电子材料分析技术_1

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1、新型电子材料元器件发展 与分析技术,微电子教学部 冯世娟 3407,晶体材料的制备技术,晶体材料的结构和物理性质 结构 物理性质 缺陷 多晶材料 晶体材料的制备技术 晶体材料的加工技术,概述,什么是晶体？,从远古时期，人们就对各种美丽的石头感兴趣，钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、水晶等因其规则的外形，绚丽的色彩，让千千万万的人为之着迷甚至倾其所有来收藏。各种名贵的宝石，比如举世瞩目的非洲之星，成为帝王皇冠和权杖上的装饰物，成为权力与财富的象征。与此同时，为什么这些“石头”会有着如此规则的外形、丰富多彩的颜色、闪闪发光的表面？各种奇妙的性质吸引人们对它们进行研究。,概述,什么是晶体？,随着人们对于

2、自然界认识的深入，更多具有规则多面体外形的矿石进入了人们的视野。它们被统一称为“晶体”。对晶体电、光、磁性等各个方面的性质的研究极大地改变了人们的生活，从石英钟、手机、电视机、煤气灶、加湿器，到声纳、雷达以及神舟飞船，都可以看见它们的身影。,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 食盐,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 食盐 冰糖,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 食盐 冰糖 雪花,枝晶,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 食盐 冰糖 雪花 宝石,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 晶体的外部特征？,晶体的成分不同，从而可能会有不同的形状，而有些晶体的组成成分虽然相同，但是，却也有着完全不同的几何外形。

3、 对于晶体来讲，组成晶体的物质成分、形成晶体过程中所处的环境，所含杂质成分以及含量的不同等，都会影响其外形。,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 晶体的外部特征？,天然形成的规则外形,还有一些物体，它们的形状由它们凝固前所处的容器决定的，而且，某些固体即使凝固后，也很容易发生形状的改变。随着温度升高慢慢变软，并最终融化成为为粘稠的液体。如果温度冷却，又会慢慢凝固成固体。它们很容易被切割开、断裂或碎开，而且从任何方向切割都是一样的。,非晶体：玻璃、橡胶、巧克力、塑料,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 晶体的外部特征？ 单晶与多晶？ 有规则外形的就是晶体，没有规则外形的就不是晶体？,概述,晶体：是指

4、内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子构造，所以，晶体就是具有格子构造的固体。,X射线衍射结构表明：晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这就找到了晶体的本质特性。,概述,晶体与非晶体的区别在于其内部质点排列是否具有周期性。,晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 晶体的外部特征？ 单晶与多晶？ 有规则外形的就是晶体，没有规则外形的就不是晶体？ 准晶体？,概述,晶体不存在5度及6度以上的旋转轴 1984年，快速冷却的Al4Mn 合金，其电子衍射斑具有明显的晶体所没有的五次对称性

5、，但是又没有平移对称性，没有格子构造。后来在许多复杂的合金中也发现了这一现象。这种特殊的物质既不是晶体又不是非晶体，我们称之为准晶体。 以后又陆续发现了具有8次、10次、12次对称的准晶结构。,概述,失 配,在正20面体的体心位置换上一个较小原子，使正20面体的所有原子相切。 准晶结构只会发生在合金中，而不可能发生在单质金属中。,已制备出准晶不粘锅。 可能在储氢、隔热、太阳能利用发面发挥重要作用。,概述,什么是晶体？ 身边的晶体？ 晶体的外部特征？ 单晶与多晶？ 有规则外形的就是晶体，没有规则外形的就不是晶体？ 准晶体？ 液晶？,概述,液晶是一种有机化合物 具有液体的流动性，又具有晶体的各向异

6、性,向列相,胆甾相,近晶相,晶体材料的结构和物理性质,1 晶体的结构,尽管各种晶体具有不同的结构，原子、离子等排列方式也具有各种不同的规律性，但所有晶体结构共同的本质特点是：质点在三维空间周期性重复排列，即具有格子构造，意指可以用格子状的图形来表达。那么，晶体结构里有些什么样的格子状图形呢？我们引入“空间格子”这一概念。 晶体结构中的任何点都是以格子状图形重复排列的，不同的点所形成的格子状图形相互穿套在一起，就形成了晶体结构的格子构造。,1.1 空间格子,所谓空间格子，是指表达晶体结构周期重复规律的几何图形。即，空间格子就是描述晶体结构格子构造的简单几何图形。有的晶体的空间格子是原子，有的可能

7、是分子，而有的可能是更加复杂的构成。 首先要在结构中找出等同点，把等同点从结构中抽取出来，再按一定的规律将等同点连接起来，就画出了该晶体结构的空间格子。 所谓等同点，就是指在晶体结构中性质与周围环境都相同的点。,1.1 空间格子,1.2 晶胞,空间格子的最小重复单位就是一个平行六面体，这个最小平行六面体的形状由其三个方向的棱长（分别表示为：a, b, c）和三个棱之间的角度（分别表示为，）来决定，例如：如果abc，90，则这个最小平行六面体就是一个立方体；如果abc，90，则这个最小平行六面体就是一个一般平行六面体。,1.3 晶体的对称性,对称性是晶体非常重要的性质。晶体的对称性来自于其内部结

8、构的周期重复性，所以晶体的对称性有其特有的一些特征： 1） 因为晶体结构是具有周期重复规律性的，这种周期重复就是一种对称性，即平移对称性，所以，从这个意义上说，所有晶体都是对称的（都具有这种平移对称性）。 2）晶体的这种平移对称性又限制了晶体的对称形式，因为有些对称形式与平移对称相矛盾，这样的对称就不能在晶体中出现，这就是晶体对称的有限性，它遵循“晶体对称定律”。 3）晶体的对称性不仅仅体现在宏观形态上，也体现在物理性质上。,1.3 晶体的对称性,对于具有某种对称性的图形，能够使图形外形复原的操作称为对称操作 在进行对称操作时所应用的辅助几何要素，如点、线、面等称为对称要素,1.3 晶体的对称

9、性,对称轴：旋转一周重复的次数称为轴次n，重复时所旋转的最小角度为基转，两者之间的关系为：=360/n。,1.3 晶体的对称性,请注意，并不是所有轴次的对称轴都可以在晶体上出现的，晶体上只能出现1、2、3、4、6对称轴，不可能出现5及大于6的对称轴，这就是晶体的对称定律 这是因为五次及大于六次的对称性与晶体的平移对称相矛盾,1.3 晶体的对称性,对称中心：借助于这个点的反伸操作，图形的相同部分重复。 镜面：晶体通过一个平面做镜面反映后晶体能自身重合。 反演轴：若晶体绕某一固定轴旋转角度360/n后再通过某点作反演，晶体能自身重合。,1.3 晶体的对称性,平移对称,所谓的平移操作、平移对称就是指

10、，晶体沿着某一方向移动后，会和本身相重合。由此可见，平移对称有一个前提，就是认为相对于质点或者对称基元（最小单位）来说，晶体尺寸无限大。,滑移反映滑移反映面 晶格沿某一平面做镜象反映操作后，再沿平行于该面的某一方向平移T/n的距离，晶格能自身重合 螺旋螺旋轴 晶格绕某一固定轴旋转角度360/n后，再沿转轴方向平移L个T/n的距离，晶格能自身重合,1.3 晶体的对称性,对称要素组合,独立的基本对称元素 点群宏观晶体中所有对称元素的集合 可以证明总共只能有32种不同的组合方式，称为 32 种点群。 空间群晶体结构中一切对称要素的集合 晶体总共只能有230种不同的空间群。,1.3 晶体的对称性,对称

11、性分类 根据晶体上对称要素是否有高次轴（n2的对称轴）及高次轴的数量划分为3个晶族： 高级晶族（高次轴多于一个） 中级晶族（高次轴只有一个） 低级晶族（无高次轴） 然后根据具体的对称特点分为7个晶系。,1.3 晶体的对称性,低级晶族晶系主要有三斜晶系、单斜晶系、斜方晶系。,1.3 晶体的对称性,中级晶族晶系主要有四方晶系、三方晶系、六方晶系。,1.3 晶体的对称性,高级晶族晶系有等轴晶系。,1.3 晶体的对称性,请注意：不同晶系的晶体，其晶胞形状完全不同，如：等轴晶系的晶体，晶胞形状是立方体；四方晶系的晶体，晶胞形状是四方柱；六方晶系的晶体，晶胞形状是内角为60和120的菱形柱等等。 这就说明

12、： 1. 晶胞是决定晶体对称性的本质内因； 2. 晶胞的形状和对称性与晶体宏观形态上的对称型是统一的，即内部结构与外部形态的对称性是统一的。,1.3 晶体的对称性,14种布拉菲格子,三斜,单斜,三方,四方,六方,正交,立方,1.3 晶体的对称性,五次对称及其蕴含的哲学思想 晶体上不能有五次对称，因为五次对称与晶体的平移对称不兼容。但是，在生物界（包括植物与动物），五次对称却广泛存在,1.3 晶体的对称性,前苏联晶体学家别洛夫曾经说过：“五次对称是生物为其生存而斗争的特殊武器”。因为生物体中有五次对称，生物才不致结晶（固结），因而有活力，能生长，能演化，能变异，从而形成纷繁多样的生物界。 这句话

13、似乎道出了五次对称的神奇力量，只要具有五次对称，物体就有生命的活力；而相反，如果没有五次对称，物体就是“死”的。 准晶体在生物与非生物之间架起了一座桥梁,1.4 晶面和晶列,晶面与密勒指数晶列与晶向指数,1.5 晶体的结合,晶体中的原子之间的相互作用主要有以下几种情况： 化学键：包括离子键、共价键和金属键 非化学性作用：范德华力（分子键） 一般来说，一种晶体通常以一种化学键为主，其物理性质也是由这种占主导地位的化学键决定，因此，我们根据晶体内占主导地位的化学键类型来划分晶体类型，对应于离子键、共价键、金属键、分子键，就有离子晶体、原子晶体、金属晶体、分子晶体。,1.5 晶体的结构,晶体中的原子

14、之间的相互作用主要有以下几种情况： 化学键：包括离子键、共价键和金属键 非化学性作用：范德华力（分子键） 但是，晶体中的原子往往不是由单纯一种键型相互作用而构成，大多数情况下，在形成的晶体中各种键型都有存在，只是程度不同而已。极化、电子离域、轨道重叠等因素相互作用，产生不同程度的键型变异。这就是由著名化学家唐有祺教授1963年提出的键型变异原理。,1.5 晶体的结构,离子键,靠静电吸引而成键 没有方向性和饱和性,密堆积结构 透明 不导电 硬度大,1.5 晶体的结构,共价键,共用一对电子而成键 具有方向性和饱和性,不能够达到最紧密的状态 透明-半透明 不导电 硬度很大,1.5 晶体的结构,金属键

15、,电子在负电荷云海中自由运动 没有方向性和饱和性,密堆积结构 不透明 导电 硬度小,1.5 晶体的结构,分子键,分子偶极矩间的库仑相互作用,分子键所形成的分子晶体大多透明、不导电、硬度很小、有较低的熔、沸点，易挥发，许多物质在常温下呈气态或液态。,2 单晶材料的物理性质,2.1 晶体的通性 自限性 晶面角守恒 均匀性 各向异性 解理性 对称性 稳定性,长程有序,2.2 晶体的物理性质与对称性的关系,电学性质 压电热释电铁电电光,晶体因受外力而产生形变时，会发生极化现象，在相对两面上形成异号束缚电荷，称为压电效应,晶体因温度变化，发生极化现象，从而在晶体某一方向产生表面极化电荷的现象，称为热释电

16、效应,在热释电晶体中，有些晶体只在某一温度范围内才存在自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场而反向，称为铁电性。,某些各向同性的透明电介质在电场作用下变成光学各向异性的效应,2.2 晶体的物理性质与对称性的关系,电学性质 压电热释电铁电电光,2.2 晶体的物理性质与对称性的关系,光学性质 线性光学效应 非线性光学效应 其它性质 磁性 铁弹性,2.2 晶体的物理性质与对称性的关系,这些性质都与晶体的对称性有关 比如，具有中心对称不具有压电性不具有中心对称具有压电性存在多个极轴不一定具有热释电只存在一个极轴才可能具有热释电具有镜面对称可能具有铁弹性,2.2 晶体的物理性质与对称性的关系,旋光性出现在15种不含对称中心的点群。 热电性出现在10种只含一个极性轴的点群。 压电性出现在20种不含对称中心的点群(432除外)。 倍频效应出现在18种不含对称中心的点群。 反过来，在晶体结构分析中，可以借助物理性质的测量结果判定晶体是否具有对称中心,