第1章晶體學(xué)基礎(chǔ)與材料性能0226

2025/1/181

在通過原點的待定晶向上確定離原點最近的一個陣點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，將三個坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u、v、w，加上方括號，就得到晶向指數(shù)[u,v,w].如果u,v,w中某一個為負(fù)數(shù)，則將負(fù)號標(biāo)注在這個數(shù)的上方。晶向指數(shù)

第1章晶體學(xué)基礎(chǔ)及材料性能1.1晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2025/1/182acb[010][001][100][111][100][110]2025/1/183

一個晶向指數(shù)代表著相互平行、方向一致的所有晶向。abc[100]2025/1/184晶體中的原子排列情況相同，空間位向不同的一組晶向稱為晶向族，用<u,v,w>表示。例如立方晶系中的[111]，，，4個晶向是立方體中四個體對角線的方向，他們的原子排列情況完全相同，屬于同一個晶向族，用<111>表示。abc[111]2025/1/185注意：若不是立方晶系，改變晶向指數(shù)的順序所表示的晶向可能是不等同的，因為在這三個晶向上的原子間距分別為a,b,c，互不相等，各晶面上的原子排列情況不同，性質(zhì)也不同，不屬同一晶面族。acb簡單正方abc[a00]=[00c][a00]≠[00c][100]≠[001][100]=[001]2025/1/186晶面指數(shù)1/3:1/2:1/1=2:3:6晶面與a,b,c軸截距值倒數(shù)的最小整數(shù)比。cab2025/1/187在確定晶面指數(shù)時，原點的選取要便于確定截距，不能選在要確定的晶面上。三個截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)：h,k,l，加圓括號(h,k,l)，即晶面指數(shù)。2025/1/188(110)(112)(111)(001)acb2025/1/1892025/1/1810晶面指數(shù)代表著一組相互平行的晶面，相互平行的晶面之間晶面指數(shù)相同，或數(shù)字相同，正負(fù)號相反，如(h,k,l)和。晶體中具有相同條件（這些晶面上的原子排列情況和晶面間距分別完全相同），只是空間位向不同的各個晶面的總稱為晶面族。用{h,k,l}表示。晶面族中所有晶面的性質(zhì)是完全相同的。2025/1/1811在立方晶系中，可用h,k,l三個數(shù)字的排列組合得到晶面族，如：{111}＝(111)＋＋＋＋＋＋＋Total:6Total:42025/1/1812在立方晶系中，具有相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。例如[110]垂直(110)，但這個關(guān)系不適于其它晶系。若不是立方系，如正交晶系，由于晶面上原子排列情況不同，晶面間距不等，因此(100)與(001)不屬同一晶面族。2025/1/18131.2化學(xué)鍵與晶體1.離子鍵與離子晶體

原子間最簡單的作用力是離子鍵，它是產(chǎn)生于正、負(fù)電荷之間的靜電引力。典型的離子晶體是元素周期表中IA族的堿金屬元素Li，Na，K，Rb，Cs和ⅦA族的鹵族元素F，C1，Br，I之間形成的化合物晶體。這種晶體是以正、負(fù)離子為結(jié)合單元。2025/1/1814最典型的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是NaCl型結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為6；另一種是CsCl型結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為8。離子晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)合能較大，具有導(dǎo)電性差、熔點高、硬度高和膨脹系數(shù)小等特點。2025/1/18152.共價鍵與原子晶體

在晶體中，一對為兩個原子所共有的自旋相反、配對的電子結(jié)構(gòu)稱為共價鍵。共價鍵有兩個基本特點：飽和性和方向性。Ⅸ－Ⅵ族元素是共價鍵結(jié)合，大多數(shù)共價鍵的最大數(shù)目符合8-N定則，其中N為原子的價電子數(shù)目，并且原子總是在其價電子波函數(shù)最大的方向上形成共價鍵。2025/1/1816

共價鍵結(jié)合是一種強的結(jié)合，晶體有很高的熔點和硬度，如金剛石是目前所知最硬的晶體，其熔點高達3550oC。同時，共價晶體中價電子定域在共價鍵上，因而其導(dǎo)電性很弱，一般屬于絕緣體或半導(dǎo)體。2025/1/18173.金屬鍵與金屬晶體

金屬鍵的基本特征是電子為晶體共有，即原屬于各原子的價電子不再束縛在原子上，可在整個晶體內(nèi)運動(可視為離域的共價鍵)，原子間結(jié)合較強。多數(shù)金屬晶體以面心立方排列．配位數(shù)為12。

金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及高延展性，其熔點較高。2025/1/18184.范德華力與分子晶體

分子晶體的結(jié)合是依靠分子之間的作用力，這種作用力稱為范德華力，其作用范圍為0.2-0.5nm，一般不具有方向性和飽和性。

2025/1/1819

惰性元素在低溫下形成典型非極性分子晶體。Ne，Ar，Kr，Xe的晶體是面心立方結(jié)構(gòu)。它們是透明的絕緣體，熔點特低，分別為24K，84K，117K和161K，溫度升高時，易升華。2025/1/18201.3典型晶體結(jié)構(gòu)氯化鈉(NaCl)具有面心立方結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)單元含一個鈉離子和一個氯離子，該結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是分別由鈉離子和氯離子組成的兩個相同的面心立方格子，沿體對角線，相對位移1／2對角線長度，套構(gòu)而成。屬于NaCl結(jié)構(gòu)的一些有代表性的晶體Cl-Na+2025/1/1821

氯化銫(CsCl)具有簡單立方結(jié)構(gòu)。銫離子和氯離子分別組成兩個相同的簡單立方格子，沿體對角線相對位移l／2的長度套構(gòu)而成。具有CsCl結(jié)構(gòu)的一些晶體2025/1/1822金剛石具有面心立方結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)單元包含兩個原子。金剛石結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是由兩個相同的面心立方格子，沿體對角線相對位移l／4的長度套構(gòu)而成。半導(dǎo)體鍺和硅具有金剛石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)空隙較大，雜質(zhì)原子容易在這些材料中擴散，這一特性被應(yīng)用到半導(dǎo)體器件的制作技術(shù)中。2025/1/1823

如果把金剛石結(jié)構(gòu)中的兩個面心立方晶格上的碳原子，一個換成鋅原子，另一個換成硫原于，則形成閃鋅礦結(jié)構(gòu)。一些重要的化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、銻化銦等晶體都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，而且在[111]軸的上下兩個方向上，表現(xiàn)出不同性質(zhì)，其生長速率和腐蝕速率不相同。2025/1/1824

纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，晶格常數(shù)為a＝0.384nm，c=0.5180nm。在一個結(jié)晶學(xué)原胞中含有兩個Zn原子、兩個S原子。

在纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中，S2-構(gòu)成六方最緊密堆積，而Zn2＋占有1／2四面體空隙。兩種離子的配位數(shù)均為4。SZn2025/1/1825

螢石(CaF2)晶體屬于立方晶系，面心立方晶格，晶格常數(shù)a＝0.545nm。在一個結(jié)晶學(xué)原胞中含有4個Ca離子和8個F離子。整個螢石晶體結(jié)構(gòu)可看作是三個相同的面立方點陣套疊而成。2025/1/1826

鈣鈦礦(CaTiO3)型結(jié)構(gòu)是以天然鈣鈦礦命名的。在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，Ca2＋和O2-共同構(gòu)成近似立方最緊密堆積，Ca2＋周圍有12個O2-

，每一個O2-

被4個Ca2＋包圍，Ti4＋占據(jù)著由O2-

形成的全部八面體空隙。2025/1/18271.4晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷2025/1/1828

點缺陷在三維空間中各個方向上的尺寸都很小，如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等。半導(dǎo)體材料對雜質(zhì)非常敏感，其性能可以發(fā)生幾個數(shù)量級的變化。1.點缺陷2025/1/18292025/1/18302025/1/18312025/1/18322.線缺陷線缺陷即為位錯。晶體中最簡單的位錯是刃型位錯和螺型位錯。晶體中位錯的量常用位錯密度表示，單位體積中所包含的位錯線總長度稱為位錯密度。位錯密度對晶體的機械性能以及某些電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能都有顯著影響。2025/1/1833(a)完整晶體(b)含有刃型位錯的晶體

(c)完整晶體(d)含有螺型位錯的晶體2025/1/1834??????????????????????????????????????????????

2025/1/1835

（

）

（）

2025/1/18362025/1/1837螺形位錯2025/1/18382025/1/1839

主要的面缺陷是表面、界面和堆垛層錯。表面層的原子既受到體內(nèi)原子的束縛，又受環(huán)境影響，所以表面的組成和結(jié)構(gòu)在很大程度上與形成條件及隨后的處理有關(guān)，表面對材料和器件的性能影響很大。3.面缺陷2025/1/1840

多晶體中各晶粒的取向各不相同，不同取向晶粒之間的接觸面為晶界，晶界能阻止沿位錯的運動。2025/1/18412025/1/1842

堆垛層錯出現(xiàn)于晶面堆積順序發(fā)生錯誤的層面，將兩個不正確堆垛層面隔開的就是堆垛層錯，堆垛層錯破壞了晶體的正常周期性，影響材料性能。2025/1/18431.5導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體電阻率(Ω·cm)導(dǎo)體10-5－10-4半導(dǎo)體10-4－1010絕緣體1010－10222025/1/1844

絕緣體：若一個能帶被2N個電子填滿，則一切k與-k態(tài)所產(chǎn)生的電流正好一一抵消，不會產(chǎn)生電流，并且電場并不改變滿帶中電子的分布。因此．可以得到滿帶中的電子不導(dǎo)電的結(jié)論。價帶(滿帶)空帶(導(dǎo)帶)EpE2025/1/1845

導(dǎo)體：若一個能帶被電子部分填充，T＝0K，無外場時，電子填充至費米面，費米面內(nèi)的態(tài)均有電子，這些態(tài)對k空間的原點是對稱分布的。費米面內(nèi)的k態(tài)與-k態(tài)對電流的貢獻一一相互抵消，不存在宏觀電流。若存在外電場，由于電場的作用，電子在布里淵區(qū)中的分布不再是對稱，總的電流不為零。Ep不滿帶(導(dǎo)帶)E導(dǎo)帶導(dǎo)電：2025/1/1846

若T>0K，情況大致與0K相似，只是比費米能高約kBT的態(tài)有一定的幾率成為非空態(tài)。因此，可以得到部分填充能帶中的電子可以導(dǎo)電的結(jié)論。

空帶

導(dǎo)帶E某些一價金屬，如:Li…

滿帶

空帶E某些二價金屬，如:Be,Ca,Mg,Zn,Ba…

導(dǎo)帶

空帶E如:Na,K,Cu,Al,Ag…2025/1/1847半導(dǎo)體:半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，與絕緣體的能帶相似，只是禁帶較窄。禁帶寬度在2ev以下，通過熱激發(fā)，把滿帶的電子激發(fā)到空帶，而具有導(dǎo)電能力。由于熱激發(fā)的電子數(shù)目隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化，所以半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度的變化也是呈指數(shù)的。

Eg=0.1

2eVE空帶（導(dǎo)帶）

滿帶禁帶本征半導(dǎo)體2025/1/18481.6功能材料的性能1.半導(dǎo)體電性

根據(jù)能帶理論、晶體中并非所有電子或價電子參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電。由于半導(dǎo)體禁帶寬度小于2ev，在外界作用下(加熱、光輻射)，電子躍遷到導(dǎo)帶，價帶中留下空穴。電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。這種導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電和價帶中的空穴導(dǎo)電同時存在的情況，稱為本征電導(dǎo)。這類半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。2025/1/1849

雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大，例如在硅單晶中摻入十萬分之一的硼原子，可使硅的導(dǎo)電能力增加一千倍，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為n型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。2025/1/1850

在四價的硅單晶中摻入五價的原子（如P、As等）時，成鍵后，多余一個電子，其能級離導(dǎo)帶很近，易激發(fā)。這種多余電子的雜質(zhì)能級稱為施主能級。這類摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，或

n型半導(dǎo)體?？諑M帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP2025/1/1851

若在硅中摻入三價原子（如Ｂ、Ga、In等）時，成鍵后少一個電子，在距價帶很近處，出現(xiàn)一個空穴能級。這個空穴能級能容納由價帶激發(fā)上來的電子，這種雜質(zhì)能級稱為受主能級。含受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，或P型半導(dǎo)體?？諑A滿帶受主能級SiSiSiSiSiSiSi+BEg2025/1/1852交換作用：鐵磁性除與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還決定于晶體結(jié)構(gòu)。實踐證明，處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。這種相互作用稱為“交換”作用。這是因為在晶體內(nèi)，參與這種相互作用的電子已不再局限于原來的原子，而是“公有化”了。原子間好像在交換電子，故稱為“交換”作用。而由這種“交換”作用所產(chǎn)生的“交換能”J與晶格的原子間距有密切關(guān)系。當(dāng)距離很大時，J接近于零。隨著距離的減小，相互作用有所增加，J為正值，就呈現(xiàn)出鐵磁性。交換能J為負(fù)值，為反鐵磁性。2.磁性2025/1/1853依據(jù)原子的磁矩（有軌道磁矩和原子磁矩，統(tǒng)稱為原子磁矩）結(jié)構(gòu)，鐵磁性分為：本征鐵磁性材料：在某一宏觀尺寸大小的范圍內(nèi)，原子磁矩的方向趨于一致，此范圍稱為磁疇（一般為1-2微米，每個磁疇可以看作是具有一定自發(fā)磁化強度的小永磁體），這種鐵磁性稱為完全鐵磁性（Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及其合金、金屬間化合物(FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等)。2025/1/1854反鐵磁性：反鐵磁性，由于交換作用，相鄰晶胞中的單電子自旋反向排列，引起相鄰磁矩反向排列，在鐵電性材料中有反鐵電性（Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等3d過渡元素或稀土元素，還有MnO、MnF2等合金、化合物等。）。2025/1/1855順磁性：有外電場時，表現(xiàn)出極弱的磁性，當(dāng)移去外磁場，不表現(xiàn)出磁性。（O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl等）2025/1/1856亞鐵磁性體：相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產(chǎn)生與鐵磁性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系氧化物即為此。（各種鐵氧體系材料（Te,Go,Ni氧化物）Fe,Co等與重稀土類金屬形成金屬間化合物（TbFe等)）磁性材料：鐵磁性與亞鐵磁性的統(tǒng)稱。2025/1/1857

任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成。

磁疇是磁矩方向相同的小區(qū)域。相鄰磁疇之間的界叫疇壁。磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變。2025/1/1858鐵磁體和亞鐵磁體在外磁場作用下磁化時，B隨H變化如圖所示。2025/1/1859居里點：鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發(fā)磁化強度變?yōu)?，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點TC。在居里點以上，材料表現(xiàn)為強順磁性，其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里－外斯定律，

=C/(T-Tc)式中C為居里常數(shù)2025/1/18603.超導(dǎo)性1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞的直流電阻在4.2K時，突然消失，他認(rèn)為汞進入以零電阻為特征的“超導(dǎo)態(tài)“。通常把電阻突然變