电子信息材料绪论.ppt
电子信息材料,教材：李言荣 电子材料导论参考书：贾德昌 电子材料,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,一 绪 论,集成电路芯片半导体材料,太阳能电池光电材料,电容器电解质材料,压电蜂鸣器电解质材料,移动硬盘磁性材料,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。,分类与特点应用与发展动态,1.1 电子材料的分类与特点,1.1.1 在国民经济中的地位 1.1.2 电子材料的分类 1.1.3 电子材料对环境的要求 1.1.4 电子材料与元器件,1.1.1 在国民经济中的地位,电子材料是电子信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。,1.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工程的最前沿。2.电子材料的优劣直接影响电子产品的质量，与电子工 业的经济效益有密切关系。3.一个国家的电子材料的品种数量和质量，成了一个衡 量该国科学技术、国民经济水平和军事国防力量的主 要标志。,1按电子材料的用途分类,1.1.2 电子材料的分类,2按电子材料的组成分类,3.按材料的物理性质和应用领域分类,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：,温度 压力 湿度 环境中的化学颗粒及尘埃 霉菌和昆虫 辐射 机械因素,1.2 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、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；电子材料今后将尽可能适应电子元器件的这些要求。,电子材料的要求和选用原则 电子材料的发展动态 电子材料的发展特点,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,结构与功能相结合智能材料减少污染节省能源长寿命与可控寿命,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。,结构与功能相结合,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.,2.智能材料,3.减少污染,由于人类生产活动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，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，实际上这两种要求在某种程度是不协调的。因此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，但对环境的危害尽量要小。,要求电子材料能长期保持其基本特性，稳定可靠、用来制造的设备和元件能少维修或不维修。,4.节省能源 制造材料时耗能尽能少，又可利用新开发的能源。,5.长寿命与可控寿命,1.2.2 电子材料的选用原则,根据元器件性能参数根据元器件结构特点根据元器件工艺特点按经济原则,1.2.3 电子材料发展动态,先进电子材料有机电子材料电子薄膜(主流)计算机技术与电子材料,先进电子材料发展迅度,先进电子材料是指用于高新技术，具有高性能，新用途核心作用的各种电子材料，先进电子材料包括：仿生智能材料，纳米材料、先进复合材料、低维材料、高温超导材料和生物电子材料等。,纳米电子材料,纳米材料的特征定义：纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。包括：纳米微粒、纳米纤维、纳米复合材料等。,零维：纳米尺寸的粒子 一维：纳米粗细尺寸的棒、碳管、线 二维：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜。三维：纳米尺寸晶粒的三维块材料,纳米材料的基本单元包括：,1）表面效应2）量子尺寸效应3）界面相关效应,纳米效应：,1）表面效应 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。,表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系,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1064,2nm的金颗粒熔点降为330。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。,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。,2）量子尺寸效应,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。,3）界面效应,由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比，纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；出现超强度、超硬度、超塑性等。,纳米电子材料主要应用方面：,纳米磁记录材料纳米半导体催化材料陶瓷增韧,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：,2.有机电子材料应用不断扩大,有机导电材料 有机压电材料 有机光电材料 有机磁性材料,3.电子薄膜材料将成为主流,电子薄膜材料：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。,Intel Pentium(III)Microprocessor,在计算机技术发相展的今天，计算机辅助设计与计算机模拟(又称计算机仿真)正在成为各个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,传统研究材料的方法：通过大量实验来验证或研究材料的某种性能。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。,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,计算机模拟:通过理论，从微观上研究原子间的相互作用.通过计算，模拟材料的组分、结构与性能，进而深入研究材料的各参数间的最佳组合，从而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：,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。,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。,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。,计算机模拟纳米微孔中分子的运动,蒙特卡罗法(Monte Carlo),Monte Carlo名字的由来：,是由Metropolis在二次世界大战期间提出的：Manhattan计划，研究与原子弹有关的中子输运过程。,Monte Carlo是摩纳哥（monaco)的首都，该城以赌博闻名,Nicholas Metropolis(1915-1999),Monte-Carlo,Monaco,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 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。,MC方法的基本思想: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微观性能的某个过程进行模拟。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。,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,MC解题归结为三个主要步骤：,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的概率密度函数；,从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量的一些模拟结果；,对模拟结果进行分析总结，预言物理系统的某些特性。,举例：MC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。,用MC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。,2.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),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）,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,格点取向变化几率：,0，1区间产生一个均匀分布的随机数R P R 格点i取向可以接受，Si代替Si成功。晶界发生迁移 PR 格点i取向变化不可以接受，晶界不发生迁移 N次尝试为一个MCS 一个MCS为一个格点有一次变化的机会,1.2.4 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,(1)材料更新快、技术发展快、品种多,制备材料的工艺，设备不断完善，新的材料不断出现,(2)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。,(3)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。,(4)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。,
