能差 通过氢化可以使隙态密度减小3 4个数量级 以辉光放电法制备的氢化非晶硅薄膜 Si H 质量最好 2 硫系及氧化物材料的制备液相快速冷却 非晶态半导体的应用 制成薄膜 作为光电材料 用以制造太阳能电池等 制作薄膜晶体管 图像传感器 光盘等 第二章电性材料 2 2半导体材料 第三节超导材料超导材料的重要性 超导体的特性得天独厚 在各种领域应用广泛 如超导输电 超导材料目前的局限性 笨重而昂贵的制冷包袱 无论从技术上 经济上和资源上都限制了超导材料的应用 超导材料的研究进展 目标 探索高临界温度的超导体 从1911年到1986年的75年间 超导体转变温度从水银 Hg 的4 2K提高到铌三锗 Nb3Ge 的23 2K 仅提高了19K 1986年以来 高临界温度的金属氧化物陶瓷超导体的研究取得重大进展 临界温度突破液氮温度 从而揭开高温超导体研究的序幕 纪录不断被刷新 第二章电性材料 2 3超导材料 超导材料按其Tc在液氮温度 77K 以上和以下 可分为低温超导体和高温超导体两类 一 低温超导体低温超导体临界温度较低 Tc 30K 其超导机理基本能用BCS理论解释 又称为常规超导体或传统超导体 元素超导体18种过渡族元素 Ti 钛 V 钒 Zr 锆 Nb 铌 Mo 钼 Ta 钽 W 钨 Re 铼 等 10种非过渡族元素 Bi 铋 Al 铝 Sn 锡 Cd 镉 Pb 铅 等 除V Nb Ta外 其余元素均属于第一类超导体 部分超导元素的临界温度和临界磁场 常压下 第二章电性材料 2 3超导材料 合金超导体合金超导体大多为第二类超导体 可用于超导磁体 超导大电流输送等 1 Nb Zr合金特点 良好的H Jc特性 在高磁场下能承受很大电流密度 延性好 抗拉强度高 但与铜的复合性能较差 须采用镀铜和埋入法 工艺较复杂 制造成本高 Nb 10 30at Zr合金的临界温度Tc约11K 2 Nb Ti系合金特点 临界磁场很高 机械性能优良 易于覆套铜层 价格便宜 但在轧制扁线时易产生显著的各向异性 使Jc降低 Nb 50 Ti合金的临界温度Tc约9 9K 为制造磁流体发电机大型磁体的理想材料 目前 Nb Ti系合金已基本取代Nb Zr系合金 第二章电性材料 2 3超导材料 一种典型的Nb Ti复合线截面图 第二章电性材料 2 3超导材料 一些合金超导体的临界温度和临界磁场 3 三元合金在Nb Zr和Nb Ti合金的基础上发展起来的高临界电流超导合金材料 临界温度约Tc约10K 如Nb Zr Ti Nb Ti Ta Nb Zr Ta Nb Ti Hf和V Zr Hf等 主要用于制造磁流体发电机的大型磁体 影响三元合金性能的主要影响因素 合金成分 含氧量 加工度和热处理等 第二章电性材料 2 3超导材料 化合物超导体化合物超导体具有较高的超导临界参数 在强磁场中性能优良 但成形加工性能较差 1 Nb3Sn特点 临界温度 18 1K 和临界磁场 在4 2K下约22 1T 高 在强磁场下能承载很高的电流密度 10T下约4 5 105A cm2 是制造8 0 15 0T超导磁体的主要材料 制备方法 串心线制造法 扩散反应制造法 蒸汽沉积制造法 复合加工法 青铜法 复合加工法 青铜法 在Cu Sn合金 青铜 基体中插入Nb棒制成复合体 然后采用挤压 拉丝等方式加工复合体 于600 700 C下进行热处理 Cu Sn基体中的Sn便与被加工成超细多芯状的Nb反应生成Nb3Sn 青铜法可以制备化合物超细多芯线 第二章电性材料 2 3超导材料 铜稳定化多芯扭绞超导线材Nb3Sn的截面示意图1 CuSn合金 2 Nb3Sn纤维 3 Ta层 4 纯铜 Ta的作用 阻止Sn扩散进入线材中心的纯铜层 Cu的作用 起分流 稳定化 作用 以防止超导线材 失超 失超 超导材料 不稳定性 的表现 当超导体受到很小的电流和磁场扰动时 就可能导致磁通线运动 磁通线一旦运动 超导体就表现出电阻 产生热量 由于超导材料导热性较差 热扩散的速度远远低于磁通扩散速度 磁通运动产生的热量来不及散发出超导体 从而使超导体的温度迅速升高 最终当超导体的温度高于其临界温度 即产生 失超 超导体一旦 失超 就会造成设备烧坏直至更严重的后果 第二章电性材料 2 3超导材料 2 V3Ga特点 临界温度 14 5K 和临界磁场 在4 2K下约24T 高 在强磁场 10T 下 临界电流密度Jc值比Nb3Sn高 制备方法 表面扩散法 原位法 复合加工法 与Nb3Sn的青铜法相似 3 Nb3 Al Ge 特点 Nb3 Al0 75Ge0 25 的临界温度Tc能高于氢的沸点 约为21K 并具有极高的临界磁场 在4 2K下约42 0T 为现有超导材料中的最高 但临界电流密度较低 约在103 104A cm2的数量级 一些化合物超导体的临界温度和临界磁场 第二章电性材料 2 3超导材料 二 高温超导体高温超导体的研究历史 1964年发现第一个氧化物超导体SrTiO3 Tc超过13K 1986年4月 缪勒和柏诺兹制备出La Ba Cu O系样品 Tc 35K 1986年12月15日 朱经武等获得Tc为40 2K的La Ba Cu O 1986年12月26日 赵忠贤等研究出Tc为48 6K和70K的Sr La Cu O和La Ba Cu O 1987年2月16日 朱经武等获得Tc为92K的Y Ba Cu O 1987年2月24日 赵忠贤等获得液氮温区的超导体Y Ba Cu O 1987年10月14日 缪勒和柏诺兹获得1987年度诺贝尔物理学奖 第二章电性材料 2 3超导材料 高温超导体的特征 具有变形钙钛矿原胞的层状堆砌结构 晶胞具有很强的低维特点 三个晶格常数往往相差3 4倍 输运系数 电导率 热导率等 具有明显的各向异性 均属第二类超导体 载流子浓度低 且多为空穴型导电 隧道实验表明存在能隙 高温超导体的种类1 氧化物超导体公共特征 具有层状的类钙钛矿型结构组元 整体结构由导电层 铜氧层 和载流子库层 其他层状结构组元 构成 导电层 铜氧层 上主要发生超导电 载流子库层调节铜氧层的载流子浓度或提供超导电性所必需的耦合机制 导电层中的载流子数由体系的化学性质以及导电层和载流子库层之间的电荷转移确定 第二章电性材料 2 3超导材料 1 镧锶铜氧化物 La Sr Cu O 超导体La2 xMxCuO4 M Sr Ba 由LaCuO4掺杂得到 具有K2NiF4结构 特点 具有准二维结构特征 属四方晶系 纯La2CuO4没有超导电性 有过量氧的La2CuO4 才是超导体 当部分La3 离子被二价Ba2 和Sr2 替代时才显示出超导性质 超导转变温度在20 40K之间 2 钇钡铜氧化物 YBa2Cu3O7 超导体YBa2Cu3O7 由三个类钙钛矿单元堆垛而成的 特点 随氧含量的降低 结构由正交相转变为四方相 Tc逐渐降低 三个典型YBa2Cu3O7 超导相 Y 123 YBa2Cu3Oy Tc 93K Y 124 YBa2Cu4Oy Tc 80K Y 247 Y2Ba4Cu7Oy Tc 40K 第二章电性材料 2 3超导材料 第二章电性材料 2 3超导材料 3 铋锶钙铜氧化物 Bi Sr Ca Cu O 超导体Bi Sr Ca Cu O Bi2Sr2Can 1CunO2n 4 n 1 2 3 4 体系有四种超导相 对应4个n值 2201相 2212相 2223相和2234相 均具有高的Tc 特点 一些Cu O层被Bi2O2双层隔开 不同相的结构差异在于相互靠近的Cu O层的数目和Cu O层之间Ca层的数目 各超导相在结构上有相似性 形成能也较接近 因此在制备时有多相共生现象 4 铊钡钙铜氧化物 Tl Ba Ca Cu O 超导体特点 Tl Ba Ca Cu O有两种体系的相 一种是Tl2Ba2Can 1CunO2n 4 有与Bi Sr Ca Cu O体系结构类似的四个超导相 即 Ti 2201相 Ti 2212相 Ti 2223相和Ti 2234相 Tc更高 另一种是TlBa2Can 1CunO2n 3 n 1 2 3 4 5 特点是Cu O平面被Tl O单层隔开 第二章电性材料 2 3超导材料 5 汞钡钙铜氧化物 Hg Ba Ca Cu O 超导体特点 为目前所发现的临界温度Tc最高的超导体 晶体结构与TlBa2Can 1CunO2n 3 n 1 2 3 4 5 超导相很相似 为四方晶系结构 Tc最高达134K 三个典型的超导相 Hg1201 HgBa2CuO4 Tc为94K Hg1212 HgBa2CaCu2O6 Tc为129K Hg1223 HgBa2CaCu2O8 Tc为134K 6 钕铈铜氧化物 Nd Ce Cu O 超导体特点 Nd2 xCexCuO4氧化物超导体为第一个电子导电型氧化物超导体 属四方结构 尽管Tc24K 但因载流子性质和La Ba Cu O La Sr Cu O Y Ba Cu O Bi Sr Ca Cu O Tl Ba Ca Cu O等超导体不同 因而对超导机制有重要意义 第二章电性材料 2 3超导材料 高温超导体系列 第二章电性材料 2 3超导材料 2 非氧化物超导体非氧化物高温超导体主要是C60化合物 1991年贝尔实验室合成出K3C60超导体 Tc 18K 其中 ICl xC60和IxC60具有较高的临界温度 特点 稳定性极高 原子团簇的独特掺杂性质来自其特殊的球形结构 其尺寸远远超过一般的原子或离子 非氧化物超导体 第二章电性材料 2 3超导材料 高温超导材料1 铋系氧化物超导线材日本科学家研制成功的一种超导线材 线材的芯体由1330条超导线材集束而成 Tc 102K 在无磁场 液氮温度下 Jc 1000 2000A cm2 日本住友电气工业公司开发出60m长的高温超导线材 该线材是在铋系高温超导物质外覆盖银后 烧制成宽4mm 厚0 4mm的带状 经通电实验 在 256 C时流过电流的绝对值为10 5A 电流密度为2450A cm2 已达到实用化的水平 2 高温超导棒材朱经武领导的休斯敦大学研究小组研制成功的高温超导棒材 应用 连续制造法 制造出各种规格的超导体 有片状 棒状 线状 甚至厚膜 这类高温超导棒材能够承载大电流 约为60000A cm2 足以驱动某些发动机和发电机 从而使这项