光电功能材料及应用-3

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2.1 导电材料-电极材料
电极蒸发材料：铜(易氧化)、银(贵)、镉(贵)、 铝、锌、锡 铝：铝膜导电性好，功耗低，耐腐蚀，沸点 高，易于沉积。 锌：一般用作金属化纸介电容器。锌膜易氧 化、电阻率大、易被腐蚀。 锡：一般作为蒸镀Zn的打底材料，性质较为 稳定。
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2.1 导电材料-厚膜导电材料
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参考教材
1．教材（宋体 五号加粗） [1] 朱建国等．电子与光电子材料[M] ．北京：国防 工业出版社，2007 2．主要参考书（宋体 五号加粗） [1] 候宏录等．光电子材料与器件[M] ．北京：国防 工业出版社，2012 [2] 焦宝祥. 功能与信息材料[M] ．上海：华东理工大 学出版社，2011 [3] 周馨我. 功能材料学[M]. 北京：北京理工大学出版 社，2002 [4] 贺庆国等. 分子材料与薄膜器件[M] ．北京：化学 工业出版社，2010
2.1 导电材料-薄膜导电材料
薄膜集成电路：将整个电路的晶体管、二极管、电 阻、电容和电感元件以及它们的互连线，全部用厚 度在1μ m以下的金属、半导体、金属氧化物、多种 金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸 发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。 薄膜导电材料：电路内部元器件的互连线、薄膜电 阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、 微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等。 主要要求：导电性好、附着性好、化学稳定性高、 可焊性和耐焊接性好、成本低。
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n:主量子数（principal quantum number)
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2.1 导电材料
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2.1 导电材料
允许带（允带） ： 允许被电子占据的能带称为允许带，原 子壳层中的内层允许带总是被电子先占满， 然后再占据能量更高的外面一层的允许带。 满带：被电子占满的允许带称为满带。 空带：每一个能级上都没有电子的能带 称为空带。
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2.1 导电材料
能带理论
能级 在孤立原子中，原子核外的电子具有 分立的能量值，或者说电子的能量只能允 许有一系列离散的值。 电子的（也即原子的）能量被量子化。 每一个能量取值叫做一个能级。
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2.1 导电材料
以氢原子为例 氢原子中只有一个核外电子，电子在质 子的库仑场中运动，处于束缚状态。 电子离氢原子的原子核（带 +e 电荷） 的距离为 r，其势能表示为：
单功能材料：电功能材料、光功能材料等
导电材料 半导体材料 电功能材料 介电材料 铁电材料 超导材料
光功能材料
激光材料与非线性光学材料 发光材料 光纤材料 太阳能材料 软磁材料
磁功能材料 硬磁材料(永磁材料) 多功能材料：如铁电材料（电光、声光、磁光、 光致色变材料）
战机
舰船
导弹
高层 建筑
火箭
材料的用途 （铝合金）
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1.功能材料发展概论
1.1 功能材料的定义与分类 Materials：“Materials is the stuff from which a thing is made for using” 材料：“材料是可制造有用物品的素材”
“材料科学” 主要包括物理、化学、生物等 学科内容
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材料 (用途)
20 世纪
21世纪
2. 电功能材料及应用
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2.1 导电材料
导电材料的分类：
电子导电材料：起源于电子的运动
离子导电材料：起源于离子的运动
电导率： 1 1 m S m
电子导电材料
导体 超导体 半导体
σ ≥105 S/m σ 无限大 σ 在10-7~104S/m
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2.1 导电材料
厚膜集成电路：在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制作 厚膜无源网络，然后连接二极管、三极管或半导体集成 电路芯片，构成一定功能的电路就是厚膜集成电路。厚 度为7um-40um之间。 丝 网 印 刷 工 艺
2.1 导电材料-厚膜导电材料
厚膜导电材料：作为元件之间的互连线、厚膜电容的上 下电极及外引线的焊区等。 厚膜导电材料应具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊 点有良好的机电完整性、与基体的粘附牢固等特点。
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内容提要
1.功能材料发展概论 1.1 功能材料的定义与分类 1.2 功能材料的发展历史与趋势 2. 电功能材料及应用 2.1 导电材料 2.2 半导体材料 2.3 介电材料（电介质） 2.4 压电、热释电与铁电材料 2.5 超导材料 2.6 磁性材料 2.7 电功能材料的研究进展
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内容提要
3. 光功能材料及应用 3.1 激光材料 3.2 非线性光学材料 3.3 发光材料 3.4 光电显示材料 3.5 光纤材料 3.6 光伏材料与太阳能电池 3.7 光信息存储材料 3.8 其他光功能材料 4. 总结（答疑）
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结构材料（Structural Materials 宏观力学性能） 功能材料（Functional Materials 微观性能）
Cu,Fe等
结构材料：能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定 的材料。如建筑材料，机器制造材料等，它具有优良 的力学性能，在物体中起着“力能”的作用 功能材料：美国Bell Lab,J A Morton 1965年提出 “具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、 化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料”
1 1 m S m
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材料 绝缘体 半导体
电导率 /Ω-1· cm-1 ＜10-10 10-10～102
典 型 代 表 石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚 四氟乙烯 硅、锗、聚乙炔
导 体
超导体
102～108
＞108
汞、银、铜、石墨 铌(9.2 K)、铌铝锗合金(23.3K)、 聚氮硫(0.26 K)
2.1 导电材料-薄膜导电材料
分类：单元素薄膜和多层薄膜。
单元素薄膜-铝膜：用作电容器的电极、电阻器的端头、 电感器螺旋导电带、多层布线。通常采用真空蒸发制备。 优点——导电性好，成膜工艺简单，无需用别的金属 打底；与硅铝丝、金丝的可焊性好，成本低。由于它 表面易氧化，有利于提高多层布线的层间绝缘性。 缺点——① 抗电迁移能力较弱； ② 与金形成脆性的 金属间化合物，造成焊点脱开，影响元件和电路的可 靠性； ③ 铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难。
2.1 导电材料-厚膜导电材料
厚膜导电浆料：由导电相（又称功能相）、粘结相、 有机载体组成。导电相：贵金属、贱金属。
贵金属：如金、银-金以及银、铂、钯的二元或三
元合金。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料 浆料。 特点：有很好的导电性，工艺简单，可在空气中烧成， 工艺敏感性差，重复性好， 导电膜性能稳定。 贱金属：常见的有铜、镍-硼、铝-硼等。 优点： 电阻低、可焊件和抗焊溶性好、无离子迁移 等。 缺点：工艺要求很高，老化性能不如贵金属好。
最常用的三种金属导电材料：铜、铝、铁，它们的主要 用途是制造电线电缆。
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2.1 导电材料-金属导电材料
1、铜及铜合金：
玫瑰红色金属，柔软、有金属光泽，导电性（仅次于银）和 导热性好，富于延展性，塑性高，机械强度好，易加工和焊 接，易提炼。主要用途：电弹簧、电刷、插头。
铜矿石
冶炼
粗铜
电解
电解铜
熔融 再加工
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2.1 导电材料-电极材料
电极材料的主要要求： ① 应具有优良的导电性能，体积电阻率要小； ② 具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并
且对介质材料的老化、催化作用要小； ③ 应有良好的机械性能。如不易变形、压延性和柔韧 性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配； ④ 密度小，热导率大； ⑤ 易于焊接，具有适当的熔点和沸点； ⑥ 材料来源广泛，价格便宜。
导电材料：具有良好的导电性的材料，一般情况下电 阻率在10-7-10-4Ω·m。 电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用 来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导线、引 线和布线。 根据使用目的的不同，除了导电性外，有时还要求有 足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐 蚀、耐电弧、高的热导率等。
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金属材料 材 料 (属性) 无机非金属材料（包括陶瓷材料） 有机材料（包括高分子材料） 复合材料 晶体材料 材 料 液晶材料 非晶态材料
(形态)
纳米材料
物理功能材料：光、电、热、磁、声等 材 料 (功能) 化学功能材料：感光、催化、防腐等 生物功能材料：仿生、医药等 功能转换材料：光电、磁光、热电等
U (r )
e
2
4 0 r
e：电子电荷 0：真空介电常数
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1.1 导电材料
采用量子理论分析氢原子的结构
氢原子的能级表示为：
1 me En 2 2 2 n 8 0 h
h: 为普朗克常数，6.625×10-34 Js （焦耳· 秒） m: 电子的静止质量，9.108×10-31 kg （千克） e：电子电荷，1.602×10-19 C （库仑） 0：真空介电常数，8.854×10-12 Fm-1 （法· 米-1）
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2.1 导电材料
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2.1 导电材料
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2.1 导电材料
导电氟胶座
导电氟橡胶
导电尼龙
导电胶带
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2.1 导电材料-金属导电材料
金属导电材料应具备的条件：电导率大、易连接、较大 的抗拉强度、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、 价格低等。
金属的电阻与电阻率
金属名 电阻率Ω.cm 银 1.62 铜 1.72 金 2.40 铝 2.82 镁 4.34
许文娟 iamwjxu@njupt.edu.cn
Center for Phosphorescent Optoelectronics (CPO) @ IAM @ NJUPT
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课程介绍
课程名称：光电功能材料及应用
总 学 时：32学时
学
分：2
英文名称：Optoelectronic Functional Materials and Applications 教学方式：课堂讲授 考试方式：闭卷考试，总评成绩由平时成绩 （30%）和期末成绩（70%）组成。平时成绩 从作业、上课出勤率等进行考核。
+
e-
+ +
进气
e3) 将金属原子 从 靶中撞击 4) 金属原子向衬底迁移.
尾气
6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走 DC 直流二极管 溅射装置
电场
5) 金属淀积在衬底上
衬底 阳极 (+)
溅射法：在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的 原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带 有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬 底上薄膜的沉积。
反射炉精炼铜
含氧0.02-0.05 %
磷脱氧铜 电导率降 低10-30%
无氧铜
含氧小于0.005%， 延展性和焊接性好
高频炉真空熔炼或者 在还原气体中熔炼
高真空密封
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2.1 导电材料-金属导电材料
2、铝及铝合金：
银白色轻金属，资源丰富，价格便宜，质 量小。主要用途：送电线，配电线。
3、金及金合金
延展性在金属中是最高的，良好的导电 性，极强的抗蚀能力。主要用途：作为 金膜或金的合金膜用于集成电路中布线，芯片粘结， 半导体封装等。
4、银及银合金
延展性仅次于金，具 有最高的电导率。 主要用途：触点材料。
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2.1 导电材料-电极材料
电极：电容器的重要组成部分，它在电容器 中起着形成电场，聚集电荷的作用。
战车 人造 卫星 汽车
高速列车
表1-1 材料与人类文明的进步标志 10000 5000年 时间 年前 前 时代 石器 青铜器 材料 石镞 代表 商代司 母戊鼎 3000年 20世纪中 现在与 前 叶 将来 铁器 电子材料 光电子 与光子 沧州铁 晶体管与 光纤 狮子 硅芯片
电子学
光电子 学
光子学
2.1 导电材料-薄膜导电材料
蒸发法：在真空下，把蒸镀材料放 置于坩埚内加热熔化(或升华)，产 蒸发金属 生的蒸汽原子(或分子)向周围运动， 工艺腔 当碰到温度较低的基体时，凝结在 (钟罩) 基体表面上形成镀膜的方法。
载片盘
坩锅
高真空阀
机械泵 高真空泵
2.1 导电材料-薄膜导电材料
阴极 (-) 1) 电场产生 Ar+ 离子 氩原子 等离子体 + + 2) 高能Ar+ 离子和 金属靶撞击 e金属靶
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2.1 导电材料
价带： 原子中最外层的电子称为价电子，与价 电子能级相对应的能带称为价带。 导带： 价带以上能量最低的允许带称为导带。 禁带： 允许带之间的范围是不允许电子占据的， 此范围称为禁带。
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2.1 导电材料
导体的能带结构：
价带部分填入
价带被填满，但 与空带部分重叠 或相连。
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2.1 导电材料