电子材料概论

电子材料的分类

按用途分类

结构电子材料

能承受一定的压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性）稳定的一类材料。结构电子材料在电子元器件中主要用来制作外壳、基片、框架、散热片、加固和封装等。

功能电子材料

除强度性能外，还有其特殊功能，如能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的材料。功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力。

例如热→电的热释电材料，可用于红外线成像；光→电材料，单晶硅、多晶硅、非晶硅，钙钛矿型太阳能电池效率>20%。

按组成分类

无机电子材料

金属材料

以金属键结合。

非金属材料

以离子键和共价键结合。

有机电子材料

以C、H、O、N、Cl、F等组成的高分子材料，大部分是以共价键和分子键结合。

例如有机高分子材料、液晶材料。

按物理性质分类

  • 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
  • 敏感材料

按应用领域分类

  • 微电子材料
  • 电阻器材料
  • 电容器材料
  • 磁性材料
  • 光电子材料
  • 压电材料
  • 电声材料
  • 敏感吸波材料
  • 封装材料

电子陶瓷制备工艺

常规制作流程：制粉-成型-烧结

  • 制粉：原料：精细化工原料
  • 成型：干压成型、扎膜成型、流延成型、等静压成型
  • 烧结

电子陶瓷

密堆积与配位数

密堆积

等径球密堆积

只有两种

六方密堆积

（Hexagonal Closed-Packed, hcp)

ABABAB

六方最密堆积_word文档在线阅读与下载_免费文档

Mg、Zn、Ti等金属采用六方密堆积

面心立方密堆积

(Face Center Cubic, fcc)

ABCABCABC

面心立方最密堆积晶胞是不是正方体，按结构看不应该是个斜的四棱柱吗？ - 知乎

Cu、Ag、Au等金属采用面心立方密堆积

体心立方堆积

(Body Center Cubic, bcc)

==不是密堆积==

简立方堆积

(Simple Cubic)

==不是密堆积==

仅有钋（Po）是这种晶体结构

不等径球密堆积

对于金属氧化物：由半径较大的O^2-^离子作密堆积，金属离子填充在空隙中

  • 三球空隙：$\frac{r+}{r-}=0.155$
  • 四球空隙：$\frac{r+}{r-}=0.225$
  • 六球空隙：$\frac{r+}{r-}=0.414$
  • 八球空隙：$\frac{r+}{r-}=0.732$
  • 十二球空隙：$\frac{r+}{r-}=1$

间隙

四个球-四面体空隙

六个球-八面体空隙

配位数

  • 配位数：和某一圆球相切的圆球数（例如hcp、fcc的配位数为12）
  • 密堆度：空间被圆球占据的比例（例如hcp、fcc的密堆度为74.05%）

离子晶体与配位多面体

通常情况下，阳离子要小于阴离子，阳离子是小球。

临界半径：小球刚好与大球相切的半径

  • 若小于临界半径：负离子相互接触，不稳定，配位数减小
  • 若大于临界半径：正负离子相互接触，趋于稳定，若更大则配位数增加
  • 在临界半径附近，可以认为存在两种配位数

鲍林规则

鲍林第一规则

负离子配位规则

  • 每个正离子的周围必然形成负离子多面体
  • 多面体的构型取决于正负离子的半径比

鲍林第二规则

电价规则

负离子电价的绝对值近似等于临近各正离子分配的静电键强度和。用公式表示为：

其中$Z^-$是负离子的电价，$Z^+$是正离子的电价，S是静电键强度，$N^+$是阳离子的配位数。

作用：

  • 判断晶体是否稳定
  • 判断共用一个顶点的多面体数目

鲍林第三规则

多面体组联规则

配位的多面体之间，公用的棱数越多，公用面数越多，结构的稳定性就越低。

原因：中心阳离子举例缩短，库仑斥力增大，稳定性降低

  • 高价、低配位[SiO~4~]只能共顶点
  • 高价、高配位[TiO~6~]八面体共棱
  • 低价、高配位[AlO~6~]八面体共面

例题

例4

例5

鲍林第四规则

高价低配位多面体相互远离

如果同一离子晶体含有多种正离子，高价低配位多面体之间具有相互远离的趋势。（通过其他多面体隔开）

鲍林第五规则

结构简单化法则（节约规则）

  • 样式不同的结构单元尽可能趋向最少
  • 同种离子应具有尽量相同的配位环境

电子陶瓷的典型结构

CsCl型

NaCl型

闪锌矿结构（立方ZnS结构）

纤锌矿结构（六方ZnS结构）

莹石型（CaF~2~）

金红石型

思考

1. 介电常数取决于？

2. TiO~2~介电常数为什么那么大？

$\beta$-白硅石型（高温方石英SiO~2~）

SiO~2~特点：低介电常数

A~2~X~3~型化合物典型结构（$\alpha$-Al~2~O~3~）

ABO~3~型化合物典型结构

钙钛矿结构（Oxide Pervoskite Structure, OPS）

  • 理想化学式ABO~3~

  • 配位数A:B:O=12:6:6，其中A为低价半径大的正离子，B为高价半径小的正离子，O为氧负离子

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  • 氧八面体共顶点连接

  • A离子和O离子半径接近，共同构成面心立方密堆积

  • 常见钙钛矿结构晶体：CaTiO~3~、BaTiO~3~、SrTiO~3~、PbTiO~3~

  • 离子半径匹配应满足关系式

    其中，容差因子t=0.77~1.1，t=1时为理想结构