表面与界面原子结构精选课件.ppt

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1、关于表面与界面原子关于表面与界面原子结构结构第一页，本课件共有80页本章主要学习内容Contents 清洁表面清洁表面(Clean Surface)晶界（晶界（crystal Interface）分界面（分界面（Interface）实际表面（实际表面（Factual Surface）第二页，本课件共有80页 在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，在实际条件下，材料表面受到各方面因素影响，从而在结构上、组成上发生改变。从而在结构上、组成上发生改变。为了研究材料的为了研究材料的本征表面特性，清洁表面本征表面特性，清洁表面才才能用来进行研究能用来进行研究。清洁表面清洁表面是相通过特殊处理（是相通

2、过特殊处理（即保证组成上即保证组成上的确定性）的确定性）后，保持在超高真空下的表面后，保持在超高真空下的表面(即保即保证表面不随时间而超高真空改变证表面不随时间而超高真空改变)。清洁表面清洁表面(Clean Surface)第三页，本课件共有80页一般清洁表面是指经离子轰击一般清洁表面是指经离子轰击加退火热处理后的单晶表面。加退火热处理后的单晶表面。由于原子在体内部和在表面受由于原子在体内部和在表面受到力不同到力不同，则引起表面原子的，则引起表面原子的排列与内部有较为明显的差别。排列与内部有较为明显的差别。这种差异经过这种差异经过46层层之后，原之后，原子的排列与体内已相当接近，子的排列与体内

3、已相当接近，这个距离也可以看作是实际清这个距离也可以看作是实际清洁表面的范围洁表面的范围。清洁表面清洁表面(Clean Surface)第四页，本课件共有80页1.1 描述清洁表面原子排列结构描述清洁表面原子排列结构 表面原子的排布方式虽然与体内有差表面原子的排布方式虽然与体内有差别，但表面原子仍作对称和周期性的排别，但表面原子仍作对称和周期性的排布，常看作是二维格子。布，常看作是二维格子。结晶学上的概念和规则，二维格子中结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由于维数减少，相应的复杂都适用。但由于维数减少，相应的复杂性也减少。性也减少。第五页，本课件共有80页由于表面排列突然发生中由于表面

4、排列突然发生中断，表面原子受力（化学断，表面原子受力（化学键）状况发生变化，总效键）状况发生变化，总效应是增大体系的自由能。应是增大体系的自由能。为了降低体系能量为了降低体系能量(减小表面能减小表面能)，表面附近，表面附近原子的排列必须进行调整。原子的排列必须进行调整。调整的方式有两种：调整的方式有两种：(1)(1)自行调整自行调整,表面处原子排列与内部有明显不表面处原子排列与内部有明显不同；同；(2)(2)靠外来因素靠外来因素,如吸附杂质如吸附杂质,生成新相生成新相等。等。1.2 清洁表面的原子排列清洁表面的原子排列第六页，本课件共有80页几种调整的方式后形成清洁表面结构示意图几种调整的方式

5、后形成清洁表面结构示意图 驰豫驰豫 重构重构 偏析偏析 化学吸附化学吸附 化合物化合物 台阶台阶第七页，本课件共有80页 驰豫驰豫表面区原子表面区原子(或离子或离子)间的距离偏离体内的晶间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变格常数，而晶胞结构基本不变,这种情况称这种情况称弛豫弛豫。离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，这是一种长程作用。仑静电力，这是一种长程作用。弛豫产生原子位置偏移，主要在垂弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一般认为弛豫直表面方向。因此，一般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，后表面原子排列的平

6、移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。只是微观对称性发生了变化。1第八页，本课件共有80页重构有两类情况：重构有两类情况：(a)表面晶面与体内完全不一样，称超晶格或超结构。表面晶面与体内完全不一样，称超晶格或超结构。(b)表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬当表面原子排列作了较大幅度的调整，与衬底晶面原子的平移对称性有明显不同，这种表底晶面原子的平移对称性有明显不同，这种表面结构称面结构称重构重构；重构重构2第九页，本课件共有80页a.TLK表面模型表面模型:由由LEED等表面分析结果证实，许多等表面分析结果证

7、实，许多单晶体的表面实际上不是原子级的平坦，单晶体的表面实际上不是原子级的平坦，而是如图所而是如图所示的情形。示的情形。从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种从热力学上来分析，清洁表面必然存在有各种类型的表面缺陷。类型的表面缺陷。清洁表面的缺陷清洁表面的缺陷3第十页，本课件共有80页 b.点缺陷点缺陷在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就是吸附(或偏析或偏析)的外来杂质原子。的外来杂质原子。由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大由于有表面能，表面原子的活动能力较体内大,形成点缺形成点缺陷的能量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。陷的能

8、量小。因此表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对表面上的正负离子空位对、空位团簇、杂质空位对(团团)也是一种表面点缺陷。也是一种表面点缺陷。c线缺陷线缺陷 位错往往要在表面露头，可以将它看作是直径为原位错往往要在表面露头，可以将它看作是直径为原子尺寸的一根管道，从体内通到表面。如果是螺位错，子尺寸的一根管道，从体内通到表面。如果是螺位错，则在表面形成一个小台阶。则在表面形成一个小台阶。第十一页，本课件共有80页 功能材料功能材料(光、电等光、电等)一般都各向异性；晶态时一般都各向异性；晶态时性能指标最佳；性能指标最佳；薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；

9、最理想是薄膜器件和集成电路需要材料薄膜化；最理想是形成单晶薄膜。形成单晶薄膜。在一种单晶表面生长出单薄膜称为外延生长。在一种单晶表面生长出单薄膜称为外延生长。表面上能否生长成一层单晶薄膜极大地取决于表表面上能否生长成一层单晶薄膜极大地取决于表面晶面的晶格常数和缺陷。面晶面的晶格常数和缺陷。表面原子结构对材料科学与工程的作用表面原子结构对材料科学与工程的作用4功能薄膜的外延生长功能薄膜的外延生长第十二页，本课件共有80页 在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理定加工处理(切割、研磨、抛光等切割、研磨、抛光等),材料又在大材料又在大气环境气环境(

10、也可能在低真空或高温也可能在低真空或高温)下使用。材料可下使用。材料可能是单晶、多晶、非晶体。这类材料的表面能是单晶、多晶、非晶体。这类材料的表面称为实际表面。称为实际表面。实际表面中主要关心的是实际表面中主要关心的是nmm级范围内原级范围内原子排列所形成表面结构特征。材料表面的微结构子排列所形成表面结构特征。材料表面的微结构(组织组织)、化学成分、形貌、不同形态、化学成分、形貌、不同形态(形状形状)材料表材料表面的特点。面的特点。实际表面（实际表面（Factual Surface）第十三页，本课件共有80页衡量表面平整程度时，当波距小于衡量表面平整程度时，当波距小于1mm1mm时，时，表面出

11、现的不平整性称为表面粗糙度。表面出现的不平整性称为表面粗糙度。2.1 表面粗糙度表面粗糙度不不同同尺尺度度下下观观察察表表面面平平整整性性第十四页，本课件共有80页测量方法：选用一条轮廓中线测量方法：选用一条轮廓中线(m),(m),中线是中线是一条理想的线，在此线上粗糙度为零。一条理想的线，在此线上粗糙度为零。当比较比较不同表面粗糙程度的大小时，需要当比较比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定量或测量粗糙程度的方法。有定量或测量粗糙程度的方法。表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值1第十五页，本课件共有80页公式表示为：公式表示为：（a）轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度在取样长度l内

12、，测量表面上一些点距中线内，测量表面上一些点距中线m的距的距离离y1，y2，yn，取其绝对值的算术平均值。，取其绝对值的算术平均值。表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值1其近似表达式为：其近似表达式为：第十六页，本课件共有80页在取样长度内，在取样长度内，从平行于中线的任何一条线起，从平行于中线的任何一条线起，到被测量轮廓的五个最高峰到被测量轮廓的五个最高峰(yp1，yp2，.，yp5)与与五个最低谷五个最低谷(yv1，yv2，.，yv5)平均值之和。平均值之和。（b）微观不平整十点高度微观不平整十点高度Rz表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值1第十七页，本课件共有80页在取样长度内，除去个别明显的偏

13、离值之后，在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，以以Ry表示。表示。（c）轮廓最大高度轮廓最大高度Ry表面粗糙度定量值表面粗糙度定量值1第十八页，本课件共有80页 对于一些多晶材对于一些多晶材料、薄膜材料以料、薄膜材料以及有孔的材料，及有孔的材料，它们形状复杂它们形状复杂,除了外表面外还有除了外表面外还有内表面。一般采用内表面。一般采用粗糙系数粗糙系数R来表示。来表示。晶粒就停止生长。晶粒就停止生长。R=Ar/Ag式中式中Ag 为几何

14、表面，为几何表面，Ar 为实际表面。为实际表面。Ar一般是一般是通过吸附试验按照吸附公通过吸附试验按照吸附公式计算出来的。如果表面式计算出来的。如果表面不平整不平整,而且有孔，而且有孔，Ar就大就大,R也就大。也就大。表面粗糙系数表面粗糙系数R2第十九页，本课件共有80页表面粗糙系数表面粗糙系数R2第二十页，本课件共有80页由于固体的表面是不平整性，当两个表由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时面相互接触时,真实接触面积与表观接触真实接触面积与表观接触面积差别较大。在实际应用中，表观面积面积差别较大。在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。与加工方式和负荷无关。而真实接触面积会随受

15、力负荷而改变：而真实接触面积会随受力负荷而改变：负荷为负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观时，则真实接触面积只是表观面积的面积的l/100,000。负荷为。负荷为100kg时，真实时，真实接触面积为表观面积的接触面积为表观面积的l/200；材料表面受力的影响材料表面受力的影响粗糙度对材料或应用的影响粗糙度对材料或应用的影响3第二十一页，本课件共有80页 材料学角度考察结构时：关心材料学角度考察结构时：关心nmmmm范围内结构特征范围内结构特征(晶体？晶体？晶体种类？颗粒尺寸？晶体种类？颗粒尺寸？)微观结构微观结构实际表面：由于经过加工而成，材实际表面：由于经过加工而成，材料表面微观结构也与体

16、内有相当不料表面微观结构也与体内有相当不同。同。2.2 表面的组织（微观结构）表面的组织（微观结构）第二十二页，本课件共有80页（1）实际表面微观结构特征）实际表面微观结构特征（a）金属材料一般金属材料表面要通过研磨抛光而成，表面在结构和组成上都会发生变化。在距表面1m内，晶粒尺寸与体内显著不同。离表面0.3m的范围,晶粒尺寸很细,在最表面层为以非晶态存在贝尔比层第二十三页，本课件共有80页研磨时研磨时,金属表面的金属表面的温度可达温度可达5001000，有时，有时会产生熔化。会产生熔化。在最表层一般产生一薄层与体内性质有明显差别的在最表层一般产生一薄层与体内性质有明显差别的非晶态层非晶态层,

17、称为称为贝尔比层，其厚度为贝尔比层，其厚度为50l000埃。埃。金属导热性好,冷却迅速,熔化的原子来不及回到平衡位置，造成晶格畸变。畸变区有几十微米深度范围。随深度增加，畸变程度降低。第二十四页，本课件共有80页贝尔比层形成与作用由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20埃左右的非晶态层。抛光时抛光剂磨去表面层原子，下面一层在瞬间内保持流动性(熔化)。在凝固前，由于面表面张力的作用使表面变得平滑。对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到耐蚀、强化的作用。第二十五页，本课件共有80页(b)无机非金属材料抛光表面的特征抛光表面的特征

18、从微观结构层次来看，抛光后表面会产生形从微观结构层次来看，抛光后表面会产生形变。其变形程度与硬度有关。表面层结构仍变。其变形程度与硬度有关。表面层结构仍可能由非晶态、微晶和小晶块组成。可能由非晶态、微晶和小晶块组成。表面层的厚度有限。微观结构与内部差别不表面层的厚度有限。微观结构与内部差别不象金属那样大。象金属那样大。表面的缺陷可能比较多表面的缺陷可能比较多(空洞和微裂缝空洞和微裂缝)。第二十六页，本课件共有80页(a)磨抛光工艺参数：转速、抛光剂磨抛光工艺参数：转速、抛光剂(颗粒颗粒尺寸、种类尺寸、种类)、压力等。、压力等。（2）磨抛光工艺参数对表面组织的影响）磨抛光工艺参数对表面组织的影响

19、铜片铜片经过经过600号碳化硅砂纸研磨后，在号碳化硅砂纸研磨后，在10m范范围内有明显的形变。如果加工条件一样，围内有明显的形变。如果加工条件一样，钻石钻石粉产生的损伤区为最小。粉产生的损伤区为最小。第二十七页，本课件共有80页(b)合理选择抛光工艺参数，在材料表面形成合理选择抛光工艺参数，在材料表面形成所需结构。所需结构。金属材料：希望表面形成贝尔比层。金属材料：希望表面形成贝尔比层。如汽车上发亮的如汽车上发亮的金属件和装饰金属件，都采用抛光的办法既达到表面光金属件和装饰金属件，都采用抛光的办法既达到表面光亮效果，又达到抗蚀目的。陶瓷材料：通过抛光消除表亮效果，又达到抗蚀目的。陶瓷材料：通过

20、抛光消除表面较大的缺陷，达到材料力学性能的提高。如经面较大的缺陷，达到材料力学性能的提高。如经Si4N3陶陶瓷经抛光后，抗折强度可提出瓷经抛光后，抗折强度可提出20%。进行腐蚀，以消。进行腐蚀，以消除畸变区。除畸变区。（2）磨抛光工艺参数对表面组织的影响）磨抛光工艺参数对表面组织的影响半导体材料：抛光后表面肯定会形成一定缺陷区，需要消半导体材料：抛光后表面肯定会形成一定缺陷区，需要消除。例集成电路中的硅片，这些缺陷会外延、氧化和扩除。例集成电路中的硅片，这些缺陷会外延、氧化和扩散等工序中感生出位错、层错等二次缺陷散等工序中感生出位错、层错等二次缺陷,严重影响器严重影响器件的电气特性和成品率。因

21、此，常把抛光后的硅片进件的电气特性和成品率。因此，常把抛光后的硅片进行腐蚀，以消除畸变区。行腐蚀，以消除畸变区。第二十八页，本课件共有80页一般特征：一般特征：“金属金属/过渡层过渡层/空气空气”，“金属金属/空气空气”极为少见。极为少见。过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体气体(氧、氮、二氧化碳和水汽等氧、氮、二氧化碳和水汽等)所组成。所组成。过渡层为氧化物最为常见。由于一些金属元素的氧化态过渡层为氧化物最为常见。由于一些金属元素的氧化态可变，因此，在氧化层中也包含不同氧化态的氧化物。可变，因此，在氧化层中也包含不同氧化

22、态的氧化物。铜：铜：1000以下为：空气以下为：空气/CuO/Cu2O/Cu;1000以上为：空气以上为：空气/Cu2O/Cu。铁：铁：570以下为：空气以下为：空气/Fe2O3/Fe3O4/Fe;570以上为以上为:空气空气/Fe2O3/Fe3O4/FeO/Fe。(1)金属表面成分2.3表面的成分表面的成分第二十九页，本课件共有80页一般特征：一般特征：“金属金属/过渡层过渡层/空气空气”。其过渡层中出现情况更为复杂。其过渡层中出现情况更为复杂。过渡层常氧化物，但可能出现硫化物和碳化物等。如仅过渡层常氧化物，但可能出现硫化物和碳化物等。如仅出现氧化物层，那么其氧化物层中的组成与合金成分有出现

23、氧化物层，那么其氧化物层中的组成与合金成分有关。关。Fe-Cr合金合金(1200以下以下),表面氧化物成分随表面氧化物成分随Cr含量而变：含量而变：5%Cr 气相气相/Fe2O3/Fe3O4/FeO/FeOCr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr10%Cr 气相气相/Fe2O3/Fe3O4/FeOCr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr;25%Cr 气相气相/Cr2O3/Fe+Cr表面出现不同氧化物的作用。表面出现不同氧化物的作用。Fe2O3和和Fe3O4不致密；不致密；Cr2O3致密和硬。当表面形成致密和硬。当表面形成Cr2O3时，对材料能起到保护作用，使氧化反应不会继续进行，时，对材料能起

24、到保护作用，使氧化反应不会继续进行，达到不生锈的作用。达到不生锈的作用。(2)合金表面成分第三十页，本课件共有80页一般特征：空气一般特征：空气/非化学计量层非化学计量层/氧化物。氧化物。非化学计量层形成：表面缺陷形成比较容易，如氧空位。非化学计量层形成：表面缺陷形成比较容易，如氧空位。Al2O3表面：表面：Al2O，AlO。TiO2表面：表面：TiO，Ti2O3氧化物表面易具有电偶极矩，即有极性。易发生明显氧化物表面易具有电偶极矩，即有极性。易发生明显的吸附效应。的吸附效应。初生的氧化物表面通常有相当活泼的化学反应能力，特别会吸初生的氧化物表面通常有相当活泼的化学反应能力，特别会吸附水分子，

25、并解离成羟基附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化学性，而使表面的物埋化学性质发生显著的变化。质发生显著的变化。(3)氧化物表面成分第三十一页，本课件共有80页玻璃表面：空气/表面组成/设计组成。表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,B2O3氧化物。表面成分易随时间变化而改变硅酸铝玻璃表面区0.3m范围内,随时间变化的情况如下：玻璃玻璃长期暴露在大气中表面,Na、K和Ca离子会减少。其变化规律可利用来提高玻璃化学稳定性。第三十二页，本课件共有80页 2.4 高温下实际固体表面和薄膜高温下实际固体表面和薄膜(1)高温下实际固体表面单晶：由于表面原子的能量大，活动性高，

26、熔融会首先在整个表面上发生。多晶：晶界和表面原子的能量和活动性较体内大，因此熔融会首先从表面和晶界处发生。多晶体中晶界的面积远大于它的表面积，因此多晶的熔融先从晶界开始。第三十三页，本课件共有80页 超细颗粒或极薄的膜，它们的熔点随晶粒尺寸或超细颗粒或极薄的膜，它们的熔点随晶粒尺寸或膜厚的减小而下降。膜厚的减小而下降。对高温固体表面的研究，有助于了解对高温固体表面的研究，有助于了解热处理、热处理、烧结、融体冷凝时缺陷烧结、融体冷凝时缺陷的形成过程。的形成过程。例子：例子：纳米氧化锆具有超塑性纳米氧化锆具有超塑性(有很好的延展性有很好的延展性)易克服易克服陶瓷精细加工较难的问题原因之一：陶瓷精细

27、加工较难的问题原因之一：晶界产生蠕动滑晶界产生蠕动滑移。移。第三十四页，本课件共有80页(2)薄膜薄膜这里介绍的薄膜是采用气相沉积方法形成的薄膜。这里介绍的薄膜是采用气相沉积方法形成的薄膜。(有目的地制造一个表面或界面有目的地制造一个表面或界面)薄膜表面的结构受到沉积条件、材料性质和衬底等因素薄膜表面的结构受到沉积条件、材料性质和衬底等因素的影响，一般易得到多晶膜。的影响，一般易得到多晶膜。第三十五页，本课件共有80页表面微观结构表面微观结构第三十六页，本课件共有80页表面粗糙系数表面粗糙系数只有在合适的基板温度下，才能形成致密和大晶粒只有在合适的基板温度下，才能形成致密和大晶粒的薄膜。对拟形

28、成防护表面的薄膜。对拟形成防护表面(薄膜薄膜)有特别的意义。有特别的意义。第三十七页，本课件共有80页 2.5 粉体粉体粉体：微细固体粉粒的集合体。第三十八页，本课件共有80页 粉体性质粉体性质:(a)(a)组成粉体最小单位是组成粉体最小单位是初次初次(一次一次)颗粒颗粒；颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面缺陷等颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面缺陷等 (b)(b)颗粒常以团聚体形式发挥作用颗粒常以团聚体形式发挥作用 团聚程度团聚程度(尺寸及分布尺寸及分布)、团聚体内颗粒结合强度等、团聚体内颗粒结合强度等(c)(c)加工过程中，加工过程中，宏观尺度粉末集合体性质宏观尺度粉末集合体性质

29、比表面、包装密度、粉体堆积角度等比表面、包装密度、粉体堆积角度等第三十九页，本课件共有80页 2.6 超微粒子与纳米材料超微粒子与纳米材料(1)超微粒子 粒子尺寸为亚微米到纳米的范围时，一般称团簇，小粒子，超微粒子。第四十页，本课件共有80页(2)表面效应随微粒尺寸减小，表面原子数比例增加。随微粒尺寸减小，表面能也迅速增加。第四十一页，本课件共有80页第四十二页，本课件共有80页第三节第三节 晶粒间界晶粒间界第四十三页，本课件共有80页第四十四页，本课件共有80页层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍是密排的层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍是密排的。原子堆积排列层错原子堆积排列层错密

30、堆原子层的表面能变化不大。密堆原子层的表面能变化不大。层错的畸变区约为一个原子的尺度，因此层错的交界区层错的畸变区约为一个原子的尺度，因此层错的交界区（晶界过渡区）很薄，界面能也较小。因此，在原子密（晶界过渡区）很薄，界面能也较小。因此，在原子密堆积的晶体堆积的晶体(如如Au，Al等等)中容易产生层错。中容易产生层错。层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半导体单晶器层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半导体单晶器件中，层错对器件性能影响很大。件中，层错对器件性能影响很大。第四十五页，本课件共有80页 ABCACBCABC(c)ABCACABCABC(b)第四十六页，本课件共有80页单晶体中

31、存在一个界面，如具有对称面作用，单晶体中存在一个界面，如具有对称面作用，即产生界面两侧原子排列互相对称，称双晶即产生界面两侧原子排列互相对称，称双晶界面界面(孪生晶界孪生晶界)。(2)双晶界面双晶界面第四十七页，本课件共有80页(3)小角度晶界小角度晶界 两个晶粒交界处晶向两个晶粒交界处晶向(如如111等等)之间之间的夹角，称晶界角。晶界角小于的夹角，称晶界角。晶界角小于10o的的晶界称小角度晶界。晶界称小角度晶界。晶界中原子排列可以通过位错方式过渡晶界中原子排列可以通过位错方式过渡第四十八页，本课件共有80页晶界角大于晶界角大于10o以上的晶界以上的晶界称大角度晶界称大角度晶界晶界中的原子排

32、列可用下列方式说明不同角度与原晶界中的原子排列可用下列方式说明不同角度与原子排列有序性的关系子排列有序性的关系(4)大角度晶界大角度晶界第四十九页，本课件共有80页不同晶界的差别不同晶界的差别第五十页，本课件共有80页 3.2 相界相界在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为相相界界。相界种类相界种类:(1)(1)共格相界共格相界两相具有相同或相似的晶格结构两相具有相同或相似的晶格结构,晶格常数也比较晶格常数也比较接近。在相界面附近的原子可以通过形变，使接近。在相界面附近的原子可以通过形变，使两侧的原子排列保持一定的相位关系两侧的原子排列保持一定的相

33、位关系,这种相界这种相界称为称为共格相界共格相界。第五十一页，本课件共有80页例如：例如：钴在450由面心密积转变为六角密积：第五十二页，本课件共有80页晶格常数差别增大，晶格常数差别增大，交界处原子的收缩或交界处原子的收缩或扩张程度增大，弹性扩张程度增大，弹性畸变过于严重畸变过于严重,则相则相界结构不稳定，而失界结构不稳定，而失去准共格特征。去准共格特征。两相具有相同或相似的晶体结构两相具有相同或相似的晶体结构,晶格常数差别晶格常数差别小于小于1010，在相界面附近的原子可以通过收缩或扩，在相界面附近的原子可以通过收缩或扩张等方式，使两侧的原子排列保持一定的相位关系张等方式，使两侧的原子排列

34、保持一定的相位关系,这种界面称为这种界面称为准共格相界面准共格相界面(2)准共格相界面准共格相界面第五十三页，本课件共有80页 一般情况下，多相材料中的各相的晶格结构和晶格常数相一般情况下，多相材料中的各相的晶格结构和晶格常数相差较多，因此，不同晶体结构的相界称为差较多，因此，不同晶体结构的相界称为非共格晶界。非共格晶界。(3)非共格相界非共格相界第五十四页，本课件共有80页3.3 多晶体中的晶粒分布和晶界多晶体中的晶粒分布和晶界考察多颗晶体体系中，晶界的特征考察多颗晶体体系中，晶界的特征(1)多晶体中晶粒的形态多晶体中晶粒的形态在多晶体中体系应该满足：在多晶体中体系应该满足：(a)充塞空间条

35、件，即晶粒应完整无缺地充满整个充塞空间条件，即晶粒应完整无缺地充满整个空间；空间；(b)晶界面自由能极小的条件。晶界面自由能极小的条件。从满足上述二个条件下，二维截面图上，二个晶从满足上述二个条件下，二维截面图上，二个晶粒相交或三个以上晶粒交于一点的情况是不稳定粒相交或三个以上晶粒交于一点的情况是不稳定的。即三个晶粒交于一点是最稳定的。的。即三个晶粒交于一点是最稳定的。第五十五页，本课件共有80页 从界面能角度，依据晶界与相界的平衡可以判断从界面能角度，依据晶界与相界的平衡可以判断出多相颗粒形态。出多相颗粒形态。、两相共存的多晶材料，其晶界和相界表面两相共存的多晶材料，其晶界和相界表面能平衡关

36、系为：能平衡关系为：多相体系：多相体系：第五十六页，本课件共有80页第五十七页，本课件共有80页实际的晶界并非都是正六边形，在二维截面图中可能存实际的晶界并非都是正六边形，在二维截面图中可能存在有弯曲的晶界。但只要动力学过程的允许，弯曲的晶界在有弯曲的晶界。但只要动力学过程的允许，弯曲的晶界会沿着曲率中心运动，变成平直晶界聚集体。会沿着曲率中心运动，变成平直晶界聚集体。在二维截面图，理论上晶界是不产生弯曲的，在二维截面图，理论上晶界是不产生弯曲的，因为只有直线界面能最小，即正六边形。因为只有直线界面能最小，即正六边形。第五十八页，本课件共有80页为了尽可能形成低能晶界，在晶界过渡区中为了尽可能

37、形成低能晶界，在晶界过渡区中(a)通过改变晶格常数大小，使两边原子得到匹配通过改变晶格常数大小，使两边原子得到匹配(b)形成一定数目的失配位错，使其两边原子获得匹配形成一定数目的失配位错，使其两边原子获得匹配即尽可能通过原子有序排列的过渡即尽可能通过原子有序排列的过渡 多晶体中的晶界大都是大角度晶界。多晶体中的晶界大都是大角度晶界。(2)晶界的一般特征晶界的一般特征第五十九页，本课件共有80页 晶界是一个过渡区，是缺陷的密集地区。晶界是一个过渡区，是缺陷的密集地区。（a）晶界的结构）晶界的结构第六十页，本课件共有80页在一些材料中杂质含量可以低到在一些材料中杂质含量可以低到10100ppm（1

38、0-510-4），），但在晶界中杂质的含量由于偏析可高达但在晶界中杂质的含量由于偏析可高达15at。有时晶界杂质的偏析会对晶体的一些性质（如有时晶界杂质的偏析会对晶体的一些性质（如耐蚀性，蠕变、脆性和电学性能等）起关键性耐蚀性，蠕变、脆性和电学性能等）起关键性的作用的作用。晶界结构比晶体内疏松，杂质原子容易在此发生晶界结构比晶体内疏松，杂质原子容易在此发生聚集。聚集。（b）晶界的成分）晶界的成分第六十一页，本课件共有80页层状析出层状析出层层杂质作为另外的结晶相在晶界析出，并以层状杂质作为另外的结晶相在晶界析出，并以层状或包裹形式存在于晶界中。或包裹形式存在于晶界中。粒状析出粒状析出层层杂质作

39、为另外的结晶相在晶界析出，并以呈粒杂质作为另外的结晶相在晶界析出，并以呈粒状存在于晶界中。状存在于晶界中。晶界偏析层晶界偏析层由偏析的杂质离子所形成的层。偏析层厚度由由偏析的杂质离子所形成的层。偏析层厚度由20埃至埃至1微米微米晶界异组成存在的方式晶界异组成存在的方式第六十二页，本课件共有80页由于晶界电荷的存由于晶界电荷的存在，有时会形成晶在，有时会形成晶界空间电荷区、晶界空间电荷区、晶界态和陷阱，直接界态和陷阱，直接影响到材料的电学、影响到材料的电学、光学和磁学等性能。光学和磁学等性能。对于许多离子晶体来说，对于许多离子晶体来说，它的结构单元是带电的，它的结构单元是带电的，因此缺陷也带电。

40、为此在因此缺陷也带电。为此在晶界处会带电。晶界处会带电。例如例如在在MgO多晶材料中，如有多晶材料中，如有高价杂质离子存在，则晶高价杂质离子存在，则晶界带负电，如界带负电，如Al2O3中有中有MnO时，晶界带正电。时，晶界带正电。（c）晶界电荷）晶界电荷第六十三页，本课件共有80页(3)(3)陶瓷的晶界陶瓷的晶界陶瓷是多成分、多晶体系，晶界是陶瓷重陶瓷是多成分、多晶体系，晶界是陶瓷重要微观结构特征之一。要微观结构特征之一。陶瓷晶界特征：陶瓷晶界特征：第六十四页，本课件共有80页第四节 分界面分界面是指两个或数个凝集相的交界面。与前面描述的界面主要表现考虑具有宏观二维尺寸条件下层与层间的界面。通

41、常分界面有：由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表面层的界面)由薄膜与基板间的界面块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面作用。第六十五页，本课件共有80页4.1 Si-SiO2 分界面集成电路基板集成电路基板-单晶硅单晶硅电路中含有许多和多种半导体晶体管或元件，元电路中含有许多和多种半导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠件隔离主要依靠SiO2。硅表面常会有意进行氧化，形成硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄层，从而薄层，从而存在着存在着Si-SiO2分界面。分界面。Si-SiO2分界面状况与器件、分界面状况与器件、电路的性能、成品率、电路的性能、成品率、可靠性等都有直接的关系。可靠性等都有直

42、接的关系。第六十六页，本课件共有80页第六十七页，本课件共有80页薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属薄膜材料属薄膜材料(导电带导电带)。导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。抗氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。4.2 金属薄膜间的分界面金属薄膜间的分界面l 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，故采用多故采用多层金属薄膜结构。层金属薄膜结构。第六十八页，本课件共有80页Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。双层金属膜是普遍采用的薄

43、膜导电带。Cr与衬底有良好的附着性，与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导电具有优良的导电性，能抗蚀抗氧化，所以性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比较可发挥出比较理想导电带作用。理想导电带作用。缺点：缺点：Cr在高温时很快往在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻增中扩散，使导电带电阻增加；加；(1)双层导电带双层导电带Cr进入表面并进一步氧化，生成进入表面并进一步氧化，生成Cr2O3,这样整个导电附着这样整个导电附着性能变差，使噪声电平增大，焊接性能明显下降。性能变差，使噪声电平增大，焊接性能明显下降。Cr-Au导电带遇热温度导电带遇热温度300，有焊接时间要尽量短。，有焊接时间要尽量短

44、。第六十九页，本课件共有80页第七十页，本课件共有80页(1)(1)金属金属-非金属交界面的结构非金属交界面的结构Ni/MgO的分界面：的分界面：界面过渡区厚度小于界面过渡区厚度小于40nm，有有NiO微晶微晶(10nm)存在。存在。金属金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面能的减晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面能的减小，如小，如001MgO/021Ni。金属金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面层，非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面层，金属和陶瓷间封接界面。金属和陶瓷间封接界面。分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响

45、。4.3 金属金属-非金属分界面非金属分界面第七十一页，本课件共有80页A A 金属与非金属界面附着力的来源有两种：金属与非金属界面附着力的来源有两种：机械咬合作用机械咬合作用 金属金属-非金属间发生了键合作用非金属间发生了键合作用B B 键合作用：键合作用：化学键力、化学键力、Van der wasls色散力、镜象作用力色散力、镜象作用力(a）镜象作用的基本概念）镜象作用的基本概念金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常大金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常大(金属金属r=，氧化物，氧化物r10）。非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面中易形成非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面中

46、易形成带电的缺陷和杂质。带电的缺陷和杂质。(2)镜象作用与金属-非金属界面的附着力第七十二页，本课件共有80页带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从产生一个带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从产生一个附加界面能附加界面能Eim(镜象作用能镜象作用能)。1和2为两边的介电常数分别为。1中存在电荷Q距界面的距离为a。当金属2,Eim是负值，能降低界面能，故产生吸引力。第七十三页，本课件共有80页从物理意义来说从物理意义来说,镜象作用反映了电荷对可极化镜象作用反映了电荷对可极化媒质的稳定性程度。媒质的稳定性程度。镜象作用力来源：镜象作用力来源：化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化离子晶化合物

47、中的离子电荷靠近金属而获得稳定化离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生吸引作体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生吸引作用。用。在在a=2 时，镜象作用力仍能产生效力。距离进一步时，镜象作用力仍能产生效力。距离进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子云重叠而产减小时，会由于离子晶体与金属的电子云重叠而产生巨大的排斥力。生巨大的排斥力。第七十四页，本课件共有80页（b）金属）金属-非金属界面的附着非金属界面的附着没有明显互扩散和反应的金属没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，镜象作用非金属界面，镜象作用对附着力可起着关键作用。对附着力可起着关键作用。NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈

48、电中性，故当面上正负离子交错排列，整个面呈电中性，故当与金属接触时与金属接触时,不会有明显的镜象作用，附着力的来源主不会有明显的镜象作用，附着力的来源主要是要是Van der waals作用。作用。NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离子层。面上，是一层正离子层，或一层负离子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如金属和与金属接触，会有显著的镜象作用。如金属和NiO（110）面的附着力为）面的附着力为1.33Jm-2,几乎是（几乎是（100）面的一倍。）面的一倍。水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表面生成一层厚于水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表面生成一层厚于40 的氧化硅，就能完全润湿

49、。并且随氧比硅厚度的增加，硅的氧化硅，就能完全润湿。并且随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。与水的接触角而增大。第七十五页，本课件共有80页 随着氧比硅厚度的增加，缺陷随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷电荷)也相应也相应增加。增加。经过估算，只要在表面层下有经过估算，只要在表面层下有1013/cm2量量级的电荷密度，就能够完全级的电荷密度，就能够完全润湿水。润湿水。第七十六页，本课件共有80页4.5 金属金属-聚合物分界面聚合物分界面大规模集成电路中，有很多金属大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，绝缘体界面，其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。聚合物优

50、点是：聚合物优点是：r为为34(高速电路中采用高速电路中采用),可以通过光刻可以通过光刻(形成形成1m细线细线),适合高速电路和高密度封装。适合高速电路和高密度封装。金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏松金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏松,大分子卷曲大分子卷曲,原子排列无序。两者在物化性能上原子排列无序。两者在物化性能上差别较大。因此，金属差别较大。因此，金属-聚合物分界面状态对使用聚合物分界面状态对使用性能影响很大。性能影响很大。第七十七页，本课件共有80页Cu/聚酰亚胺聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成的界面：在用蒸发方法形成Cu/PI界面时，许多界面时，许多Cu原子迁移