材料制备复习资料.doc

相变驱动力：单个原子或分子由液体相转变为晶体相所引起的系统吉卜斯自由能的降低量。均匀成核：在亚稳定相系统中空间各点出现稳定相的几率相等的成核过程。非均匀成核：稳定相优先出现的系统中某些局部区域的成核。胚团：由于能量的涨落，由少数几个分子连接成不稳定的“小集团”。晶核：能稳定地发展下去而不消失的胚团。临界半径 ：胚团能够发展成为晶核所需的最小半径。表面能极图：反映表面能与晶面取向关系的图形。粗糙界面：微观上是凹凸不平的，到处是台阶和扭折，能连续生长，相当于非奇异面。奇异面：表面能极图中能量曲面上出现极小值的点所对应的晶面称为奇异面。邻位面：指在取向上和奇异面只有小角度偏离的晶面，由一定组态的台阶构成。表面熔化温度：光滑界面突然转变成粗糙界面所对应的临界温度。定向迁移率 ：指吸附分子无规则地漂移在给定方向的移动距离。成核周期tn：连续两次成核的时间间隔。覆盖周期ts:一个二维晶核的台阶扫过晶面所需的时间。多二维核生长： 即生长一层晶面的需要两个以上的二维晶核的生长方式。单二维核生长： 即生长每一层晶面仅用一个二维晶核的生长方式。相：系统内部物理和化学性质完全均匀的部分。相图：研究物质的组成、物相随温度、压力以及其他外界条件改变而变化的关系状态图。共晶点：温度低于两纯组元的凝固点之间的三相点。包晶点：温度介于两纯组元的凝固点之间的三相点。晶体水热法：在高温高压下的过饱和水溶液中进行结晶的方法。熔盐法：在高温下从熔融溶剂中生长晶体的方法。气相反应生长法：利用气体之间的直接混合反应生成晶体的方法。真空蒸镀：利用真空泵将沉积室抽成“真空”，然后用高熔点材料制成的蒸发源将沉积材料加热、蒸发、淀积于基片上。溅射镀膜：指用动能为几十电子伏的粒子束照射沉积材料表面，使表面原子获得入射粒子所带的一部分能量并脱离靶体后，在一定条件下沉积在基片上的镀膜方法。化学气相沉积：在一个加热的基片或物体表面上，通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学反应，而形成不挥发的固态膜层或材料的过程。物理气相沉积（PVD）包含的方法：蒸镀、溅射、离子镀。13、推导气相、液相、熔体生长系统中相变驱动力的表达式。（略）15、界面位垒在晶体生长中有何意义？答：（1）给出了生长系统中具有确定半径的晶体能够存在的临界驱动力或饱和度；（2）给出了确定过饱和度下，能够存在的晶体的最小半径；（3）指出在光滑（宏观）界面上，局部凸入流体的部分晶核难于生长，易于消失，而凹入处则易于生长，为晶体层状生长提供了理论根据。16、在均匀成核系统中形成一个半径为R的胚团，试推导其所需的最小能量。（略）17、在单晶生长过程中，可采用哪些途径来限制多余晶核的形成。答：（1）设计合理的非均匀驱动力场，即只在固体液体界面邻近驱动力为负，其余各处的驱动力为正，并且离固体液体界面愈远的地方，正的驱动力愈大，同时还要求驱动力场具有轴对称性。（2）控制“催化作用”，采用高纯原料。7、 ：界面相变熵。 物理意义：反映界面光滑与粗糙的程度。可用来判断界面的平衡结构。对于汽、液相生长系统中 ，为光滑面生长，而熔体生长系统中 ，为粗糙面生长。8、 的表达式及式中各量的物理意义？9、通常划分界面的标准有哪些？大致可以把界面划分成为哪几种类型？答（1）界面是突变的还是渐变的； （2）界面是存在吸附层，还是不存在吸附层； （3）界面是光滑的，还是粗糙的； （4）界面是完整的，还是非完整的。四种类型界面： （1）完整光滑突变界面； （2）非完整光滑突变界面； （3）粗糙突变界面； （4）扩散界面。10、邻位面为何要台阶化？答：邻位面的台阶化消除晶体表面的畸变，从而降低了表面能。W.Kossels model得出具有扭折的台阶才是台阶的平衡结构！12、杰克逊模型（K.A.Jacksons model）讨论的对象及假设是什么？答：讨论的对象：单原子系统，简立方，只考虑表面层和界面层原子的相互作用（双层界面）。假设：（1）晶、流两相，单位质量的V、u、S不同，从而X不同， 亦不同； （2）流流，流晶，无原子间相互作用，只考虑晶晶，有原子间相互作用；界面层中， 为一个原子可能的水平键能数， 垂直键数，Z为晶体内部一个原子的最近邻数（配位数）： （3） 零级近似界面层中原子无偏聚，分布与T无关。 14、特姆金模型（扩散or多层界面模型）Temkin Model的假设。 答： （1）简立方，（001）面，界面有无数层，生长单元为流体块、晶体块；晶体固体块，每个固体块有2个垂直键和4个水平键，两者键能不等；（2）整个晶流界面由固体原子和流体原子相接触的连续区域所构成，层间距：d001，（3）n层：N=NS+Nf (n可正、可负)（4）n层，固：Cn=Ns/N， 流 ：（1-Cn）， 边界条件： 且 ： 即固体块只能在固体块上堆积，完全的流体块中没有孤立的固体块存在。11、二维核生长机制：生长基元输运界面附近，在边界层中扩散；基元吸附界面上，形成二维晶核，出现台阶；基元吸附台阶扩散扭折进入晶格座位，放出相变潜热；扭折不断延伸，台阶重复运动，覆盖整个表面，完成一层晶面的生长，如此往复，生长不断延续进行。12、位错生长机制：位错导致晶面出现永存性螺蜷状台阶，该台阶可完全消除了光滑界面生长的热力学位垒，去除了二维成核之必要性13、Frank动力学第一第二定理的内容一密度不变的台阶群，在生长过程中的轨道是一直线。二、过法向生长速率倒数图中倾角 为的点，作极图之法线，则该法线平行于倾角 为的面的生长轨迹。14、位错的作用： 位错能在生长过程中提供无穷无尽的台阶源，完全消除了光滑界面生长的热力学位垒，去除了二维成核的必要性。15、晶体生长形态的影响因素主要有哪些，哪些因素可调？影响晶体形态的物性参量有物质相变熵与表面能。工艺参量有驱动力场、杂质、位错等。可调因素：物质相变熵、驱动力场、杂质、位错16、 完整光滑、完整非光滑突变界面、粗糙界面的生长动力学规律。 完整光滑突变界面生长的动力学规律：生长速率R与驱动力呈指数关系。 完整非光滑突变界面生长的动力学规律：即当过饱和度很小时： R与 成抛物线关系，即当过饱和度很大时： R与 成线性关系。 粗糙界面的生长速率与驱动力成线性关系。9、三元相图的成分点浓度的求算，掌握等含量规则、定比例规则、直线定理。10三元共晶相图的分析。如：书中P138图6.23的分析。11、如何根据相图确定配料组分析？答：（1）在同成份点生长，配料成份与晶体成分相同。该体系有形成同成分熔化的化合物体系和具有最低或最高熔点的互溶体系。（2）在固液两相区内生长晶体，配料成分的选择应参考相图进行具体分析。包晶反应体系配料成分的选择应避开包晶点，配料成份选择在包晶反应温度与另一等温线之间的液相线所相应的成份。一般互溶体系配料成份的选择由分凝系数Ke决定。在固态存在多型性相变，用熔体法生长低温相晶体 必须加入第二组分，形成共晶体系；在T相变T共晶之间进行生长；其配料成分选择：与液相线相应的成份。虽有同成份点，但体系具有很高的平衡蒸气压，是采用在富某种元素的气氛中生长，方可大大降低其蒸气压，这样就可以用通常的提拉法设备进行生长。4、气相法生长晶体的基本原理？答：对于某个假设的晶体晶体模型，气相原子或分子运动到晶体表面，在一定的条件下被晶体吸收，形成稳定的二维晶核，在晶面上产生台阶，再俘获表面上进行扩散的原子，台阶运动，蔓延横贯整个表面，晶体便生长一层原子高度，如此循环往复即能长出块状或薄膜状晶体。5、高压釜是水热法生长单晶体的关键设备，在设计和制作上应满足哪些基本要求？答： 制作材料应耐腐蚀，具有良好的高温机械性能；保持一定的釜壁厚度；密封结构良好；高压釜长径比应满足一定的要求：一般还应有防腐衬套。6、水热法生长的优缺点。优点：可生长低温固相单晶，高粘度材料可生长高蒸汽压、分解压的材料；晶体发育好，几何形状完美，应力小，质量好。缺点：设备要求高、需要优质籽晶、不能直接观察，生长速率慢，周期长（50天3个月）。7、溶液生长特点：低温、低粘度、外观完美、直接观察，影响因素复杂、周期长、控温要求精度高。8、溶液法基本原理：是将原料（溶质）溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。9、气相生长法有升华法、蒸气输运法和气相反应法。10、溶液生长晶体的方法有：降温法、蒸发法和凝胶法。11、熔体生长法分为正常凝固法和逐区熔化法，其中逐区熔化法包含水平区熔法、浮区法 、基座法和焰熔法。正常凝固法包含晶体提拉法、坩埚移动法、晶体泡生法和弧熔法。12、熔盐法生长晶体的优缺点及适用范围如何？答：优点：适应性强、生长温度低、晶体应力小，均匀完整、设备简单。缺点：速率慢，周期长，小晶体、助熔剂有毒，污染炉体和环境。适用范围：生长熔点很高的材料而现有设备达不到要求的材料；生长不同成分熔化或会在某一较低温度下出现相变，引起严重应力或破裂的材料；生长由于一种或几种组分有高蒸气压，使材料在熔化时成为非理想配比的材料。 5、物理气相沉积（PVD）包含的方法：蒸镀、溅射、离子镀。6、核生长薄膜的四个阶段答：成核；晶核长大并形成较大的岛，这些岛常具有小晶体的形状；岛与岛连接形成具有空间沟道的网络；沟道被填充形成连续的薄膜。7、薄膜的生长过程的三种类型：核生长型、层生长型、层核生长型。8、蒸镀与溅射的区别是什么？答：蒸镀：让材料加热气化（发射出粒子），再次积到基片上成膜、镀膜速率快，0.15、可多块同镀，操作方便，参数易于控制，可适时监控成膜过程，但膜与基片的结合强度不高，还存在分馏问题。溅射：用离子轰击，将靶材原子打出来，再沉积到基片上成膜、沉积速度低，约0.010.5、设备复杂，沉积参数控制较难，适用范围广，膜质好，膜密度高，无气孔，附着性好。一般溅射不如蒸镀应用广泛。12、普通CVD的特点。答特点：膜层纯度一般很高，很致密，容易形成结晶定向好的材料、能在较低温度下制备难熔物质、可人为掺杂，制备各种半导体、氧化物和化合物膜、T基体高，V沉积低，设备较电镀法复杂，难于局部沉积，有一不定毒性，应用不如蒸镀、溅射广泛。13、等离子体化学气相沉积（PECVD）的特点。答特点：影响沉积速率的主要因素是高频功率，而T基体、P、气相组分的影响在其次、显著降低沉积时的T基体，并且沉积速率快，成膜质量好，针孔少，不易龟裂等。由于等离子体轰击，使沉积膜表面主生缺陷，反应复杂，也会使薄膜的质量有所下降。1、陶瓷材料通常由晶体相、玻璃相和气相组成。各自的作用分别为：晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理 化学性质。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大，气相是在工艺过程中形成并保留下来的，对陶瓷材料物理性能有一定的作用。2、根据SiO4四面体在空间的不同结合方式可将分类硅酸盐结构分为：岛状硅酸盐结构（如镁橄榄石）、链状硅酸盐结构（辉石族、石棉类矿物）、层状硅酸盐结构（高岭土、云母）和骨架结构（石英）。3、陶瓷材料中的晶体缺陷有点缺陷（产生于原子的热运动和热激发）、线缺陷（产生于固化冷却或机械加工中）和面缺陷（产生于表面能够很快从空气中吸附氧以降低表面能量）。4、目前被人们普通接受的玻璃的结构理论有微晶子学说和无规网络学说