【课件】电子材料(电子科技大学)-李言荣-(1-6章)

微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院李言荣李言荣前言电子材料是当前材料科学的一个重要方面电子材料是当前材料科学的一个重要方面,,品种品种多、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。��分类与特点分类与特点��应用与发展动态应用与发展动态2011-8-1131.11.1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2011-8-1141.1.11.1.1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物材料�是制作电子元器件和集成电路电子学中使用物材料�是制作电子元器件和集成电路的物质基础。材料、能源和信息技术是当前国际公认的物质基础。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前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的工程的最前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的质量�与电子工业的经济效益有密切关系。一个国家质量�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品种数量和质量�成了一个衡量该国科的电子材料的品种数量和质量�成了一个衡量该国科学技术、国民经济水平和军事国防力量的主要标志。学技术、国民经济水平和军事国防力量的主要标志。2011-8-1151.1.21.1.2电子材料的分类电子材料的分类1.按用途分�结构电子材料和功能电子材料。1)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�2)结构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�2.按组成�化学作用�分�无机电子材料和有机电子材料1)无机电子材料以可分为金属材料(以金属键结合�和非金属材料�以离子键和共价键结合��2)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��3.按材料的物理性质和应用领域分:1)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。2)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�4.传统电子材料与先进电子材料2011-8-1161.1.31.1.3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�1.1.温度温度2.2.压力压力3.3.湿度湿度4.4.环境中的化学颗粒及尘埃环境中的化学颗粒及尘埃5.5.霉菌和昆虫霉菌和昆虫6.6.辐射辐射7.7.机械因素机械因素2011-8-1171.21.2电子材料的应用与发展动态电子材料的应用与发展动态为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、数字化、多功能�现在社会要求电子元器件的开化、数字化、多功能�现在社会要求电子元器件的开发生产必须向小型化、高集成化、片式化发展�电子发生产必须向小型化、高集成化、片式化发展�电子材料今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。材料今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。��电子材料的要求和选用原则电子材料的要求和选用原则��纳米电子材料、复合材料等新型电子材料纳米电子材料、复合材料等新型电子材料��电子材料的发展动态电子材料的发展动态2011-8-1181.2.11.2.1现代社会对电子材料的要求现代社会对电子材料的要求1.1.结构与功能相结合结构与功能相结合2.2.智能材料智能材料3.3.减少污染减少污染4.4.节省能源节省能源5.5.长寿命与可控寿命长寿命与可控寿命2011-8-1191.2.21.2.2电子材料的选用原则电子材料的选用原则1.1.根据元器件性能参数根据元器件性能参数2.2.根据元器件结构特点根据元器件结构特点3.3.根据元器件工艺特点根据元器件工艺特点4.4.按经济原则按经济原则2011-8-11101.2.31.2.3纳米电子材料纳米电子材料��纳米材料的特征纳米材料的特征��定义�纳米材料是定义�纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级�三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级�11--100nm100nm��的尺度范围内或由此作为的尺度范围内或由此作为基本单元基本单元构成的材料。包括�纳构成的材料。包括�纳米微粒、纳米结构、纳米复合材料米微粒、纳米结构、纳米复合材料����纳米效应�表面效应�界面和表面的悬键�、量子尺寸效应、体纳米效应�表面效应�界面和表面的悬键�、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。��物质尺度到了纳米级后�由于表面电子能级�费米面�的变化�物质尺度到了纳米级后�由于表面电子能级�费米面�的变化�KuboKubo效应�导致了纳米材料具有许多奇特的性能�从而使其具备奇异性和效应�导致了纳米材料具有许多奇特的性能�从而使其具备奇异性和反常性�能使多种多样的材料改性�用途极为广泛。上述五种效应是反常性�能使多种多样的材料改性�用途极为广泛。上述五种效应是纳米材料的基本特性�它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理纳米材料的基本特性�它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质�性质、化学性质�2011-8-1111纳米材料的基本单元包括�纳米材料的基本单元包括�••零维�纳米尺寸的粒子零维�纳米尺寸的粒子••一维�纳米粗细尺寸的棒、碳管、线一维�纳米粗细尺寸的棒、碳管、线••二维�二维�指空间一维处于纳米尺度�如超薄膜指空间一维处于纳米尺度�如超薄膜、、多层膜、超晶格对应称为�量子点、量多层膜、超晶格对应称为�量子点、量子线、量子阱子线、量子阱••三维�纳米尺寸晶粒的三维块材料三维�纳米尺寸晶粒的三维块材料2011-8-111211表面效应表面效应粒子直径减少到纳米级�表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加�处于表面的原子数增多�使大部分原子的周围�晶场�环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同�表面原子周围缺少相邻的原子�有许多悬空键�具有不饱和性质�易与其它原子相结合�故具有很大的化学活性。2011-8-1113表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系2011-8-1114当粒子尺寸下降到一定值时�金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象�纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应22量子尺寸量子尺寸效应效应微粒尺寸量子尺寸效应导致微粒的磁、光、电、热及超导性等与宏观特性显著不同.例如��对银微粒而言�由d=4EF/3N�EF=�2/2m×(3�2n1)2/3可以得到�d/�B=�8.7×10-18�/d3(K.cm)�当d��BT时�发生能级分裂�如取温度T=1K�d=20nm�当电子寿命��/d条件成立时�d�20nm�Ag纳米颗粒由导体变为非金属绝缘体。�n1—--电子密度=6×1022/cm3,m—--电子质量2011-8-111533体积效应体积效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时�晶体周期性的边界条件被破坏�导致声、光、磁、热、力等特性呈现新的效应。�纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的1016—1019倍�PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米化后顺电体�铁磁性物质�5nm�出现极强的顺磁效应�惰性的Pt纳米微粒化后Pt黑是活性极好的催化剂�金属纳米微粒后无金属光泽�对光显示极强的吸收性2011-8-11164宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应近来年�人们发现一些宏观量�例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应�它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。�限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限�确立了现在微电子器件进一步微型化的极限2011-8-111755界面相关效应界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面�与单晶材料相比�纳米结构材料具有由于纳米结构材料中有大量的界面�与单晶材料相比�纳米结构材料具有反常高的扩散率�它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响�可以在较低反常高的扩散率�它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响�可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂�并可使不混溶金属形成新的合金相�出现的温度对材料进行有效的掺杂�并可使不混溶金属形成新的合金相�出现超强度、超硬度、超塑性等超强度、超硬度、超塑性等界面相关效应�纳米铜材的超塑性�中科院卢柯�,纳米粒子界面中原子的超快扩散能力导致了纳米铜具有超塑变形的能力。2011-8-11181.2.4电子材料发展动态1.1.先进电子材料先进电子材料��纳米材料、仿生智能材料、先进复合材料、生物电子材料等纳米材料、仿生智能材料、先进复合材料、生物电子材料等2.2.有机电子材料有机电子材料��有机导电、压电、光电、磁电等有机导电、压电、光电、磁电等3.3.电子薄膜电子薄膜((主流主流))4.4.计算机技术与电子材料计算机技术与电子材料2011-8-1119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.1、高温超导的基本概念�零电阻�MiesserB=�0(H+M)�相干长度l超导电子组成对的长度§�一般为10-4cml高温超导10-7cm�第二类超导体�穿透深度�=5�10-6cml高温超导�1.3~1.8�10-6cm(�ab),�c�700nml外加磁场穿透进去的衰减程度�62年Josephson�SIS隧穿电流�V=0�很小�V�0�交变�外加一频率为�1的交变磁场会对结内的交变电流起频率调制作用�从而产生直流分量�在电流I-V特性曲线上出现一系列台阶。�v2qω0�2、高温超导的历史�历史回顾l1911年Onnes发现Hg�现已有5000种�到l1973年每年0.3K增长。l从一元�二元�三元�以至多元。l1901—1932年�l元素超导体�Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。l1932—1953年�l合金、过渡金属碳化物和氮化物。l1953—1973年�A15型(�-钨结构�原子间距比一般晶体要小�态密度高等)�lTc17K的V3Si、Nb3Sn�Laves型ZrV2、lZrRe2等70年代初Nb3(Al0.75Ge0.25)�Nb7Ga、NbGe等�最高Tc=23.2K。l从热力学稳定相�非平衡条件亚稳相经验�价电子数(4.7,6.5)、质量、半径、体积l氧化物�1964年Schooley第一个氧化物SrTiO3(0.4K),BaPb1-xBixO3(钙钛矿)、Li1+xTi2-xO4有机超导�l1980年Jerome,(TMTSF)2PF6高压lTc=0.9Kl1987年