电子信息材料绪论.pptx

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1、教材： 李言荣 电子材料导论参考书：贾德昌 电子材料第1页/共61页本课内容本课内容一、绪论二、导电材料三、电阻材料四、超导材料五、半导体材料六、电解质材料七、光电子材料八、磁性材料九、敏感材料第2页/共61页一一 绪绪 论论第3页/共61页第4页/共61页第5页/共61页l 电子材料电子材料：指与电子工业有关的、在电子学与微电子学中使用的材料。包括介电材料、半导体材料、压电与铁电材料、导电金属及其合金材料、磁性材料以及其他相关材料。是制作电子元器件和集成电路的物质基础。第6页/共61页 在国民经济中的地位 电子材料的分类 电子材料对环境的要求 电子材料与元器件第7页/共61页电子材料是电子信

2、息产品制造业的重要组成部分，是发展电子信息产业的基础与先导。电子材料作为基础性材料已渗透到国民经济和国防建设的各个领域，没有高质量的电子材料就不可能制造出高性能的电子元器件。 第8页/共61页第9页/共61页1 1按电子材料的用途分类按电子材料的用途分类电子材料的分类电子材料的分类结构电子材料：结构电子材料：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。（外壳、基片、框架、散热片等）功能电子材料：功能电子材料：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。第10页/共61页2 2按电子材料的组成分类按电子材料的组成分类无机电子材料有机

3、电子材料(高分子材料)金属材料非金属材料碳、氢、氧、氟、氯、氟等组成的高分子材料第11页/共61页3. 3. 按材料的物理性质和应用领域分类按材料的物理性质和应用领域分类第12页/共61页第13页/共61页第14页/共61页第15页/共61页要求有一些电于材料不仅能作为结构材料使用，要求有一些电于材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的功能或多种功能。而且具有特殊的功能或多种功能。要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，具有敏感和驱动的双重功能具有敏感和驱动的双重功能.第16页/共61页由于人类生产活动的增加和工业污染物的大量排由于人类生产活动

4、的增加和工业污染物的大量排放，已引起生态环境日益恶化。在现代文明社会，放，已引起生态环境日益恶化。在现代文明社会，人类既期望获得大量高性能和多功能材料，又迫人类既期望获得大量高性能和多功能材料，又迫切要求有一个良好的生态环境，实际上这两种要切要求有一个良好的生态环境，实际上这两种要求在某种程度是不协调的。因此求在某种程度是不协调的。因此对于材料的要求对于材料的要求是最大限度地发挥材料的潜在性能和功能，但对是最大限度地发挥材料的潜在性能和功能，但对环境的危害尽量要小。环境的危害尽量要小。第17页/共61页要求电子材料能长期保持其基本特性，稳定可靠、要求电子材料能长期保持其基本特性，稳定可靠、用来

5、制造的设备和元件能少维修或不维修。用来制造的设备和元件能少维修或不维修。第18页/共61页第19页/共61页电子材料发展动态电子材料发展动态第20页/共61页第21页/共61页第22页/共61页第23页/共61页第24页/共61页 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；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。第25页/共61页表面原子数占全部原子数的表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系比例和粒径间的关系 第26页/共61页l金属纳米颗粒对光吸收显著增加；熔点会显著下降。金的熔点在一般情况下是1064,2

6、nm的金颗粒熔点降为330 。l纳米陶瓷只需用不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。普通陶瓷没有足够的韧性。而纳米陶瓷甚至能够具有超塑性质。第27页/共61页大块材料的能带可以看成是连续的，而纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。例如：导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体； 或由金属变为半导体。第28页/共61页第29页/共61页第30页/共61页与传 统 的 无机材料相比有机材料具有质量轻、易成型、结构易变和半导体特性等优点，日益引起人们的兴趣和重

7、视成为材料科学研究的热点长期以来，有机电子材料用做电子元器件的绝缘材料、电容器介质材料、液晶显示材料、包封材料和用来控制多层布线浆料和厚膜浆料中的流变件、触变性的改性材料等。目前常用的： 有机导电材料 有机压电材料 有机光电材料 有机磁性材料第31页/共61页：是微电子、光电子、信息存储、传感器、光学等领域的重要组成部分，它的制备与评价是微电子、光电子及其它的电子器件的基础 。第32页/共61页Intel Pentium (III) Microprocessor第33页/共61页在计算机技术发相展的今天，在计算机技术发相展的今天，计算机辅助设计计算机辅助设计与计算机模拟与计算机模拟( (又称计

8、算机仿真又称计算机仿真) )正在成为各个正在成为各个研究领域的单独分支。同样地，用于电子材料研究领域的单独分支。同样地，用于电子材料科学中的计算机辅助设计与模拟正成为研究科学中的计算机辅助设计与模拟正成为研究电子材料科学的一个重要组成部分。电子材料科学的一个重要组成部分。4 计算机技术与电子材料第34页/共61页传统研究材料的方法：传统研究材料的方法：l通过大量实验来验证或研究材料的某种性能。通过大量实验来验证或研究材料的某种性能。l通过大量或重复的试验来改善工艺以得到较好的通过大量或重复的试验来改善工艺以得到较好的工艺参数。工艺参数。原料磁学性能力学性能热学性能电学性能研究某种纳米材料的性能

9、过程：研究某种纳米材料的性能过程：粉末或膜制备成型处理烧结第35页/共61页计算机模拟材料行为：计算机模拟材料行为：材料计算机模拟直接从理论出发，根据所需要的材料性质，通过计算机软件设计出符合要求的材料结构，然后通过计算机的模拟计算获得材料的性质根据材料的宏观特性利用固体物理、量子化学、统计力学、计算数学知识计算机模拟部分真实实验或设计材料的结构通过计算机软件材料性能根据一定的模拟方法第36页/共61页 计算机模拟计算机模拟: :通过理论，从微观上研究原子间的相通过理论，从微观上研究原子间的相互作用互作用. .通过计算，模拟材料的组分、结构与性能，通过计算，模拟材料的组分、结构与性能，进而进而

10、深入研究材料的深入研究材料的各参数间各参数间的最佳组合，从而的最佳组合，从而进行材料选择工艺设计和制造。进行材料选择工艺设计和制造。 计算机模拟基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随意性。计算机模拟特点：计算机模拟特点：第37页/共61页 可以通过计算机模拟的结果预测有希望的实验方案，提高实验效率。在许多情况下用计算机模拟比进行实验要快要省。 借助计算机模拟的结果，可以预言新材料的结构、性能或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料 。第38页/共61页计算机模拟与一般实验的最大差别在于：计算机模拟与一般实验的最大差别在于： 一般的实验系统是一个“黑箱”，人们只能通

11、过结 果的输出来了解实验的客体。 计算机是按中则是完全“透明”的，模拟给出 的各种微观信息足以描述系统的静态和动态行为。第39页/共61页 计算机模拟可以在分子水平上跟踪体系。 计算机模拟完全依赖于最基本的物理、化学定律，以及可以自由控制各种近似参数，因此它能提供关于 问题的相关物理信息。通过改变这些微观物理、化学 的控制信息，进而改变宏观的材料性能。第40页/共61页计算机模拟纳米微孔中分子的运动 第41页/共61页第42页/共61页蒙特卡罗法(Monte Carlo)Monte Carlo名字的由来：名字的由来： 是由是由Metropolis在二次世界大战期间提出的：在二次世界大战期间提出

12、的：Manhattan计划，研究与原子弹有关的中子输运过程。计划，研究与原子弹有关的中子输运过程。 Monte Carlo是摩纳哥（是摩纳哥（monaco)的首都，该城以赌博闻名的首都，该城以赌博闻名Nicholas Metropolis (1915-1999)Monte-Carlo, Monaco第43页/共61页l 蒙特卡罗方法是以概率论和数理统计学为基础，通过统计实验达到计算某个量的目的l 赌博时，概率论是一种有力的手段，以蒙特卡罗作为方法的命名，原因大概于此。第44页/共61页MCMC方法的基本思想方法的基本思想: :l MC是以材料某种性能和概率统计理论为基础，以随机抽样为手段对材料

13、微观性能的某个过程进行模拟。l MC是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验的结果，作为问题的近似解。 第45页/共61页 MC比较适合于研究材料中的随机过程 主要应用于模拟： 薄膜生长 晶粒长大 扩散 相变 缺陷行为 碰撞和渗流等过程第46页/共61页MC解题归结为三个主要步骤：1. 根据欲研究的物理系统的性质，建立能够描述该根据欲研究的物理系统的性质，建立能够描述该系统特性的理论模型，导出该模型的某些特征量系统特性的理论模型，导出该模型的某些特征量的的概率密度函数概率密度函数；2. 从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量的

14、一些模拟结果；的一些模拟结果；3. 对模拟结果进行分析总结，预言物理系统的某些特性。对模拟结果进行分析总结，预言物理系统的某些特性。第47页/共61页举例：举例：MCMC方法模拟晶粒的长大方法模拟晶粒的长大多晶材料：晶粒取向随机分布 如果用不同的数字组表示不同的晶粒取向，便构成了无规则的数字系统。第48页/共61页用用MCMC方法模拟晶粒长大步骤：方法模拟晶粒长大步骤： 1. 建立一个网络体系（概率模型） 给网络的每个格点赋一个正整数 Si (1Si Q)代表该格点处的晶粒取向。 Q越大，表示晶粒取向越多，考虑实际材料的结晶性质。所以Q应足够大。 第49页/共61页2. 2. 然后将连续的组织

15、离散化然后将连续的组织离散化 如果一个格点和相邻的格点取向相同 晶粒 (格点) 如果一个格点和相邻的格点取向不同 晶界 (实线)第50页/共61页3.建立各种估计量 晶粒长大的驱动力来自界面能。 任一格点i的能量Ei可描述为：式中，J为界面能的一个量度 ij 为克罗内克尔记号 N为体系总格点数 e为能量阶数 nn为格点i最邻近的格点数（nn=12） Ck 是与能量阶数有关的能量作用常数，（C1=1 C2=0.5）第51页/共61页MC方法模拟晶界移动 随机选取格点，取向Si 计算任一格点Ei 在剩下Q-1个晶粒取向中尝试任选一个取向Si 重新计算任一格点Ei 第52页/共61页格点取向变化几率

16、：p 0，1区间产生一个均匀分布的随机数Rp P R 格点i取向可以接受， Si代替Si成功。晶界发生迁移 p PR 格点i取向变化不可以接受，晶界不发生迁移p N次尝试为一个MCSp 一个MCS为一个格点有一次变化的机会第53页/共61页电子材料发展的特点电子材料发展的特点 电子信息产业本身发展的特点是：(1)材料更新快、技术发展快、品种多(2)材料增值高(3)质量要求高(4)生产的国际化这些发展与要求促进了材料工艺与科学不断发展这些发展与要求促进了材料工艺与科学不断发展第54页/共61页 (1) (1) 材料更新快、技术发展快、品种多材料更新快、技术发展快、品种多制备材料的工艺，设备不断完

17、善，新的材料不断出现第55页/共61页第56页/共61页第57页/共61页(2)(2)材料增值高材料增值高一般的传统材料，由原材料加工成材，增值不过几倍，个别达十几倍。而电子材料，由于其在加工过程中技术密集，因此可增值几十倍或更高。例如1Kg硅砂加工成硅单晶的抛光片，增值约50倍；如加工成外延片可增值I00倍以上。第58页/共61页 (3) (3)质量要求高质量要求高例如：一个硅片的价格加10美元，能出200个管芯 另个硅片为8美元，却只能出180个管芯 而每个管芯的价格为2美元 而其它的消耗都是样的显然没有二个人愿意省2个美元去造成40美元的损失。因此质量低的产品常常是一堆废品。对任何材料而言，质量都非常重要。而对电子材料而言，质量的好坏是涉及该材料产品生产生命攸关的大事。第59页/共61页 (4) (4)生产的国际化生产的国际化由于电子信息材料的单位用量小，而且技术密集，设备与工艺要不断更新，需要高水平的科技人员为之研究开发，同时要求成本不断下降。这就要求产业具有一定规模，而服务的对象却是面向世界范围。第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页