chap1半导体材料的电学和光学特性

Chap1光电子材料：结构特性1Chap1光电子材料：结构特性1.1晶体1.2晶体结构1.3晶格的周期性1.4晶格指数1.5倒格子1.6晶体的对称1.7晶体的缺陷1.8材料的制备方法Chap1光电子材料：结构特性2过程Processing结构Structure性能效能Properties结构形成过程“材料工艺”中心环节材料学基础构件、器件的制备“材料选择”Performance光电子材料Goal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkages物质形态固态液晶液态气态晶体：长程有序多晶：微米量级的长程有序非晶/玻璃态：非长程有序，好的短程有序无序，流动性，同容器的形状相同无序长程有序，原子/分子具有流动性Chap1光电子材料：结构特性41.1晶体性能优异的光电子和电子器件材料是固态晶体半导体•控制或驱动的电子器件•光探测器件•光发射器件•光调制器件/光转换器件•光调制/光转换•光图像存储铁电/电介质Chap1光电子材料：结构特性5晶体晶体基本概念和结构(晶胞及其类型、配位数、空隙、粒子数计算、碓砌方式等)晶体类型和性质(4种晶体类型、结构和性质特点、晶格能、X-射线衍射等)堆积类型面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积（A3）体心立方密堆积（A2）简单立方堆积金刚石型堆积（A4）最密堆积1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性6什么是晶体？理想晶体中原子排列是十分规则的，主要体现是原子排列具有周期性，或称为长程有序。注意：（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；（2）周期性是晶体结构最基本的特征。1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性7􁭞CaCO3的结晶结构雪花的结晶结构􁭞􁭞􁭞􁭞􁭞􁭞1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性82.非晶态Noncrystals（玻璃glass)(无序disordered、无定形amorphous）1)位置（取代）无序：具有晶格的有序位置，但原子无序占据无序合金无序固溶体有序无序Reference:R.Zallen,非晶态固体物理学（中译本）科学版1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性9•保持了熔体的“近程有序，远程无序”•各向同性：∞∞∞•介稳态——远离平衡态•无固定的简单化学式，玻璃组成可在一定范围变化•无固定的转变温度，转变是渐变的，包含有动力学因素：冷却速度，Tg②无规则网络（无机非金属/有机）玻璃Zachariasen(1932)无规则网络学说熔体固体快冷Tg(Tg玻璃转变温度)VTTmTg熔体过冷熔体玻璃晶体1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性10􁭞Be2O3的单晶和非晶结构􁭞􁭞􁭞􁭞1.1晶体Chap1光电子材料：结构特性11按来源分为：天然晶体（宝石、冰、砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）按大小分：单晶多晶微晶按成键特点分为：原子晶体：金刚石离子晶体：NaCl分子晶体：冰金属晶体：Cu晶体的分类1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性12⑴均匀性⑵各向异性⑶自发地形成多面体外形F+V=E+2其中，F-晶面，V-顶点，E-晶棱⑷有明显确定的熔点⑸有特定的对称性⑹使X射线产生衍射晶体性质1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性13晶格：简单晶格和复式晶格简单晶格中所有原子完全是“等价”的,每个原胞有一个原子。复式晶格实际上表示晶格包含两种或更多种等价的原子或离子，每个原胞有两个或更多个原子。就是由各等价原子组成的晶格相互穿套而成。什么是晶格？晶体中原子排列的具体形式一般称为晶体格子-晶格。1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性14简单立方晶格原子球在一个平面内呈现为正方排列，这样的原子层叠加起来得到的是简单立方晶格。1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性15体心立方晶格体心立方结构原子球排列方式：ABABAB体心立方晶格中，A层中原子球的距离等于A-A层之间的距离，要做到这点，A层原子球的间隙=0.31r0（r0原子球的半径）碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）过渡族（Fe-α、Cr、Mo、W）1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性16六角密排晶格原子在晶体中的平衡位置，排列应该采取尽可能的紧密方式，相应于结合能最低的位置。一个原子周围最近邻的原子数，可以用来描写晶体中粒子排列的紧密程度-配位数。1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性17A面B面A面…ABABAB…堆积[六角密排晶格HCP)]密堆积方式Zn，Mg，Cd属六角密排晶格1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性18面心立方晶格Cu，Ag，Au，Al属面心立方，1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性19A面B面C面A面…ABCABCABC…堆积[面心立方(FCC)]密堆积方式1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性20金刚石晶格􁭞􁭞􁭞由碳原子构成，在一个面心立方原胞内还有四个碳原子，分别位于四个对角线的1/4处。一个碳原子和其他四个碳原子构成一个正四面体。Ge、Si的晶体结构同金刚石结构相同。金刚石石墨1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性21几种化合物晶体结构Na+和Cl-分别构成面心立方，两个面心立方各自的原胞具有相同基矢，只不过互相有一位移。1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性22•在一个箱子中装满实心球–填充因子=箱中所有实心球体的体积/箱子体积•晶体材料:–原子的填充因子=在一个原胞中所有原子的体积/原胞的体积原子的填充因子(APF)APF=原胞中所有原子的体积*原胞体积*假设所有原子都是实心球1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性23•立方原胞是3D重复单元•具有这种结构的材料很少(只有Po具有这种结构)•紧凑排列(原子最紧邻的方向)的方向是立方棱•配位数#=6(#最近邻的原子个数)简单立方结构1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性24•简单立方结构的APF=0.52R=0.5a包含8x1/8=1原子/原胞晶格常数密堆积方向aAPF=a343p(0.5a)31原子原胞原子体积原胞体积简单立方结构1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性25•配位数#=8(CourtesyP.M.Anderson)•紧凑排列(原子最紧邻的方向)的方向是立方对角线.体心立方结构(BCC)1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性26aR•体心立方结构的APF=p3/8=0.68APF=a343p(3a/4)32原子原胞原子体积原胞体积密堆积方向:长度=4R=3a原胞中原子1+8x1/8=2原子/原胞体心立方结构(BCC)1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性27•配位数#=12•紧凑排列(原子最紧邻的方向)的方向是面对角线.面心立方结构(FCC)1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性28a•面心立方的APF=p/(32)=0.74(对相同球体的最好堆积方式)面心立方结构密堆积方向:长度=4R=2a原胞中原子6x1/2+8x1/8=4原子/原胞APF=a343p(2a/4)34原子原胞原子体积原胞体积1.2晶体结构Chap1光电子材料：结构特性29原胞◆原胞（Primitivecell）能够反映晶体周期性的最小单元（体积）；每个原胞只含一个格点晶格周期性的描述-原胞和基矢1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性30原胞的基矢：原胞的边矢量1a2a3a1a2a3a)(321aaaV1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性31◆晶胞（Unitcell）：能够反映晶格的对称性和周期性的结构单元（Bravais原胞）cbacba;、、晶胞的基矢：简立方晶格◆简立方晶格的原胞与晶胞在一些情况下，原胞就是晶胞，但一些情况下不是。1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性32面心立方晶格◆面心立方晶格的原胞与晶胞NaCl晶体结构图1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性33◆面心立方晶格的原胞与晶胞金属中Cu、Ag、Au、Al、Pb、Fe-γ、Ni，惰性原子)(21kjaa)(22kiaa)(23jiaa1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性34体心立方晶格◆体心立方晶格的原胞与晶胞)(21kjiaa)(22kjiaa)(23kjiaa碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）过渡族（Fe-α、Cr、Mo、W）1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性35◆体心立方晶格的原胞与晶胞)(21kjiaa)(22kjiaa)(23kjiaa碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）过渡族（Fe-α、Cr、Mo、W）1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性36晶格的周期性的描述----布拉伐格子对于简单晶格，任一原子A的位矢：332211alalalRl1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性37复式晶格任一原子A的位矢332211alalalrRala=1，2，3……ra是原胞中各种等价原子之间的相对位移。1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性38Bravais格子由332211alalal确定的空间格子晶体可以看作是在布拉伐格子的每一个格点上放上一组原子（Basis基元）构成的。◆格点◆Bravais点阵1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性39◆晶格（Lattice）：格点的三维空间结构Bravais格子晶格晶体结构＝基元+晶格1.3晶格的周期性Chap1光电子材料：结构特性401.4晶格指数布拉伐格子的特点：所有格点周围的情况都一样。一、晶列晶体的晶向：在布拉伐格子中作一族平行的直线，这族直线将所有的格点都包括无遗，这些平行直线称为晶体的晶列。每一族晶列定义了一个方向，称为晶向。Chap1光电子材料：结构特性41晶列的特点（1）一族平行晶列把所有点包括无遗。（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。（3）通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。（4）有无限多族平行晶列。1.4晶格指数Chap1光电子材料：结构特性42任一格点A的位矢Rl为Rl=l1a1+l2a2+l3a3式中l1、l2、l3是整数。若互质，直接用他们来表征晶列OA的方向（晶向），这三个互质整数为晶列的指数，记以[l1l2l3]ORlAa1a2a31.4晶格指数晶向表示方法：原胞是最小重复单元，格点只在原胞的顶角上。同样，在结晶学上，原胞不是最小的重复单元，而原胞的体积是最小重复简单整数倍，以任一格点o为原点，a、b、c为基矢，任何其他格点A的位矢为kma+knb+kpc其中m、n、p为三个互质整数，于是用m、n、p来表示晶列OA的方向，记以[nmp]。Chap1光电子材料：结构特性43简单立方晶格的晶向对于简单立方晶格来说，1.4晶格指数Chap1光电子材料：结构特性44晶面----在布拉伐格子中作一族平行的平面，这些相互平行、等间距的平面把所有的格点包括无遗，这些平面成为晶面。二、晶面1.4晶格指数Chap1光电子材料：结构特性45。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。晶面的特点：（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面.（2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；（4）晶格中有无限多族的平行晶面。1.4晶格指数Chap1光电子材料：结构特性46三、晶向一族晶列的特点是晶列的取向，该取向为晶向；同样一族晶面的特点也由取向决定，因此无论对于晶列或晶面，只需标志其取向。注：为明确起见，下面仍只讨