微电子概述

功能材料的缺陷化学伍媛婷0.1材料的发展历史及地位材料：人类能用来制作有用物件的物质。材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具，也是人类社会现代文明的重要支柱。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料的历史与人类史一样久远，可能还要比之久远呢。材料的发展对人类社会的影响——没有材料就是没有发展。现代科学技术的三大支柱－－能源、材料、信息，其中材料是基础。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段:（1）使用纯天然材料的初级阶段：旧石器时代。人类只能使用天然材料，之后也都只是纯天然材料的简单加工而已。（2）人类单纯利用火制造材料的阶段：新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代，主要材料有：陶、铜和铁。（3）利用物理与化学原理合成材料的阶段：20世纪初，由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。（4）材料的复合化阶段：20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。（5）材料的智能化阶段：如形状记忆合金、光致变色玻璃等等都是近年研发的智能材料。20世纪以来，物理、化学、力学、生物学等学科的研究和发展推动了对于物质结构、材料的物理化学和力学性能的深入认识和了解。同时，金属学、冶金学、工程陶瓷技术、高分子科学、半导体科学、复合材料科学以及纳米技术等学科的发展促进了各种新型材料的产生,并推进了对于材料的制备、生产工艺、结构、性能及其相互之间关系的研究，为材料的设计、制造、工艺优化和材料功能和性能的合理使用，提供了充分的科学依据。现代材料科学更注重于研究新型复合材料和纳米材料的制备和创新，以及各类材料之间的相互渗透和交叉的性能以及综合性能的研究给予了更多的重视。现代材料科学的发展不仅与揭露材料本质及其演化规律的物理化学性质和力学性能有关，而且与使用材料的工程技术学科以及制造加工材料的工程学科有着相互交叉性的密切关系。在此基础上，“材料科学与工程”逐步形成学科，并发展成为一门独立的一级学科。作为一级学科的“材料科学与工程”下分三个二级学科：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。新材料：指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料。当前新材料的发展方向：高性能化、高功能化、高智能化；复合化；极限化；仿生化；环境友好化。每一项重大新技术的发现，都有赖于新材料的发展。例如精细陶瓷材料，光导纤维材料，碳硼纤维材料，非晶态金属材料，记忆合金材料等，这些新材料的出现，大大促进了集成电路、电子计算机，宇航工业和原子能工业的发展，使人类跨进了以微电子技术为中心的信息时代。如半导体材料的工业化生产，使得元器件微型化、集成化、大规模处理和高速运算得以实现；耐高温、高强度材料的出现，促进了航空航天技术的蓬勃发展；隐身材料的研制，使军队作战出现了新的变化。未来的纳米材料及纳米技术将创造出最小的机器———分子机器，可解决目前无法解决的生物工程问题，它将开创生物学与技术的一个崭新时代；智能材料将会具有更强的仿生功能。材料科学的历史作用：强度的进步改进了交通工具刀具材料的发展：切速增长100倍导致高效加工和低成本。集成电路：器件缩小100万倍，单价下降100万倍。纳米材料与纳米技术是近些年来受到若干方面科学家重视的新领域。人们已经初步观察到在光、电、磁、热、力等方面一些新现象、新性能。生物材料也是人们十分感兴趣的领域之一。即以牙齿为例。它的基本组成是羟基磷灰石。我们的研究表明，它具有纳米结构，定向性很好，晶界有接近生物体的薄层，因此又具有较好韧性。然而人工合成羟基磷灰石需要一千度以上的高温，也难于得到定向的纳米结构。为什么人体能够在十分温和的环境下合成这类牙齿或骨胳？这引发出十分有兴趣的新领域——仿生合成（BiomimeticSynthesis）。ATP酶（分子马达）美国康纳尔大学研制成的“纳米直升机”示意图神奇的纳米碳管（密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍）载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形人工红血球Ti-Ni记忆合金血管支架Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth人造皮肤人造心脏人造肾脏0.2材料化学的任务材料科学是本世纪最活跃、最富生命力、最有发展前途的学科之一。材料永远是一切科学和技术发展必不可少的基石，对于一个国家的现代化建设的战略重要性不言而喻。材料化学主要研究材料的制备、组成、结构、表征、性质和应用。材料化学既是材料科学的核心内容，又是化学科学的一个组成部分，即材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。作为材料科学的一门主要分支，材料化学的内容主要包括材料的化学组成及结构方面的基础知识、材料相变的化学热力学理论，以及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料的合成过程、结构特性与使用性能之间的相互关系。0.3缺陷化学理想晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界的选择是不完整的点阵结构。如果把一个理想的完整晶体看成是完全有序的结构，那么它的原子是静止不动的，并且电子处在最低能量状态（价带），导带中的能级全部空着。实际上，真实晶体即使冷却到接近绝对零度的温度，它们也很少达到完全有序的状态。至少可以说，在绝对零度时，原子仍在作零点振荡，而这种振荡可以看做是缺陷的一种形式。分类:缺陷可以大致分为两类：非化学计量缺陷和化学计量缺陷缺陷的大小和形状也可用做分类的基础，由此可把晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。点缺陷及其浓度可用有关的生成能和其他热力学性质来描述，因而可在理论上定性和定量地把点缺陷当作实物，用化学的原理来研究它，此即所谓“缺陷化学”的方法。缺陷化学的研究对象是点缺陷，但不包括声子。缺陷化学研究内容涉及点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷之间的反应、点缺陷的存在所引起的固体中载流子（电子和空穴）的变化、点缺陷对固体性质的影响以及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。注意:在讨论无机非金属化合物的晶体结构时，一般是假定该化合物为离子晶体来讨论的，而不管此化合物的离子键成分有多大。按点缺陷产生的原因，可以把点缺陷分为热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、电子缺陷和带电缺陷。0.3.1热缺陷处在晶格结点上的原子，由于热振动的能量起伏，有一部分会离开正常位置，造成热缺陷。热缺陷是材料固有的缺陷，是本征缺陷的主要形式。本征缺陷主要是指空位缺陷和填隙缺陷以及错位原子所造成的缺陷，它们与温度的关系十分密切。根据缺陷所处的位置，热缺陷又分为弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷两种。0.3.2杂质缺陷外来杂质原子进入晶体会造成缺陷并可能会形成固溶体。固溶体是一种“固态溶液”，它可看成是杂质（溶质）在主晶体（溶剂或称为基质）中溶解的产物。外来物质以第二相的形式存在于晶体中，不归入杂质缺陷的范畴。0.3.3非化学计量缺陷非化学计量化合物的晶格结点中带有空位，或含有处于间隙位置的填隙原子，存在着缺陷，在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征；而热缺陷并不会造成组成的改变。非化学计量缺陷也是某些固体材料所固有的，尽管它的浓度不仅会随温度而变化，且会随周围气氛性质及其分压大小的改变而改变；但热缺陷一般与气氛无关。有的学者把严格意义上的非化学计量缺陷也归类到本征缺陷。0.3.4电子缺陷和带电缺陷在实际晶体中，会存在着电荷缺陷，在导带中有电子，在价带中有电子空穴。电子和空穴也是一种缺陷，总称为电子缺陷。过剩电子或空穴被束缚在缺陷位置上，形成一个附加电场，引起晶体中周期性势场畸变，所以称它们为带电缺陷。非化学计量缺陷也带有电荷，有人因此把它归类到带电缺陷中。0.4教材及参考书目选用教材：《功能材料的缺陷化学》蒲永平编，2007.12，化学工业出版社。主要参考书目:《材料化学》朱光明秦华宇合编，2005.6，机械工业出版社。《材料化学》李奇陈光巨编著，2004.12，高等教育出版社。《无机材料化学》林建华荆西平等编著，2006.2，北京大学出版社。