第二章陶瓷的晶体缺陷一.决定陶瓷性能的结构因素
陶瓷的构成因素
(组
成)
超微结构
(原子离子级别)
原子的种类，
原子的金属性
和非金属性，
化学结合的方
式，结晶结构
元素
微结构
(晶粒、晶界级别)
多晶体
晶粒直径
气孔量(晶界、晶
粒内)
晶界(分凝、析出
相)
缺陷(裂纹、位错)
表面状态(伤痕等)
晶格的各向异
性和取向
机械性质
电学性质
热学性质
化学性质
硬度、强度、比重、
弹性率、断裂韧性
电阻、热释电性、介
电常数、压电性、电
光效应、离子导电性
、绝缘破坏强度
熔点、比热、热导
率、热膨胀系数
耐酸、碱、电化学
腐蚀，与金属的亲
陶
瓷
的
性
质
LTCC基板优点缺陷的分类：
瞬时缺陷电子
缺陷
点缺陷线缺
陷
面缺
陷
体缺陷
声子电子
空穴晶格空位
格点间填
隙原子
置换原子
位错晶体
表面
晶界
相界
层错
空洞
缺陷簇
夹杂物
点缺陷的标记法：Kroger-Vink Notation:缺陷种类
M X V
晶格空位非金属元素符号金属元素符号缺陷有效电荷·正电荷，负电荷
×电中性缺陷位置
M X I 格点间填隙位置非金属元素符号金属元素符号 Ni
Fe
缺陷种类与有效电荷
缺陷种类有效电荷
高价离子置换+
低价离子置换-
金属离子空位-
非金属离子空位+
金属离子填隙+
非金属离子填隙-
二.晶体缺陷的研究：
1)结晶学观点出发，研究缺陷存在的形态
2)热力学立场出发，研究缺陷生成的理论
依据
LDK玻璃技术指标
准化学平衡法
?原理——将缺陷生成看作是一种化学反应
?缺陷反应方程式的规则：
(1)质量关系——原子数平衡，方程两边各种原子(或离子)的个数必须相等
(2)位置关系——格点数成正确比例，每增加a 个M格点，须增加b个X格点
(3)电荷关系——电荷平衡，方程两边的总有效电荷必须相同(晶体的电中性)
缺陷反应方程式应用示例:①具有Frankel 缺陷的化学计量化合物M +2X -2：
②具有反Frankel 缺陷的化学计量化合物M +2X -2：③具有Schottky 缺陷的化学计量化合物M +2X -2：
M
i X M V M M ''+?????+''?X
i X X V X X ??+''?X M
V V 0(无缺陷)
缺陷反应方程式应用示例
④具有反Schottky 缺陷的化学计量化合物M +2X -2：
⑤正离子缺位的非化学计量化合物M 1-y X(Ni 1-y O,Cu 2-y O,Mn 1-y O 等)如果缺陷反应充分，则有
?h ?
+'?h V V M X
M i i X X X M X M X M '
'+?+??X X X M X V g X +?)(2
12?+''?'h V V M M
X X h V g X ++''??2)(1正离子缺位一价电离正离子缺位二价电离为多子，p 型半导体
.
"230()23MgO Mg Mg
Al O s Al V O →++
)(212g X V X
X X X X +?e V V X X X '+??e V V X X '
+????)(2
122g X e V X X X
X ++???
)(2
122g O e V O O X
O +'+???e '为多子，n 型半导体
)(2
122g X e M X M i X
X X
N ++?+??
?
?++??→?O O Zr ZrO V O Ca s CaO '
'2)(
⑧负离子填隙非化学计量化合物MX 1+y 充分反应
如VO 1+y ，UO 2+y 在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈导体⑨电子与空穴复合
?+''?h X g X i 2)(2
120
h e ?+'?Cl i Mg MgCl Cl Mg Li s LiCl 22)(2'
2++??→??
?''22123)(32i O Y
O Y O O Zr s ZrO ++??→??
三．用质量作用定律表述缺陷浓度b a d
c ]B []A []D []C [K ?=
)(2
122g O e V O O X
O +'+???
：][][212
2X
O O O O P n V K ??=212
O 2O P n ]V [K ??=
应用示例：
1)掺杂对电导的影响：
通常NiO 为具有Ni 缺位的非化学计量氧化物，在NiO 中掺杂微量的Li +,Na +，K +等一价金属离子
可见，掺Li +后，空穴浓度p 要增大，NiO 的电导率上升。
X O Ni 2O h 2V )g (O 2
1++''??X O
Ni O Ni 2O h 2i L 2O Li x 1++'???→??-
X O Ni O Ni O
e Fe O Fe x 322132+'+??→??-0
h e ?+'?
X O Ni 2O h 2V O 21++''??21
2
O 2Ni 1P P
]V [K ''=得:]V [2P Ni ''=P 21]V [Ni =''2
12O 31P P 21K =612
O KP P =∴
p p pq μ=σ6
12
612O O p p KpP P Kq =μ=σ∴
?固溶体——固态条件下，一种组分内溶解了其它
组分而形成的单一、均匀的晶态固体。
如：红宝石：α-Al
2O
3
+0.5~2%Cr
2
O
3
（纯α-Al
2O
3
白宝石）
结构中Cr3+的存在能产生受激辐射，固体激光材料?固溶体中不同组分的结构基元是以原子尺度混合
的，这种混合是以不破坏主晶相结构为前提的。
一、概念题 1、电势 2、电势能 3、电介质 4、束缚电荷 5、有极分子 6、无极分子 7、点电荷 8、电场强度 9、电偶极子 10、等势面 11、库伦定律 12、电场 13、静电场 14、电力线 15、高斯定理 16、电矩 17、电感应强度 18、电位移矢量 19、电介质极化 20、极化强度 21、介电常数 22、自由电荷 23、极化电荷 24、退极化电场 25、相对介电常数 26、有效电场 27、极化率 28、极化系数 29、电子位移极化 30、离子位移极化 31、偶极子转向极化 32、热离子松弛极化 33、空间电荷极化 34、电介质的击穿 35、介电系数的温度系数 36、电介质损耗 37、电导损耗 38、松弛极化损耗 39、谐振损耗 40、正常谐振色散 41、反常谐振色散 42、电离损耗
43、结构损耗 44、复介电常数 45、色散现象 46、电介质电导 47、电介质的电导率 48、迁移率 49、载流子浓度 50、介电强度 51、碰撞电离 52、电子碰撞电离系数 53、热电离 54、电子附着系数 55、阴极的表面电离 56、光电发射 57、载流子的复合 58、非自持放电 59、自持放电 60、本征离子电导 61、弱联系离子电导 62、电子电导 63、表面电导 64、电泳电导 65、铁电体 66、介电反常 67、电滞回线 68、电畴 69、热释电效应 70、相和相变 二、选择题： 1、关于点电荷的下列说法中正确的是： A .真正的点电荷是不存在的． B .点电荷是一种理想模型． C .足够小（如体积小于1）的电荷就是点电荷． D .一个带电体能否看成点电荷，不是看它的尺寸大小，而是看它的形状和大小对所研究的问题的影响是否可以忽略不计． 2、下面关于点电荷的说法正确的是() A．只有体积很小的带电体才能看成是点电荷 B．体积很大的带电体一定不能看成是点电荷 C．当两个带电体的大小远小于它们间的距离时，可将这两个带电体看成是点电荷 D．一切带电体都可以看成是点电荷 3、下列说法中正确的是： A .点电荷就是体积很小的电荷．
一直以来，腐蚀就是化工设备最头痛的危害之一，稍有不慎，轻则损坏设备，重则造成事故甚至引发灾难。据有关统计，化工设备的破坏约有60%是由于腐蚀引起的，因此在化工泵选型时首先要注意选材的科学性。通常有一种误区，认为不锈钢是“万能材料"，不论什么介质和环境条件都捧出不锈钢，这是很危险的。下面针对一些常用化工介质谈谈选材的要点： 1.硫酸作为强腐蚀介质之一，硫酸是用途非常广泛的重要工业原料。不同浓度和温度的硫酸对材料的腐蚀差别较大，对于浓度在80%以上、温度小于80℃的浓硫酸，碳钢和铸铁有较好的耐蚀性，例如：浓硫酸离心泵但它不适合高速流动的硫酸；普通不锈钢如304（0Cr18Ni9）、316（0Cr18Ni12Mo2Ti）对硫酸介质也用途有限。因此输送硫酸的泵阀通常采用高硅铸铁（铸造及加工难度大）、高合金不锈钢（20号合金）制造。氟塑料具有较好的耐硫酸性能，采用衬氟泵（F46）是一种更为经济的选择。 2.盐酸决大多数金属材料都不耐盐酸腐蚀（包括各种不锈钢材料），含钼高硅铁也仅可用于50℃、30%以下盐酸。和金属材料相反，绝大多数非金属材料对盐酸都有良好的耐腐蚀性，所以内衬橡胶泵和塑料泵（如聚丙烯、氟塑料等）是输送盐酸的最好选择。 3.硝酸一般金属大多在硝酸中被迅速腐蚀破坏，不锈钢是应用最广的耐硝酸材料，对常温下一切浓度的硝酸都有良好的耐蚀性，值得一提的是含钼的不锈钢（如316、316L）对硝酸的耐蚀性不仅不优于普通不锈钢（如304、321），有时甚至不如。而对于高温硝酸，通常采用钛及钛合金材料。 4.醋酸它是有机酸中腐蚀性最强的物质之一，普通钢铁在一切浓度和温度的醋酸中都会严重腐蚀，不锈钢是优良的耐醋酸材料，含钼的316不锈钢还能适用于高温和稀醋酸蒸汽。对于高温高浓醋酸或含有其它腐蚀介质等苛刻要求时，可选用高合金不锈钢或氟塑料泵。 5.碱（氢氧化钠）钢铁广泛应用于80℃以下、30%浓度内的氢氧化钠溶液，也有许多工厂在100℃、75%以下时仍采用普通钢铁，虽然腐蚀增加，但经济性好。普通不锈钢对碱液的耐蚀性与铸铁相比没有明显优点，只要介质中容许少量铁份掺入不推荐采用不锈钢。对于高温碱液多采用钛及钛合金或者高合金不锈钢。 6.氨（氢氧化氨）大多数金属和非金属在液氨及氨水（氢氧化氨）中的腐蚀都很轻微，只有铜和铜合金不宜使用。
电介质刻蚀面临材料和工艺的选择 半导体加工中，在晶片表面形成光刻胶图形，然后通过刻蚀在衬底或者衬底上面的薄膜层中选择性地除去相关材料就可以将电路图形转移到光刻胶下面的材料层上。这一工艺过程要求非常精确。但是，各种因素例如不断缩小的线宽、材料毒性以及不断变大的晶片尺寸等都会使实际过程困难得多。 AppliedMaterials公司电介质刻蚀部总经理BrianShieh说：“前段（FEOL）和后段（BEOL）电介质刻蚀的要求各不相同，因此要求反应器基本功能具有很大的弹性，对于不同的要求都能够表现出很好的性能。” DowChemical公司新技术部总监MichaelMills说：“从目前和近期的发展来看，电介质刻蚀设备还不会出现很大问题。”
“目前的研究重点是双嵌入式工艺、低k材料和高纵宽比接触孔的刻蚀。"HitachiHighTechnologiesAmerica公司高级工艺经理JasonGhormley说：“氧化硅刻蚀要求能够精确控制各向异性刻蚀过程，尽量减少侧壁钝化层，同时保证整体结构比较完美。这是氧化硅刻蚀的一个普遍问题，因为其工艺控制与化学反应相关。对于氧化硅刻蚀来说，在反应器中使用含硅材料是非常有用的，因为它能控制氟原子和含碳自由基的比例，有助于在垂直方向的刻蚀反应和控制侧壁钝化层之间取得平衡。” 后段和前段面临的问题 Shieh认为双嵌入式工艺是很复杂的应用，因为它涉及到各种各样的材料以及相应的整合问题，例如光刻胶或BARC对微通孔（via）的部分或全部填充、多层掩膜版的使用、硬掩膜层或金属掩膜层的使用等。他说：“我们需要的是一整套解决方案，不管用户的要求是什么，它都能很好地达到要求。方法之一是使刻蚀具有很宽的工艺窗口，能够提供经过优化的最佳工艺条件和很好的工艺控制能力，满足下一代材料和技术的要求。这些新功能可以同时解决前段（FEOL）和后段（BEOL）面临的各种问题。当然，对于FEOL和BEOL来说，也许还需要做一些很小的调整，但是其基本功能应该是一样的。”