電子材料概論課件

電子材料4/5/20231前言 電子材料是當(dāng)前材料科學(xué)的一個(gè)重要方面,品種多、用途廣、涉及面寬。是制作電子元器件和集成電路的基礎(chǔ)，是獲得高性能高可靠先進(jìn)電子元器件和系統(tǒng)的保證。同時(shí)還廣泛應(yīng)用于印制電路板和微線板、封裝用材料、元器件和整機(jī)、電信電纜和光纖、各種顯示器及顯示板，以及各種控制和顯示儀表等等。分類與特點(diǎn)應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)4/5/202321.1電子材料的分類與特點(diǎn)1.1.1在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位1.1.2電子材料的分類1.1.3電子材料對(duì)環(huán)境的要求1.1.4電子材料與元器件4/5/202331.1.2電子材料的分類按用途分：結(jié)構(gòu)電子材料和功能電子材料。結(jié)構(gòu)電子材料是指能承受一定壓力和重力，并能保持尺寸和大部分力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度、硬度及韌性等）穩(wěn)定的一類材料；結(jié)構(gòu)電子材料是指除強(qiáng)度性能外，還有特殊性能，或能實(shí)現(xiàn)光、電、磁、熱、力等不同形式的交互作用和轉(zhuǎn)換的非結(jié)構(gòu)材料；按組成（化學(xué)作用）分：無(wú)機(jī)電子材料和有機(jī)電子材料無(wú)機(jī)電子材料以可分為金屬材料(以金屬鍵結(jié)合）和非金屬材料（以離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合）；有機(jī)電子材料主要是指高分子材料（以共價(jià)鍵和分子鍵結(jié)合）；按材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用領(lǐng)域分:按材料的物理性質(zhì)分：導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料、壓電鐵電材料、磁性材料、光電材料和敏感材料等。按應(yīng)用領(lǐng)域分：微電子材料、電器材料、電容器材料、磁性材料光電子材料、壓電材料、電聲材料等；傳統(tǒng)電子材料與先進(jìn)電子材料4/5/202351.1.3電子材料對(duì)環(huán)境的要求 電子材料在做成元器件和集成電路之后，還應(yīng)具備一致性和穩(wěn)定性，能夠承受各種惡劣的環(huán)境。主要表現(xiàn)在以下幾方面：溫度壓力濕度環(huán)境中的化學(xué)顆粒及塵埃霉菌和昆蟲輻射機(jī)械因素4/5/202361.2電子材料的應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)為適應(yīng)電子整機(jī)和設(shè)備小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化、多功能，現(xiàn)在社會(huì)要求電子元器件的開發(fā)生產(chǎn)必須向小型化、高集成化、片式化發(fā)展；電子材料今后將盡可能長(zhǎng)適應(yīng)電子元器件的這些要求。電子材料的要求和選用原則納米電子材料、復(fù)合材料等新型電子材料電子材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)4/5/202371.2.2電子材料的選用原則根據(jù)元器件性能參數(shù)根據(jù)元器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)根據(jù)元器件工藝特點(diǎn)按經(jīng)濟(jì)原則4/5/202391.2.3納米電子材料納米材料的特征 定義：納米材料是三維空間尺寸中至少有一維處于納米量級(jí)（1-100nm）的尺度范圍內(nèi)或由此作為基本單元構(gòu)成的材料。包括：納米微粒、納米結(jié)構(gòu)、納米復(fù)合材料；納米效應(yīng)：表面效應(yīng)（界面和表面的懸鍵）、量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、界面相關(guān)效應(yīng)。物質(zhì)尺度到了納米級(jí)后，由于表面電子能級(jí)（費(fèi)米面）的變化（Kubo效應(yīng)）導(dǎo)致了納米材料具有許多奇特的性能，從而使其具備奇異性和反常性，能使多種多樣的材料改性，用途極為廣泛。上述五種效應(yīng)是納米材料的基本特性，它使納米粒子和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)；4/5/202310納米材料的基本單元包括：零維：納米尺寸的粒子一維：納米粗細(xì)尺寸的棒、碳管、線

二維：指空間一維處于納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格對(duì)應(yīng)稱為：量子點(diǎn)、量子線、量子阱

三維：納米尺寸晶粒的三維塊材料4/5/202311表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的

比例和粒徑間的關(guān)系

4/5/202313當(dāng)粒子尺寸下降到一定值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象，納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高能級(jí)占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)的能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)2量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致微粒的磁、光、電、熱及超導(dǎo)性等與宏觀特性顯著不同.例如：對(duì)銀微粒而言，由d=4EF/3N，EF=

2/2m×(32n1)2/3可以得到d/B=（8.7×10-18）/d3(K.cm)，當(dāng)dBT時(shí)，發(fā)生能級(jí)分裂，如取溫度T=1K，d=20nm，當(dāng)電子壽命

/d

條件成立時(shí)，d＜20nm，Ag納米顆粒由導(dǎo)體變?yōu)榉墙饘俳^緣體。n1—--電子密度=6×1022/cm3,m—--電子質(zhì)量4/5/2023143體積效應(yīng) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件被破壞，導(dǎo)致聲、光、磁、熱、力等特性呈現(xiàn)新的效應(yīng)。納米銅晶體的自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的1016—1019倍

PbTiO3、BaTiO3等典型鐵電體納米化后順電體鐵磁性物質(zhì)（5nm）出現(xiàn)極強(qiáng)的順磁效應(yīng)惰性的Pt納米微?；驪t黑是活性極好的催化劑金屬納米微粒后無(wú)金屬光澤，對(duì)光顯示極強(qiáng)的吸

收性4/5/2023155界面相關(guān)效應(yīng)

由于納米結(jié)構(gòu)材料中有大量的界面，與單晶材料相比，納米結(jié)構(gòu)材料具有反常高的擴(kuò)散率，它對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響；可以在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜，并可使不混溶金屬形成新的合金相；出現(xiàn)超強(qiáng)度、超硬度、超塑性等

界面相關(guān)效應(yīng)：納米銅材的超塑性（中科院盧柯）,納米粒子界面中原子的超快擴(kuò)散能力導(dǎo)致了納米銅具有超塑變形