中科大材料科学课件04固体中的缺陷

第四章固体中的缺陷

材料性质缺陷的形式与角色合金（Sterling银：92.5%Ag,7.5%Cu）积体电路自然与特意外加缺陷晶体缺陷：原子尺寸分类：几何与维次点、线、面、体点缺陷空穴（vacancy）Nv=Nexp(-Qv/kT)k:BoltzmannConstant=1.38x10-23joule/atom-K=8.62x10-5eV/atom-KNv/N~10-4

（熔点）自体填隙原子（self-interstitial）Qi高固体中的杂质6-9（99.9999%）纯度金属合金（Sterling银：92.5%Ag,7.5%Cu）固溶体及/或第二相杂质种类、浓度、合金温度溶质（solute）：少量成份溶剂（solvent）：主要成份，母材（matrix）、主材（hostmaterial）

影响替代型固溶体形成因素原子大小：15%晶体结构：相同阴电性：差异小价数：易溶较高价数溶质Ni-Cu：完全互溶Ni:0.125nm,f.c.c.,1.8,+2Cu:0.128nm,f.c.c.,1.9,+1(+2)填隙原子型固溶体原子大小：Fe(0.124nm),C(0.071nm)溶解度：＜10%，CinFe：2%weightpercent（wt%,wt.%），atompercent（at%,at.%）C1=m1/(m1+m2)nm1=m1/A1C1’=nm1/(nm1+nm2)转换（conversion）C1’=C1A2/(C1A2+C2A1)C2’=C2A1/(C1A2+C2A1)C1=C1’A1/(C1’A1+C2’A2)C2=C2’A2/(C1’A1+C2’A2)差排（dislocation）边缘差排（edgedislocation）⊥┬螺旋差排（screwdislocation）混合差排（mixeddislocation）Burgers线路（circuit）：围绕并垂直于差排线之线路Burgers向量（vector）：决定晶格偏离方向与大小之向量界面缺陷外表面（externalsurface）：能量，形状晶粒界（grainboundary）双晶界（twinboundary）叠差（stackingfault）异相界（phaseboundary）磁区界（magneticdomainboundary）晶粒界小角度（small-angle）晶粒界倾斜（tilt）晶粒界扭曲（twist）晶粒界晶粒界能量角度、化学活性偏析(segregation)晶粒成长强度、密度显微镜光学显微镜电子显微镜扫描式、穿透式扫描探针显微镜穿隧式、原子力光学显微镜反射光金相图（metallograph）试片研磨侵蚀：晶面、相，状态晶粒界大尺寸（bulk）或体缺陷孔洞（pore）裂缝（crack）介在物（inclusion）析出物（precipitate）空洞（void）原子振动1013/s温度熔解穿透式电子显微镜波长：~0.004nm电磁透镜、真空试片厚度：~100nm对比鉴别率：0.18nm1,000,000x

结构(structure)

性质(property)

制程(processing)

功能(performance)材料科学工程要素ICThinFilmLab.NTHUAlM1CuM5CuM4CuM3CuM2WPlugMulti-LevelCuInterconnect(UMC)ICThinFilmLab.NTHU0.1

mGateoxide(2.8nm)Si3N4Self-alignedTiSi2Self-alignedTiSi2(UMC)HRTEMimageoftheinterfacesbetweenSEGSiandSisubstrateaswellastheoxidesidewall扫描式电子显微镜扫描、反射导电表面三度空间影像鉴别率：1-5nm100,000x元素分布ICThinFilmLab.NTHU1

m0.25

m,6-levelMetallization(UMC)扫描探针显微镜高鉴别率表面起伏各种介质电流、电子及其他作用力ICThinFilmLab.NTHU

STMimagesofas-cleanedSi(111)-7×7surface20nmx20nm20nmx20nmfilled-state(Vs=-1.5V)

empty-state(Vs=0.5V)