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1、电 子 材 料徐智谋光电子科学与工程学院光电子科学与工程学院前前言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
2、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。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1.1
3、 电子材料的分类与特点电子材料的分类与特点o1.1.1 在国民经济中的地位在国民经济中的地位o1.1.2 电子材料的分类电子材料的分类o1.1.3 电子材料对环境的要求电子材料对环境的要求o1.1.4 电子材料与元器件电子材料与元器件1.1.1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的材料，是制作电子元器件和集成电路电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路电子学中使用的
4、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
5、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。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。1.1.2 电子材料的分类电子材料的分类o按按用途分：结构电子材
6、料和功能电子材料。用途分：结构电子材料和功能电子材料。n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；性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料；n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、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；热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料；o按组成（化学作用）分：无机电子材料和有机电子材料按组成（化学作用）分：无机电子材料和有机电子材料n无机电子材料以
7、可分为金属材料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（以离以金属键结合）和非金属材料（以离子键和共价键结合）；子键和共价键结合）；n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）；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）；o按材料的物理性质和应用领域分按材料的物理性质和应用领域分:n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、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。压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等。n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
8、电子按应用领域分：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；材料、压电材料、电声材料等；o传统电子材料与先进电子材料传统电子材料与先进电子材料1.1.3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
9、下几方面：要表现在以下几方面：要表现在以下几方面：1. 1.温度温度温度温度2. 2.压力压力压力压力3. 3.湿度湿度湿度湿度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霉菌和昆虫霉菌和昆虫6. 6.辐射辐射辐射辐射7. 7.机械因素机械因素机械因素机械因素1.2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、薄型化、为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、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
10、求电子元器件的开发生数字化、多功能，现在社会要求电子元器件的开发生数字化、多功能，现在社会要求电子元器件的开发生数字化、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；电子材料产必须向小型化、高集成化、片式化发展；电子材料产必须向小型化、高集成化、片式化发展；电子材料产必须向小型化、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。今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。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、
11、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1.2.1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.智能材料智能材料智能材料智能材料3. 3.减少污染减少污染减少污染减少污染4. 4.节省能源节省能源节省能源节省能源5. 5.长寿命与可控寿命长寿命与可控寿命长寿命与可控寿命长寿命与可控寿命1.2.2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根据元器件结构特点根据元器件结构特点
12、3. 3.根据元器件工艺特点根据元器件工艺特点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按经济原则按经济原则1.2.3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（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（1-1-1-1-100nm100nm100nm100nm）的尺度范围内或由此作为的尺度范围内或由此作为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
13、基本单元基本单元构成的材料。包括：纳构成的材料。包括：纳构成的材料。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、体积纳米效应：表面效应（界面和表面的悬键）、量子尺寸效应、体积纳米效应：表面效应（界面和表面的悬键）、量子尺寸效应、体积纳米效应：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、界面相关效应效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。物质
14、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（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（KuboKuboKuboKubo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
15、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；性质、化学性质；性质、化学性质；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
16、维：纳米粗细尺寸的棒、碳管、线一维：纳米粗细尺寸的棒、碳管、线一维：纳米粗细尺寸的棒、碳管、线 二维：二维：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、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、量子线、多层膜、超晶格对应称为：量子点、量子线、多层膜、超晶格对应称为：量子点、量子线、多层膜、超晶格对应称为：量子点、量子线、量子阱量子阱量子阱量子阱 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1表面效应表面效应23粒子直径减少到
17、纳米级，表面原子数和比表面积、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。性。表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系 当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电当粒子尺寸下
18、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。轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。2 2 2 2 量子尺寸量子尺寸量子尺寸量子尺寸效应效应微粒尺寸微粒尺寸量子尺寸效应量子尺寸效应导致微粒的磁、光、电、热及超导性导致微粒的磁、光、电、热及超导性等与宏等与宏观特性显著不同观特性显著不同.例如：例如： 对银微粒而言，由对银微粒而言，由d=4EF/3N，EF=2/2m(
19、32n1)2/3可以得到可以得到 d/B=（8.710-18）/d3(K.cm)，当，当d BT时，发生能级分裂，时，发生能级分裂，如取温度如取温度T=1K，d=20nm，当当电子寿命电子寿命 /d条件成立时，条件成立时，d20nm，Ag纳米颗粒由导体变为非金属绝缘体。纳米颗粒由导体变为非金属绝缘体。 n1-电子密度电子密度=61022/cm3,m-电子质量电子质量3体积效应体积效应当超细微粒的尺寸与光波波长当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超德布罗意波长以及超导态的相干长度导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶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，
20、导致声、光、磁、热、力等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。特性呈现新的效应。纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的10161019倍倍PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米化后等典型铁电体纳米化后顺电体顺电体铁磁性物质（铁磁性物质（5nm）出现极强的顺磁效应出现极强的顺磁效应惰性的惰性的Pt纳米微粒化后纳米微粒化后Pt黑是活性极好的催化剂黑是活性极好的催化剂金属纳米微粒后金属纳米微粒后无金属光泽，对光显示极强的吸无金属光泽，对光显示极强的吸收性收性4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，例如微颗粒近来年，人们发现
21、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。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确立了现在微电子器件进一步微型化的极限 5 5 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
22、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
23、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）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。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。1.2.4电子材料发展动态电子材料发展动态1. 1.先进电子材料先进电子材料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.电子薄膜电子薄膜电子薄膜电子薄膜( (主流主流主流主流) )4. 4.计算机技术与电子材料计算机技术与电子材料计算机技术与电子材料计算机技术与电子材料
