复旦大学精品课程《材料分析》课件 ,电子材料与电子元器件腐蚀课件复习精品材料
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复旦大学《材料科学导论》课后习题及答案
复旦大学《材料科学导论》课后习题及答案第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造榔头？答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类：黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯；复合材料：混泥土、玻璃钢3.下列用品选材时，哪些性能特别重要？答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度；电灯泡灯丝：熔点高，耐高温，电阻大；剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性；汽车挡风玻璃：透光性，硬度；电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。
第二章材料结构的基础知识1.下列电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属？(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6(3) 1s2 2s2 2p5(4) 1s2 2s2 2p6 3s2(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1答：惰性元素：(2)；卤族元素：(3)；碱族：(6)；碱土族：(4)；过渡金属：(1),(5)2.稀土族元素电子排列的特点是什么？为什么它们处于周期表的同一空格内？答：稀土族元素的电子在填满6s态后，先依次填入远离外壳层的4f、5d层，在此过程中，由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化，这些元素具有几乎相同的化学性质，故处于周期表的同一空格内。
3.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键？答：氢键本质上与范德华键一样，是靠分子间的偶极吸引力结合在一起。
它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子（或原子团）之间的结合所形成的物理键。
当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢变成一个裸露的质子，对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，与Y之间形成氢键。
【大学课件】电子材料PPT
材料的分类
金属材料 电子材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料
ppt课件
4
电子材料涵盖范围（一）
从材料性质来区分 有机材料 无机材料
从功能特性来区分
半导体材料
光电子材料
电子陶瓷材料
磁性材料
储能材料
敏感材料
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5
电子材料涵盖范围（二）
从应用产业或领域分类 半导体用材料 显示器用材料 印刷电路板用材料 电池材料 记录媒体用材料 被动组件用材料 光纤光缆用材料
链接导线
电极
奈米碳管 晶体管 二氧化硅层 硅化物层
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硅晶圆
30
量子传讯，绝对机密
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31
量子传讯，绝对机密
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ppt课件
27
电浆显示器
发光原理与日光灯相同，就是在两片玻璃 形成的真空细缝中注入氖与氙的综合惰性 气体，施以电压后可使气体游离产生电浆 效应并产生真空紫外光，利用紫外光去激 发涂布于阻隔壁上的 红、绿、蓝荧光粉， 再转换成红、绿、蓝 米碳管勇闯晶圆厂
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29
奈米碳管勇闯晶圆厂
底片上的抗静电物质 飞机、航天组件导线 衣物防静电镀层 电磁波防护网 半导体组件
ppt课件
24
大尺寸平面显示器
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TFT_LCD
两片玻璃基板中间夹着一层液晶，上层的玻 璃基板是与彩色滤光片(Color Filter)、而 下层的玻璃则有晶体管镶嵌于上。当电流通 过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转 ，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决 定画素(Pixel)的明暗状态。
2材料腐蚀原理ppt课件
2021/6/27
2.3电极电位与电化学腐蚀倾向判别
一、电极和电极电位
1、电极： 电化学腐蚀中电极的含义普通是指电子导体〔金属〕 和离子导体(电解质溶液或熔融盐等)组成的体系，常 以金属／溶液表示。锌电极Zn／ZnSO4和铜电极 Cu/CuSO4。此外，习惯上有时也将电极资料，即电 子导体(如金属、石墨等)称为电极，此时“电极〞不 代表电极体系，而只是电极体系中电极资料本身。
宏观电池
• 2.不同的金属与同一电解质溶液构成的腐蚀电池：舰船的 推进器是用青铜制造的，由于青铜的电位较高，钢制船壳 体成为阳极而遭到腐蚀：
2021/6/27
宏观电池
• 3.同一种金属进入同一种电解质溶液中，当部分 的浓度或温度不同时，构成的腐蚀电池通常称作 浓差电池，可用Nernst方程计算：
2021/6/27
参比电极
参比电极
参比电极是一个半电池 E = E试样-E参比
或E试样= E +E参比
规范氢电极
铜/硫酸铜 电极
甘汞电极
银/氯化银 电极
2021/6/27
参比电极本身必需是稳定的和可逆的
•
O2+2H2O+4e==4OH-
• 这种电极称为氧电极，类似地还有氢电极，这类电极常统 称为气体电极。
• 气体电极的特点是，作为电极的导体本身不参与反响，仅 起电子的导通和反响Leabharlann 载体作用。2021/6/27
经过上述三种方式建立起的金属(或导体)与溶液之间的双电 层，使金属与溶液之间产生电位差，这种电位差称之为该 金属／溶液体系的绝对电极电位(Electrode Potential)。绝 对电极电位日前尚无法直接测得。为此．国际上一致规定 了用规范氢电极为参照(参比电极)、并规定其电位值为零， 丈量其他电极的电位，由此测得的电极电位称为氢标电位 (以SHE表示standard hydrogen electrode ).规定在任何温度 下，规范氢电极的电极电位都为零。
2.3电极电位与电化学腐蚀倾向判别
一、电极和电极电位
1、电极： 电化学腐蚀中电极的含义普通是指电子导体〔金属〕 和离子导体(电解质溶液或熔融盐等)组成的体系，常 以金属／溶液表示。锌电极Zn／ZnSO4和铜电极 Cu/CuSO4。此外，习惯上有时也将电极资料，即电 子导体(如金属、石墨等)称为电极，此时“电极〞不 代表电极体系，而只是电极体系中电极资料本身。
宏观电池
• 2.不同的金属与同一电解质溶液构成的腐蚀电池：舰船的 推进器是用青铜制造的，由于青铜的电位较高，钢制船壳 体成为阳极而遭到腐蚀：
2021/6/27
宏观电池
• 3.同一种金属进入同一种电解质溶液中，当部分 的浓度或温度不同时，构成的腐蚀电池通常称作 浓差电池，可用Nernst方程计算：
2021/6/27
参比电极
参比电极
参比电极是一个半电池 E = E试样-E参比
或E试样= E +E参比
规范氢电极
铜/硫酸铜 电极
甘汞电极
银/氯化银 电极
2021/6/27
参比电极本身必需是稳定的和可逆的
•
O2+2H2O+4e==4OH-
• 这种电极称为氧电极，类似地还有氢电极，这类电极常统 称为气体电极。
• 气体电极的特点是，作为电极的导体本身不参与反响，仅 起电子的导通和反响Leabharlann 载体作用。2021/6/27
经过上述三种方式建立起的金属(或导体)与溶液之间的双电 层，使金属与溶液之间产生电位差，这种电位差称之为该 金属／溶液体系的绝对电极电位(Electrode Potential)。绝 对电极电位日前尚无法直接测得。为此．国际上一致规定 了用规范氢电极为参照(参比电极)、并规定其电位值为零， 丈量其他电极的电位，由此测得的电极电位称为氢标电位 (以SHE表示standard hydrogen electrode ).规定在任何温度 下，规范氢电极的电极电位都为零。
复旦大学半导体器件物理教学讲义 (2)
复旦大学半导体器件物理教学讲义1. 引言本讲义旨在介绍复旦大学半导体器件物理课程的基本内容和教学目标。
半导体器件物理是电子信息类专业中重要的一门基础课程，通过学习本课程，学生将会了解半导体器件的基本工作原理、结构和特性。
同时，本课程也将为学生打下坚实的物理基础，为日后进一步研究和应用半导体器件打下基础。
2. 课程概述本课程主要包括以下内容：•半导体物理基础知识：介绍半导体物理学领域的基本概念和理论基础，包括晶体结构、载流子的能带理论和半导体的电子运动等内容。
•半导体材料和器件的制备技术：介绍半导体材料和器件的制备方法和工艺技术，涵盖了光刻、薄膜沉积、离子注入等常用技术。
•半导体器件的基本结构和工作原理：详细介绍半导体器件的基本结构，包括二极管、晶体管、场效应管等，以及它们的工作原理和特性。
•器件参数的测量和测试方法：介绍半导体器件参数的测量方法和测试仪器，学习如何准确测量器件的电流、电压等参数。
•半导体器件的应用：对一些常见的半导体器件应用进行介绍，如功放器件、放大器器件、接收机等。
3. 教学目标经过本课程的学习，学生应该能够达到以下目标：1.理解半导体物理学的基本概念和理论，包括晶体结构和半导体能带理论。
2.掌握半导体器件的基本工作原理和特性，包括二极管、晶体管、场效应管等。
3.了解常用的半导体器件制备技术和工艺流程。
4.能够使用测试仪器测量和测试半导体器件的相关参数。
5.熟悉一些半导体器件的常见应用。
4. 教学内容安排本课程的教学内容安排如下：教学模块内容学时安排（小时）模块一半导体物理基础知识6模块二半导体材料和器件制备6模块三半导体器件的结构和工作原理10模块四器件参数的测量和测试4模块五半导体器件的应用45. 评价方式本课程的评价方式包括平时成绩和期末考试成绩两部分。
平时成绩包括：实验报告、作业、课堂练习、出勤情况等，占总成绩的30%。
期末考试成绩占总成绩的70%。
6. 参考教材•S.M. Sze，《半导体器件物理学》，电子工业出版社，2018年。
复旦大学《材料分析》2023-2024学年第一学期期末试卷
B. 拉伸试验 C. 压缩试验 D. 疲劳试验
4. 下列哪种材料分析方法可以用于检测材料的热性能？ A. 差热分析 B. 热重分析 C. 热导率分析 D. 热膨胀分析
5. 以下哪种分析方法可以用于检测材料的表面性质？ A. 扫描电子显微镜 B. 传射电子显微镜 C. 原子力显微镜 D. X 射线衍射
考试说明： 1. 答题前请务必将姓名、学号及班级填写在答题纸上。 2. 所有答案必须写在答题纸上，不能在试卷上作答。 3. 本试卷共 100 分，考试时间为 120 分钟。
复旦大学《材料分析》2023-2024 学年第一学期期末试卷 考试课程：材料分析 考试时间：120 分钟 专业：材料科学与工程 总分：100 分
一、单项选择题（每题 2 分，共 20 分） 1. 以下哪种分析方法可以用于检测材料的微观结构？ A. X 射线衍射 B. 扫描电子显微镜 C. 传射电子显微镜 D. 原子力显微镜 2. 下列哪种材料分析方法可以用于检测材料的化学成分？ A. X 射线荧光分析 B. 能谱分析 C. 红外光谱分析 D. 质谱分析 3. 以下哪种分析方法可以用于检测材料的机械性能？ A. 扭转试验
_____________________。
29. 超声波分析可以用于检测材料的_____________________。 30. 材料分析的应用领域有_____________________。
四、简答题（每题 10 分，共 40 分） 31. 请简述材料分析的目的和方法。 32. 试述 X 射线衍射在材料分析中的应用。 33. 请简述扫描电子显微镜在材料分析中的应用。 34. 试述能谱分析在材料分析中的应用。
6. 下列哪种材料分析方法可以用于检测材料的电性能？ A. 电导率分析 B. 电阻率分析 C. 电容率分析 D. 磁感应分析
《金属腐蚀的机理》课件
在腐蚀介质中添加缓蚀剂，以减缓或抑制 金属的腐蚀速率。
06 案例分析
石油工业金属腐蚀案例
总结词
石油工业中金属腐蚀的严重性
详细描述
石油工业中，金属管道、储罐和设备长期处于高温、高压、腐蚀性介质的环境中，容易发生严重的腐蚀。例如， 输油管道因腐蚀穿孔而泄漏，炼油设备因腐蚀减薄而破裂等。这些腐蚀事故不仅造成巨大的经济损失，还可能引 发环境污染和安全事故。
汽车行业金属腐蚀案例
要点一
总结词
汽车行业金属腐蚀对性能的影响
要点二
详细描述
汽车行业中的金属材料，如钢铁、铝合金等，广泛应用于 汽车零部件和车身制造。由于汽车在使用过程中会受到各 种环境因素的影响，如雨、雪、盐、尘等，金属材料容易 发生腐蚀。这些腐蚀会导致汽车零部件性能下降、车身锈 蚀等问题，严重影响汽车的安全性和使用寿命。同时，金 属腐蚀还会增加汽车的维护和修理成本，降低其经济性。
浪费。
安全隐患
设备设施因腐蚀而损坏 ，可能引发安全事故。
环境破坏
金属腐蚀过程中可能产 生有毒有害物质，对环
境造成污染。
经济损失
设备维修、更换和防护 措施等导致经济损失。
02 金属腐蚀的机理
电化学腐蚀机理
• 总结词：电化学腐蚀是金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的
破坏。
• 详细描述：电化学腐蚀是由于金属表面形成原电池而产生的。当金属暴露在潮湿环境中时，金属表面的氧化层或污染层 会与水分子和离子发生反应，形成电解质溶液。在金属表面形成原电池后，电流在阳极和阴极之间流动，导致金属的离 子化，最终导致金属破坏。
《金属腐蚀的机理》 ppt课件
目录
CONTENTS
• 金属腐蚀的基本概念 • 金属腐蚀的机理 • 金属腐蚀的影响因素 • 金属防腐的方法与技术 • 金属腐蚀的监测与控制 • 案例分析
复旦大学半导体材料课程复习课件
GaAs属于二元化合物，组成比Si复杂，精确的化学配比不易控制，自 然资源远不如Si丰富；As元素有挥发性及毒性，加工过程中更要注意环 境保护。GaAs力学强度较差，热导率较低，不易生长出无位错单晶。 GaAs难以进行稳态本征氧化，不易制作MOS器件。直到1996年，才用 电子束蒸发Ga5Gd3O12单晶形成Ga2O3+Gd2O3混合物作栅介质，制出了 第一个倒置、沟道增强模式GaAs MOSEFET，可望用于微波功率放大 器。
2. 电子迁移率高，约为Si的5~6倍，适合于制作超高频、超高速器件和电路。 3. 易于制成非掺杂半绝缘单晶，其电阻率可达109Ω⋅cm，是理想的微波传输
介质，在IC加工中不必制作绝缘隔离层，这不仅简化了IC工艺过程，还可 提高集成度。对于本身就具有高速、高频性能的GaAs来说，GaAs IC寄 生电容也由于不必另外制作绝缘隔离层而减小，有利于提高工作速度。 4. 由于带隙较大，所制器件可在较高温度（400~450ºC）下工作 5. GaAs热阻性能优于硅，这对于大规模IC十分有利，如对数字IC，其驱动 电压低、功耗及所产生的热量较小。 6. 利用GaAs的转移电子效应已制备出了根氏器件等新型 半导体材料器件。
晶体结构 晶格常数 (nm)
六角(H) a=0.2504 c=0.6661
闪锌矿(Z) 0.3166 纤锌矿(W) a=0.3110
c=0.4980 闪锌矿(Z) 0.438 纤锌矿(W) a=0.3189
c=0.5182 闪锌矿(Z) 0.452 纤锌矿(W) a=0.3540
c=0.5704 闪锌矿(Z) 0.498
半导体材料的结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构 NaCl结构
砷化镓等大多数III-V族化合物半导体 具有闪锌矿结构。闪锌矿结构晶格 中除每个原子最近邻是不同原子 外，与金刚石结构是相同的。每个 原子和周围四个原子发生键合。
2. 电子迁移率高，约为Si的5~6倍，适合于制作超高频、超高速器件和电路。 3. 易于制成非掺杂半绝缘单晶，其电阻率可达109Ω⋅cm，是理想的微波传输
介质，在IC加工中不必制作绝缘隔离层，这不仅简化了IC工艺过程，还可 提高集成度。对于本身就具有高速、高频性能的GaAs来说，GaAs IC寄 生电容也由于不必另外制作绝缘隔离层而减小，有利于提高工作速度。 4. 由于带隙较大，所制器件可在较高温度（400~450ºC）下工作 5. GaAs热阻性能优于硅，这对于大规模IC十分有利，如对数字IC，其驱动 电压低、功耗及所产生的热量较小。 6. 利用GaAs的转移电子效应已制备出了根氏器件等新型 半导体材料器件。
晶体结构 晶格常数 (nm)
六角(H) a=0.2504 c=0.6661
闪锌矿(Z) 0.3166 纤锌矿(W) a=0.3110
c=0.4980 闪锌矿(Z) 0.438 纤锌矿(W) a=0.3189
c=0.5182 闪锌矿(Z) 0.452 纤锌矿(W) a=0.3540
c=0.5704 闪锌矿(Z) 0.498
半导体材料的结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构 NaCl结构
砷化镓等大多数III-V族化合物半导体 具有闪锌矿结构。闪锌矿结构晶格 中除每个原子最近邻是不同原子 外，与金刚石结构是相同的。每个 原子和周围四个原子发生键合。
复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料失效分析概论课件复习精品材料
1.2 失效分析的基本概念
1.2.3 失效分析的相互关系 ● 失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机 理与失效起因之间的相互关系。 ◆ 失效模式 失效模式是指构件失效后的外观表现形式，即可观 察到的、可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、 疲劳开裂 、接触磨损等。 根据构件失效的外观特征，失效模式应有五种： (1) 断裂 (fracture) (2) 腐蚀 (corrosion) (3) 磨损 (wear) (4) 畸变 (distortion) (5) 衰减 (attenuation): 微结构随时间、环境等因素渐变劣化
1.3 失效分析的基本特点
1.3. 4 失效分析的系统性
从结构完整性的考虑，一个构件失效的原因分析， 从技术层面上应该涉及八个方面： (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 设计 材料 制造 安装 检验 操作 维护 环境 (design) (material) (fabrication) (installation) (inspection） (operation) (maintenance) (environment)
它的处女航是在1912年4月10日从英国南安普顿出 发前往纽约的，航速为22节，但4月14日晚11:40分在 北大西洋与一块漂浮的大冰山相撞，由于船体左侧六个 前仓壳体破裂进水，2小时47分后就沉没了。 船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海 底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事故。
(8)解决对策：治理方案必须简单且有效。
1.4 失效分析学科的发展历程
1.4.1 失效分析的意义 如果说，社会发展史是不断与失败作斗争的历史， 材料发展史则是不断与失效作斗争的历史。
失效分析的意义主要有：
第六章局部腐蚀ppt课件
(4) 溶液的电阻
通常阳极金属腐蚀电流的分布是不均匀的，距离接合部愈 远，腐蚀电流越小，原因是电流流动要克服电阻，所以溶液电 阻大小影响“有效距离〞效应。电阻越大则“有效距离〞效应
越小(5。) 介质的电导率
介质电导率的高低直接影响阳极区腐蚀电流分布的不均匀性。 因为电流总是趋向于沿电阻最小的路径流动。实际观察电偶腐蚀 破坏的结果表明，阳极体的破坏最严重处是在不同金属接触处附 近。距离接触处越远，腐蚀电流越小，腐蚀就越轻。
• （d〕pH值
在较宽的pH值范围内，孔蚀电位Eb与溶液pH值 关系不大。当pH﹥10，随pH值升高，孔蚀电位
增大，即在碱性溶液中，金属孔蚀倾向较小。 （e〕温度 温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某 个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界 孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能 愈好。
第六章 金属的腐蚀形态
▪ §6.1全面腐蚀与局部腐蚀
§6-2 电偶腐蚀〔Galvanic corrosion）
▪ 1.电偶腐蚀现象及概念 ▪ （1〕景象
示 意 图
▪ （2〕概念
▪ 异种金属在同一介质中接触，由于腐蚀电位 不相等有电偶电流流动，使电位较低的金属 溶解速度增加，造成接触处的电位较低的金 属溶解速度增大而发生的局部腐蚀的现象。
▪ 几乎所有金属和合金。
▪ 几乎所有溶液介质都可以引起缝隙腐蚀。
▪ 与孔蚀比，同种材料的缝隙腐蚀更容易发生。
2.缝隙腐蚀的机理
缝隙腐蚀可分为初期阶段和后期阶段。
初期阶段，缝内外的全部表面上发生金属的溶解和阴极的氧还原为氢氧离子的反应。
阳极反应： M→Mn＋＋ ne 阴极反应 ：O2＋2H2O＋4e→4OH －
（3〕金属材料 几乎所有的金属材料都会发生缝隙腐蚀 ， 钝态的金属对缝隙钝态的金属材料在含氯 化物的溶液中容易发生，造成典型的局部腐蚀。 ②孔蚀和缝隙腐蚀成长阶段的机理都可以用闭 塞电池自催化效应说明。
通常阳极金属腐蚀电流的分布是不均匀的，距离接合部愈 远，腐蚀电流越小，原因是电流流动要克服电阻，所以溶液电 阻大小影响“有效距离〞效应。电阻越大则“有效距离〞效应
越小(5。) 介质的电导率
介质电导率的高低直接影响阳极区腐蚀电流分布的不均匀性。 因为电流总是趋向于沿电阻最小的路径流动。实际观察电偶腐蚀 破坏的结果表明，阳极体的破坏最严重处是在不同金属接触处附 近。距离接触处越远，腐蚀电流越小，腐蚀就越轻。
• （d〕pH值
在较宽的pH值范围内，孔蚀电位Eb与溶液pH值 关系不大。当pH﹥10，随pH值升高，孔蚀电位
增大，即在碱性溶液中，金属孔蚀倾向较小。 （e〕温度 温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某 个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界 孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能 愈好。
第六章 金属的腐蚀形态
▪ §6.1全面腐蚀与局部腐蚀
§6-2 电偶腐蚀〔Galvanic corrosion）
▪ 1.电偶腐蚀现象及概念 ▪ （1〕景象
示 意 图
▪ （2〕概念
▪ 异种金属在同一介质中接触，由于腐蚀电位 不相等有电偶电流流动，使电位较低的金属 溶解速度增加，造成接触处的电位较低的金 属溶解速度增大而发生的局部腐蚀的现象。
▪ 几乎所有金属和合金。
▪ 几乎所有溶液介质都可以引起缝隙腐蚀。
▪ 与孔蚀比，同种材料的缝隙腐蚀更容易发生。
2.缝隙腐蚀的机理
缝隙腐蚀可分为初期阶段和后期阶段。
初期阶段，缝内外的全部表面上发生金属的溶解和阴极的氧还原为氢氧离子的反应。
阳极反应： M→Mn＋＋ ne 阴极反应 ：O2＋2H2O＋4e→4OH －
（3〕金属材料 几乎所有的金属材料都会发生缝隙腐蚀 ， 钝态的金属对缝隙钝态的金属材料在含氯 化物的溶液中容易发生，造成典型的局部腐蚀。 ②孔蚀和缝隙腐蚀成长阶段的机理都可以用闭 塞电池自催化效应说明。
复旦大学精品课程《材料分析》课件,电子器件用纳米材料的生物性、毒理学及安全性课件复习精品材料
将来随着对纳米材料毒理研究的深入和材料各种标准的建立，
纳米产品的安全性也会越来越高。
纳米器件性能可靠性分析案例
ZnS纳米带：约300nm 宽度
器件构筑过程: (1) 方法: 紫外光刻 蚀和电子束沉积 (2) 超净室完成：没 有污染和破坏
1
320nm
Current (pA)0600nm Nhomakorabea-1
-10
不同的观点：血液蛋白吸附降低碳纳米管的细胞毒性
美国科学院院刊 (PNAS) 在 2011 年底发表了我国纳米科学中心赵 宇亮等人在纳米安全性方面的最新研究成果：“血液蛋白吸附降 低碳纳米管的细胞毒性”。该成果同时被PNAS选为该刊的研究亮 点作重点介绍。 他们在研究碳纳米管与血液相互作用过程与其毒理学效应机制时 发现，当碳纳米管进入含有人血液蛋白的溶液中，人血液中的主 要蛋白（如纤维蛋白原,免疫球蛋白、白蛋白、转铁蛋白）会在碳 纳米管的表面进行竞争性吸附，形成不同外形的所谓“王冠”形 状的蛋白-碳管复合物。
世界科技前沿的热点之一。
5
肿瘤诊断新型纳米材料的研制
中科院生物物理所研究利用无机纳米材料仿生合成了新型纳米肿 瘤诊断试剂——铁蛋白纳米颗粒。这是一种由氧化铁纳米内核及
铁蛋白外壳两部分组成的双功能纳米小体，蛋白壳能够特异识别
肿瘤细胞，氧化铁纳米内核能够催化底物使肿瘤显色，区分正常 细胞和肿瘤细胞。
研制出肿瘤诊断新型纳米材料
纳米材料可能对人体有害？
石棉纤维、商用碳纳米管和金纳米线都有一个圆形的尖头，直 径在 10 纳米到 100 纳米之间，正处于细胞处理范围。细胞上有一
种受体蛋白质会聚集并弯曲细胞膜壁，使细胞卷曲包住纳米管尖
端，反向调整纳米管角度，使纳米管尖端能以 90 度进入，从而 降低细胞吞噬微粒所需的能量。这一行为叫做“尖端识别”。 当细胞的内吞作用开始，就没办法再退回去。细胞觉得无法整 个吞下纳米管，就会求救。但求救信号反而会引发免疫反应，造 成更多炎症反应。
复旦大学精品课程《材料分析》课件 ,微电子芯片的失效分析课件复习精品材料
2. 芯片的失效机理
2.1 氧化层击穿 2.2 热载流子效应
2.3 薄膜的相互扩散
2.4 静电放电及辐射 2.5 金属互联电迁移
2.1 氧化层击穿
• 在强电场作用下，绝缘体中出现局部的 低阻通道。 • 随着氧化层厚度减小，电场增加，击穿 问题成为研究热点。
介质薄膜的击穿过程
• 一般击穿分成两个过程：
– 电击穿：强场下载流子雪崩，产生大量电子、 空穴，电阻突降。 – 热击穿：局部电流密度增大，温度升高产生 热奔驰，使薄膜熔化或产生其他损坏。
介质薄膜电击穿的分类
• 非本征击穿——其击穿强度较低。 • 本征击穿是指材料自身特性所限制而发生的击 穿——击穿强度较高。
关于氧化层击穿理论的发展
1. 电子贡献的总能量而非单个电子的能量。 2. 热奔驰现象。 3. 电子和原子晶格之间的碰撞而产生的电 子倍增或雪崩现象。 4. 阴极场发射电荷注入。 5. 可动电荷。 6. 介质表面粗糙度引起的电场增大。 7. 由碰撞电离引发的内部电场畸变。 8. 界面态
双极型晶体管原理
电子材料与器件工艺－绪论
7
双极型晶体管工艺
双极型晶体管工作原理
E Ie RE Vbe Ib n+ p B Vcb n C Ic RL 放大条件： 1o Wb << Lnb 2o 发射ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ正偏 3o 集电结反偏
MOS场效应晶体管原理（NMOS）
CMOS 工艺流程
器件的不断小型化
沟道热电子(Channel Hot Electron ) 衬底热电子(SHE) 漏极雪崩倍增热载流子(DAHC) 二次产生热电子 ( SGHE) 这些热载流子进入SiO2后 形成栅电流和衬底电流。
复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料断裂的失效形式与机理课件复习精品材料
（a）地面升空时刻
（b）升空中爆炸
图2-2“挑战者”号升空时爆炸（1986年1月28日）
● 原因: “挑战者”号的助推器橡胶密封圈O型环因 气温低而失去弹性，导致燃料泄漏而爆炸。
2.1 材料的失效形式
（a）地面升空时刻 （b）机翼上的裂纹 （c）返回时解体爆炸
图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸（2003年2月1日）
stress)时, 材料是安全可靠的，否则是不安全的。
● 强度设计准则: σ＜ [σ]
自的rigidity)的方式主要有：提高弹性模
量E及剪切模量G，增加横截面面积A，改变截面形状和 结构形式。注意：刚度反映构件的宏观变形行为，弹性 模量反映材料的微观变形性质。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
3. 强度准则（strength criterion） 当材料承受的外加应力小于许用应力[σ](allowable
图2-4 外力的作用形式
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.1 力学性能 力学性能是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的
能力，力学性能指标主要有：
图2-5 材料的力学性能指标
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.2 材料的拉伸变形 在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示
材料的应变ε (strain)应力和σ (stress) 。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.3 材料的剪切变形 当 材 料 受 到 剪 力 (S) 作 用 时 ， 其 剪 应 力 τ (shear
stress)与剪应变γ(shear strain) 有如下关系： τ = S/A （MPa） τ = G γ （MPa） γ = tanθ＝a/h (2-2) G＝E/2(1+ν) （MPa）
复旦大学材料物理第11课
第11课半导体的电导半导体材料是一种特殊的固体材料。
事实上，关于固体能带理论的发展，就曾对半导体的研究起过重大的指导作用；而今天，半导体技术的长足进步，又在提供完整性极好的固体材料等方面给固体物理研究的深度与广度以相当的推进。
因此，无论就理论或实践而言，半导体都是一个极为重要的领域。
晶态半导体的电导1. 本征半导体和杂质半导体通常可以按照半导体中载流子的激发机理而将其分为a) 本征半导体； b) 杂质半导体。
半导体的能带类似于绝缘体，即价带是满带。
但半导体的禁带宽度较小，一般均在2eV 以下。
因而在室温已有—定的电导率。
室温条件下金属电阻率：710m -Ω；半导体：4710~10m -Ω ；绝缘体：1210m Ω 一些重要半导体材料的禁带宽度列于表9．2．1中。
半导体电导率的一个显著特点在于其对纯度的依赖极为敏感。
例如，百万分之一的硼（B ）含量就能使纯硅的电导率成万倍地增加。
a) 本征半导体理想情况：1、无杂质；2、晶体无缺陷。
在这种情形，半导体中的载流于，只能是从满带激发到导带的电子以及在满带中留下的空穴。
这种激发可借助于能给满带电子提供大于禁带宽度E g 能量的任何物理作用。
然而，最常见的则是热激发，即在一定的温度下，由于热运动的起伏，一部分价带电子可以获得超过E g 的附加能量而跃迁至导带。
我们称这种过程为本征激发。
如果我们用n 和p 分别代表导带电子和满带空穴的浓度，显然对本征激发应满足n ＝p ，如图9．2．I 所示。
我们将满足这一关系的半导体称为本征半导体，意思是导电本领并未受到任何外来杂质或品格缺陷的影响。
不难感到，对于热激发而言，最易发生的本征激发过程乃是使价带顶附近的电子跃迁至导带底附近。
因为这样所需的能量最低。
因此，我们以后将总是认为导带中的电子处在导带底附近，而价带中的空穴则处在价带顶附近。
b) 杂质半导体如果对纯净半导体掺加适当的杂质，也能提供载流子。
我们把提供导带电子的杂质称为施主（donor ）；而将提供价带空穴的杂质称为受主（acceptor ）。
第三章材料的腐蚀失效形式与机理
钛材
纯钛
－1.63V
碳钢
－0.46V
阳极
阴极
非标准非平衡态海水 (Vs.SCE） T＝300C －0.0V －0.65V
阴极
阳极
碳钢
钛材与碳钢的电极电位序 图3-3 不同金属间的电极电位序（海水）
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
● 析氢反应
2H+＋2e → 2H
不同金属的组合在工程中常常不可避免，发生电 偶腐蚀比较普遍。例如，钢制泵轴、阀杆与石墨垫料 接触处，钢受到电偶腐蚀；换热器管子与铸铁、钢制 管板的接触处，管板被加速腐蚀。 不同金属在海水中的电极电位排序如图3-3所示。 利用金属间的电极电位差及其电偶腐蚀原理，可 以通过对贱金属与有用金属部件进行配对，以牺牲贱 金属阳极来达到保护阴极材料。例如，表面喷铝、镀 锌的金属部件就是成功应用的实例。
全面腐蚀和局部腐蚀 应力作用下的腐蚀
3.5
苛性腐蚀（碱脆）
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.1 腐蚀的危害性
● 腐蚀基本状况 所有材料都会与周围的环境发生相互作用，故腐 蚀问题遍及各行各业，从日常生活、工业生产、国防 工业，比比皆是。 凡是有金属使用的地方，就有各种类型的腐蚀问 题。尤其在工业生产中，腐蚀将变得更为严重。腐蚀 使得完好的金属构件失效，从而导致设备报废，甚至 造成重大的伤亡事故，危害极大。
第三章 材料的腐蚀失效形式与机理
3.2 腐蚀机理和形式 1. 腐蚀机理 （corrosion mechanism） 腐蚀是指材料与其环境产生化学反应或电化学反 应所造成的破坏（DIN 50900）。 按腐蚀反应机理，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
(1) 化学腐蚀 （chemical corrosion） 化学反应是指一个反应前后无电子转移，原子价 数不发生增减，即反应过程中没有电流的产生, 例如，硝酸银和氯化钠的反应： AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3 Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- → Ag+Cl- ↓ + Na+ + NO3上述反应中，真正参与反应的是Ag+、Cl-，但原子价 没有变化：无氧化反应或还原反应，因而是化学反应。
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电极引线简化模型
应用举例2-封装器件腐蚀
功率器件封装结构示意图 分层器件的扫描超声显微镜照片
富锡相
富铅相
Element Sn Pb
Wt% 28.61 71.39
At% 41.16 58.84
腐蚀过程分析
• 初始裂纹的产生
– 湿热老化试验过程中，水汽从粘接面边缘侵入，在热应力及 水汽压力共同作用下，EMC-铜基板粘接面发生断裂形成裂纹， 水汽进一步侵入封装体内部形成连续的水膜。
Current /A cm
0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000 0 50 下，性能 变化的特定规律
time /s
2
为什么 Why did it Failed?
判定退化机制及其 对器件性能的影响
器件失效分析的研究内容
– 起腐蚀作用的盐主要是氯化物盐，硝酸盐，磷酸盐
等，其腐蚀模型为原电池模型
• 低电位的金属为阳极，其反应为： A→An+ +ne• 高电位的阴极处发生析氢反应或氧去极化反应： 铝、铁、锌等析氢反应 O2+4H++4e→H2O 2H++2e→2H→H2↑ O2+2H2O+4e→4OH铁、镍、银、铜等氧去极化反应 • 锡可能发生点蚀或引起接触金属的氧去极化反应
• 规定条件：环境条件（温度、湿度、气压、盐
雾、辐射、振动、冲击、碰撞、跌落等）、负
荷条件（电、热、力等应力）和工作方式（连
续或间断） • 规定时间：可靠性是时间的函数
电子元器件的失效规律
• 早期失效：失效率高，实效率随时间增加而下降，由特定的普 遍性原因造成 • 偶然失效：失效率低，良好使用阶段，失效是由不太严重的偶 然因素引起 • 损耗失效：失效率明显上升，大部分器件相继失效，失效是由 带全局性的原因引起（老化、磨损、耗损、疲劳等）造成
引线XPS谱(a:未腐蚀，b:腐蚀）
引线XRD谱(a:未腐蚀，b:腐蚀）
OLED电极引线腐蚀产物
Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅳ
200 μm
5 μm
1 μm
腐蚀引线样品(b)局部SEM形貌
Spot CNat/% COat /% CNaat /% CMgat /% CAlat /% CSiat /% CCaat /% CInat /% CCrat /%
– 低温收缩
环境应力因素特点及其腐蚀效应
• 温度循环
– 材料热胀、冷缩的程度不同，形成强大内应力，引
起应力腐蚀
– 焊点的疲劳、蠕变
• 湿度
– 吸附在金属材料表面的水汽会加速腐蚀速率 – 吸附在材料表面的水汽会促进霉菌的生长
– 湿气加速金属离子的电迁移
环境应力因素特点及其腐蚀效应
• 盐雾
– 引起器件中金属引线、焊料的电化学腐蚀
电池腐蚀 电解腐蚀 裂隙腐蚀 应力腐蚀 氢脆 颜色变化 阻抗增加 开路 破坏
湿度 湿度+温度 湿度+冲击
封装、覆 盖或者构 造元件 聚碳酸酯、 对苯二甲 酸丁二酯
电阻 封装集成 电路的树 脂、合金
沙尘 6% 盐雾 4%
温度 40%
湿度+金属 湿度+电场 湿度 氨、氨化物 酸浴
震动 27%
高度 2%
冲击 2%
Ⅰ Ⅱ
— —
53.78 52.03
7.08 8.00
2.96 3.09
1.88 1.93
31.48 32.02
2.82 2.92
— —
— —
Ⅲ
Ⅳ
22.72
18.66
21.51
30.89
3.17
0.43
1.02
0.56
—
—
15.44
1.09
—
—
36.14
3.99
—
44.38
腐蚀引线样品(b)不同区域的EDX结果
电子器件防腐蚀措施
• 应用过程（尤其是安装、存储过程）
– 器件保护 – 不受过大的水汽、腐蚀性气体、化学试剂以 及机械应力侵害
• 制造过程
– 采取适当的工艺手段提高引线的腐蚀抗力
• 电镀质量 • 耐蚀涂层 • 耐蚀材料 • 清除污染 • 严格检验
• 第二阶段：铜在水汽氛围中的缝隙腐蚀
– Cu-H2O体系发生如下的电极反应： 阳极：2Cu → 2Cu2++4e 2Cu2++4OH- →Cu(OH)2 阴极：O2+2H2O+4e →4OH-
• 第三阶段：Cu-SnPb共晶钎料的电偶腐蚀
– 锡铅共晶钎料中的富铅相不断被溶解，Pb2+在水溶液中发生 迁移，与Cu表面的OH-结合并在此沉积。水中溶解的微量 CO2会使腐蚀过程加速，并与Pb(OH)2结合形成碱式碳酸铅
应用举例1-OLED电极引线腐蚀
• 电极引线
– 连接电压驱动与发光 器件间的电极 – 腐蚀导致断路，器件 失效
• 结构：
– ITO 150nm – Cr 300nm – 光刻条纹22 μm
OLED电极引线腐蚀
• Cr层的作用：
– 提高引线电导率 – 致密的表面氧化层
OLED电极引线腐蚀产物
5 μm
湿度 19%
迁 移
离子迁移 短路 绝缘性变差
湿度+直流 电场
金属离子
环境应力因素特点及其腐蚀效应
• 温度
– 温度每提高10℃化学反应速率就增加1倍
– 当环境温度上升10℃时，产品的寿命就减少一半
• 低温
– 在低温环境中低应力脆断现象引起设备失效如铜、
钼、锌、钛、镁 – 低温下水汽凝结，污染物的溶解
器件的设计、制造应使其尽快进入偶然失效期，推迟损耗 失效期的到来
电子元器件的失效分析
器件失效后，通过对其结构、使用和技术文件的系统研究，鉴别失 效模式、确定失效原因、机理和失效演变的过程
失效分析研究的内容
什么
What
Failed?
器件失效（氧化层 击穿，管脚蚀断等）
怎么
0.008 0.007
How did it Failed?
电子材料与电子元器件腐蚀
蒋益明
材料二楼301
ymjiang@ 65643648
主要内容
• 电子材料与器件的可靠性
• 电子材料与器件的失效分析
• 电子材料与器件的腐蚀形态 • 应用举例
电子材料与电子元器件
• IT产品：3C---计算机(Computer)
通信(Communication) 家用电器(Consumer electronics) – 基板及元器件和连接部分“堆垛”而成 – 最基本单元:材料+元器件
设计问题引 起的缺陷 体内退化 机理 氧化层 缺陷 金属化系统 退化
电迁移 铝腐蚀 过电应力 • 蚀断 • • • • •
封装退化 机理
管腿腐蚀 管腿损伤 漏气 封装开裂 外来物
• • 版图 • 二次击穿 • 针孔 • 工艺方案 • 重金属污染 • 厚度不均 • • 电路和结构 • 材料缺陷 • 介质击穿 • • 扩散
OLED电极引线腐蚀过程
• 氯离子会导致Cr的钝化破裂 • 电极反应：
– 阳极：Cr-3eCr3+ – 阴极：O2+2H2O+4e4OH-
引线样品在不同溶液中的极化曲线
• Cr层腐蚀，蚀断处压差变大， 当阳极电位较高时，Cr发生过 钝化溶解，以正六价态形式溶入 溶液 • 随着电位增大，腐蚀速率提高， Cr层加速溶解，进一步增大Cr 层的电阻，增大蚀断处两端的电 压差。正反馈
腐蚀
扩散 熔断
电子材料与器件的腐蚀
• 电子器件的腐蚀主要是大气腐蚀 • 腐蚀形式
– – – – – – – 均匀腐蚀 点腐蚀 电偶腐蚀 晶间腐蚀 应力作用下的腐蚀 缝隙腐蚀 微生物腐蚀
电子器件与环境
分 类 失效原因 失效模式 环境条件 材料
水 气 吸 附 吸 收
腐 蚀
扩散 膨胀、绝缘 性差、潮解 水解 微细爆裂 化学变化 湿气渗透、 绝缘性差
• 电子材料:发挥其物理化学特性用于IT工业的材料
– 性能：声 光 电 力 热 磁
– 分类：半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、 某些金属材料、高分子材料
• 电子元器件:电子材料经特殊工艺,在IT产品中起各种作
用的电子部件
– 集成电路器件 显示器件 传感器件 电池
电子元器件的可靠性
• 可靠性:产品在规定的条件下和规定的时间内, 完成规定功能的能力
电子器件的失效分析
半导体物理学 半导体工艺学 材料学 化学 环境工程学 冶金学 电子学
系统工程学
失效发生期与失效机理的关系
• 早期失效
– 设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分
• 随机失效
– 静电损伤、过电损伤 – 有明显的突发性
• 损耗失效
– 元器件老化 材料或器件失效 • • • • • 疲劳断裂 磨损
• 失效分析的基本内容
失效情况调查
失效模式鉴别 假设失效机理 证实失效机理
失效特征描述
新的失效因素考虑
提出纠正措施
• 失效模式（形式）
开路 短路 无功能 功能退化 重测合格 结构不好
最常见的有：烧毁、管壳漏气、管腿蚀断、芯片粘合不良、 表面腐蚀、漏电、击穿等
主要失效机理
• 器件失效的实质原因：引起器件失效的物理或化学过程