研究生电子材料_第一讲

导电聚合物实例：迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得较 为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、 聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高 的导电性，其电导率可达5×103～104 S· cm-1（金属铜的电导率为105 S· cm-1）
聚乙炔 顺式：σ＝10-7Ω-1· cm-1 反式：σ＝10-3Ω-1· cm-1 聚苯撑 σ＝10-3Ω-1· cm-1 聚并苯 σ＝10-4Ω-1· cm-1
《电子材料》第一讲
电子材料概论
主讲人：汪晓东教授
授课提纲
一、电子材料简介 二、电子材料的研究范畴 三、电子材料的基本特性 四、几种重要的电子材料实例 五、《电子材料》课程论文的写作
参考书目录
［ 1 ］《电子材料导论》，李言荣、恽正中主编，清华 大学出版社，2001年出版。 ［ 2 ］《电子材料》，贾德昌等编著，哈尔滨工业大学 出版社，2000年出版。 ［3］《电子材料》，陈鸣主编，北京邮电大学出版社 ，2006年出版。



电介质材料 纸质电容器材料、有机薄膜电容器材料（PE和PP等）、电解电容器 材料（氧化铝薄膜、固体钽等）、陶瓷电容器材料（钛酸钡－氧化 钛）； 铁电材料 钙钛矿类的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发 极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性 被称为“铁电现象”或“铁电效应” ； 具有电场条件下的非线性叠加效应；要在未来新一代的随机存贮器 上得到应用。 压电材料 当对材料施加机械压力会产生电压差（正压电效应），反之，如果 施加电压，则产生应力（逆压电效应）；该现象被称称为压电效应。 ①压电晶体最有代表性的就是石英晶体，绝缘好，机械强度大，居 里点高，但压电系数小，所以只用作校准用的标准传感器，或是要 求精度很高的传感器。②压电陶瓷应用范围很广，灵敏度好，但相 对石英晶体则机械强度低，居里点底。③有机压电材料（目前发现 的有 PVDF），压电系数高，灵敏度高，多用于医学等高精尖科学。
质子的发现：
1919 年 英国物 理学家 卢瑟 福。
中子的发现：
1932 年英国物理学家查德 威克
正电子的发现：
1932 年美国加洲理工学院 的安德森
巴黎六大－－居里夫人一家学习与工作过的地方
传统电子元器件
真空电子管是最早的电子元 器件，经基本上是一个控制 电子流量的电子阀。
CH CH CH CH
热解聚丙烯腈 σ＝10-1Ω-1· cm-1
聚苯硫醚 σ＝10-2Ω-1· cm-1
N
N
S
N
N
N
Sห้องสมุดไป่ตู้
S
（2）介电材料
介电材料的分类 绝缘材料，定义：电阻大于108Ω/m的材料； 电介质材料，具有高介电常数的绝缘材料，在外电场条件下， 可利用自身的极化使材料的两极能够贮存巨大的电量，常用 于电容器 介电材料的重要参数 电阻率、介电常数、介电损耗因子。 介电材料的种类 气体、液体 ( 矿物油) 、无机固体（云母、石棉、陶瓷）、塑 料及橡胶等，当前聚合物介电材料、金属介电材料、高介电 陶磁材料是重点研究。 介电材料的应用 电子电气元器件、电子设备辅助用等。 导电材料的性能测试 绝缘电阻、击穿电压、介电常数、介电损耗正切值。
TFT－LCD：
在两层玻璃板间夹一层液晶材料，其中上层玻
璃板为彩色滤光片，下层玻璃上镶嵌电晶体。 当电流通过电晶体时发生电场变化，造成液晶
分子发生偏转，籍以改变光线的偏振性；再利
用偏光片来确定像素（Pixel）的明暗状态。
PDP－等离子显示器：
发光原理与日光灯相同，就是在两片玻璃板间形成 真空狭缝，在其中注入氖和氙的混合气体；施加电 压后使气体游离，发生等离子效应，并产生真空紫 外线，利用紫外线去激发涂覆在阻隔壁上的红、绿、
有机高分 子材料
2. 电子材料的分类
按用途划分：结构电子材料和功能电子材料：
结构电子材料是指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 功能电子材料是指除强度性能外，还有特殊性能，或能实现光、电、 磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料




所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子经化学或电化学“掺 杂”，使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。它完全不同于 由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。 通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结构和与链非键合的一 价阴离子或阳离子共同组成。即在导电高分子结构中，除了具有高 分子链外，还含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂）或 对阳离子（n型掺杂）。 导电高分子的类型 结构型导电高分子：结构型导电高分子本身具有“固有”的导 电性，由聚合物结构提供导电载流子（包括电子、离子或空 穴）。这类聚合物经掺杂后，电导率可大幅度提高，其中有些 甚至可达到金属的导电水平； 复合型导电高分子：复合型导电高分子是在本身不具备导电性 的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等， 通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料， 其中以分散复合最为常用； 超导聚合物 目前已经发现聚氮硫在0.2K时具有超导性，研究的目标是超导临 界温度达到液氮温度（77K）以上，甚至是常温超导材料。
现代电子科学的基础
古典力学－巨大物体移动的法则
由牛顿于十七世纪发明三大定律为基础
古典力学无法的问题
黑体辐射
光电效应 氢原子的线光谱和原子结构
量子力学
为近代物理领域除相对论为最重大的发现之一
电子的发现
发现者： 1897年英国物理学家 J. J. Thomas利用 阴极射线实验，测得电子电荷－质子
质量（e/m），从而确认了电子的存在
质量： 5.485799×10-4 a.m.u（ 即 9.11×10-28g ，
电子质量约为质子质量的1/1840）
电荷电量： -1.602×10-19 Coul（即一单位的负电荷
电量）
剑桥大学校训：
Hinc lucem et pocula sacra 此地乃启蒙之所和智慧之源
3. 电子材料研究的范畴
导电材料 电介质材料 半导体材料 磁性材料 功能电子材料 电子复合材料 薄膜电子材料 电子辅助材料
（1）导电材料
导电材料的分类： 按凝聚态：气体、液体和固体导电材料； 按化学类别：有机和无机导电材料； 按元素类别：金属和非金属导电材料； 按导电能力：导体材料和电阻材料； 按导电机理：电子导电型和离子导电型。 导电材料的导电参数： 电导率（S/m）、百分电导率。 导电聚合物的特点： 同时存在电子导电和离子导电机制理，主要包括的聚合物种 类有共轭聚合物、电子转移型复合物、离子自由基复盐复合 物、金属络合物复合物。 导电材料的应用： 导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池。 导电材料的性能测试： 电导率、温度电阻系数、膨胀系数、热导率、热电势。
电晶体（transistor），由transfer 和resistor二字缩写而成，意为 转换电阻；它可以利用一端电 压来控制另外两端间的电阻， 因此具有开头和放大信号的功 能。
现代电子元器件－集成电路芯片
碳纳米管勇闯晶元厂
連結導線
電極
奈米碳管 電晶體 二氧化矽層 矽化物層 矽晶圓
现代电子元器件－液晶显示器
异征半导体－P型半导体

第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物 晶态化合物半导体 非晶态化合物半导体 砷化镓的电子迁移率是硅的6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用 于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。 砷化镓用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能 力强2个量级，是携带电话的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能 更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。 砷化镓半导体早期大量应用于卫星通讯、国防军工领域，直到 1990年后才应用于民用通讯领域 砷化镓半导体比硅晶半导体无法比拟的优点： 高工作频率：当通讯频率超过1GHz时，硅晶半导体不能胜任， 只能用砷化镓半导体。手机的频率：1800Hz=1.8GHz 低噪音、抗辐射 工作温度范围宽，最高可耐200℃，硅晶半导体没法比
压电陶瓷
高温超导陶瓷
导电陶瓷
热释电材料 压电材料的一个特殊品种，具有自发极化的特征。 自发极化是指由于物质本身的结构在某个方向上正负电荷中心不 重合而固有的极化。一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束 缚电荷被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽，当温度变化时， 自发极化发生改变，从而释放出表面吸附的部分电荷。晶体冷却 时电荷极性与加热时相反。 热释电材料主要有硫酸三苷肽、锆钛酸铅镧、透明陶瓷和聚合物 薄膜，可用于红外探测器件、热摄像管并在国防上有某些特殊用 途。 微波陶瓷材料 是一种施外加电场可产生微波的材料：主要是BazTiyOx类的金属 氧化物 ； 微波陶瓷材料是滤波器、谐振器等微波元器件的关键材料。



按化学组成划分：无机电子材料和有机电子材料： 无机电子材料以可分为金属材料（以金属键结合）和非金属材料 （以离子键和共价键结合） 有机电子材料主要是指高分子材料（以共价键结合） 按材料的物理性质和应用领域划分： 物理性质划分：导电材料、超导材料、半导体材料、绝缘材料、 压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等 应用领域划分：微电子材料、印刷电路板材料、电容器材料、光 电子材料、电声材料等 传统电子材料与先进电子材料： 传统电子材料：……… 先进电子材料：纳米材料、仿生智能材料、先进复合材料、生物 电子材料、新型有机电子材料、电子薄膜、微电子材料
非晶态半导体太阳能电池工作原理
光电子材料：
激光材料：确保激光的高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr+++:Al2O3 ）、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG) 非线性光学晶体（变频晶体）
本征半导体的工作原理
因为硅或锗内部的能隙很小，所以一部分电子拥有足够的能量可被 激发进入传导带内。被激发的电子在价带内遗留下来的空能穴被称 为电洞。当有一个能量作用在该材料上时，传导带内的电子将朝正 极的方向加速前进，而电洞则朝负极方向加速运动。此时电洞的作 用就如同带正电的电子。
异征半导体－N型半导体
蓝荧光粉，再转换成可见光，从而形成图像。
OLED－有机发光二级管显示器：
在透明阴极与金阳间蒸镀一层有机薄膜，注入电子 与电洞，并利用其在有机薄膜间复合，将能量转换 成可见光。 可搭配不同的有机材料，发出不同颜色的光，来达
成全采色显示器的要求。
电子材料范畴
金属 材料
复合材料
无机 陶瓷 材料
1. 电子材料的概念
电子材料是指与电子工业有关的、专门应用于信息、
电子电气等领域的专用材料，是制作电子及微电子元器
件、元器件搭载体及周边部件的物质基础。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。
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。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。

第二代半导体材料的代表－砷化镓半导体材料

非晶态半导体材料 非晶态半导体是一种不具有规则结晶结构的半导体材料：其 特点为是长程无序，但短程有序，原子排列仍有规律性。 非晶硅材料于1974年后被发现，主要用于制作太阳能电池的 薄膜材料，主要应用于手表、计算器等小型电子产品。
（3）半导体材料
半导体材料 定义：电阻率在10-8Ω/m至108Ω/m的材料 半导体材料对环境因素很敏感 半导体材料的种类 本征半导体 异征（掺杂）半导体（N型半导体、 P型半导体） 化合物半导体 非晶态半导体 铁电半导体 有机半导体（很多导电聚合物都是半导体） 超导体