材料合成與制備方法 復(fù)習(xí)PPT課件

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1、考 試 方 式 ： 閉 卷總 分 值 ： 100分題 型一 、 填 空 題 1分 10空 二 、 選 擇 題 2分 10三 、 名 詞 解 釋 5分 4四 、 簡 答 題 6分 5五 、 論 述 題 10分 2 前 四 章 材 料 合 成 與 制 備 方 法 復(fù) 習(xí)重 點(diǎn) ： 前 四 章 1-溶 膠 凝 膠 法1 . 溶 膠 Sol 又 稱 膠 體 溶 液 。 指 在 液 體 介 質(zhì) 主 要 是 液 體 中 分散 了 1-100nm粒 子 (根 本 單 元 )， 且 在 分 散 體 系 中 保 持 固 體 物 質(zhì) 不 沉 淀 的 膠體 體 系 。 溶 膠 也 是 指 微 小 的 固 體 顆 粒

2、 懸 浮 分 散 在 液 相 中 ， 并 且 不 停 地 進(jìn) 行布 朗 運(yùn) 動 的 體 系 。分 散 相 分 散 介 質(zhì) 分 散 介 質(zhì) 示 例液 體固 體氣 體 液 體固 體液 體氣 體 氣 體氣 體液 體液 體液 體固 體固 體 霧煙泡 沫牛 乳膠 態(tài) 石 墨礦 石 中 的 液 態(tài) 夾 雜 物礦 石 中 的 氣 態(tài) 夾 雜 物溶 膠 態(tài) 分 散 系 例 如概 念 2. 凝 膠 Gel 膠 體 顆 粒 或 高 聚 物 分 子 相 互 交 聯(lián) ， 空 間 網(wǎng) 絡(luò) 狀 結(jié) 構(gòu) 不 斷 開 展 ，最 終 使 得 溶 膠 液 逐 步 失 去 流 動 性 ， 在 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 的 孔 隙 中 充 滿

3、 液 體 的 非 流 動 半固 態(tài) 的 分 散 體 系 ， 它 是 含 有 亞 微 米 孔 和 聚 合 鏈 的 相 互 連 接 的 堅 實(shí) 的 網(wǎng) 絡(luò) 。3. 溶 膠 凝 膠 法 ： 就 是 用 含 高 化 學(xué) 活 性 組 分 的 化 合 物 作 前 驅(qū) 體 ， 在 液 相 下 將 這些 原 料 均 勻 混 合 ， 并 進(jìn) 行 水 解 、 縮 合 化 學(xué) 反 響 ， 在 溶 液 中 形 成 穩(wěn) 定 的 透 明 溶膠 體 系 ， 溶 膠 經(jīng) 陳 化 膠 粒 間 緩 慢 聚 合 ， 形 成 三 維 空 間 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) 的 凝 膠 ， 凝 膠網(wǎng) 絡(luò) 間 充 滿 了 失 去 流 動 性 的 溶 劑

4、 。4. 雙 電 層溶 膠 體 系 中 ， 靜 電 引 力 使 顆 粒 吸 引 反 離 子 向 其 外 表 靠 攏 ， 并 排 斥 同 離 子 ，固 體 外 表 電 荷 與 溶 液 中 反 電 荷 形 成 了 雙 電 層 結(jié) 構(gòu) 。 2. 提 高 溶 膠 穩(wěn) 定 性 的 三 個 根 本 途 徑(1)使 膠 粒 帶 外 表 電 荷 ； (2) 利 用 空 間 位 阻 效 應(yīng) ； (3)利 用 溶 劑 化 效 應(yīng) 。 1. 溶 膠 不 是 物 質(zhì) 而 是 一 種 “ 狀 態(tài) 。3. 溶 膠 -凝 膠 過 程 ， 按 照 溶 膠 的 形 成 原 理 分 為 膠 體 型 無 機(jī)、聚 合 物 型 、 絡(luò)

5、 合 物型 4. 溶 膠 形 成 過程 中 催 化 劑 的影 響 催 化 機(jī) 理 縮 聚 產(chǎn) 物酸 催 化 交 聯(lián) 度 低 ，呈 鏈 狀 生 長堿 催 化 交 聯(lián) 度 高 ， 結(jié)構(gòu) 粒 子 5. 凝 膠 點(diǎn) 是 指 流 變 性 質(zhì) 的 突 然 改 變 ， 即 容 器 傾 斜 45時 ， 溶 膠 不 流 動 知 識 點(diǎn) 1. 如 何 用 溶 膠 凝 膠 法 制 備 薄 膜 及 涂 層 ？將溶液或溶膠通過適當(dāng)方法在基板上形成液膜，經(jīng)凝膠化后通過熱處理可轉(zhuǎn)變成無定形態(tài)或多晶態(tài)膜或涂層提 拉 浸 漬 法 旋 轉(zhuǎn) 涂 覆 法 絲 網(wǎng) 印 刷 法 噴 霧 涂 層 法 電 沉 積 法 細(xì) 管 涂 鍍 技 術(shù)

6、2. 溶 膠 凝 膠 法 制 備 薄 膜 及 涂 層 的 成 膜 機(jī) 理 是 什 么 ？將 處 理 的 基 底 和 溶 膠 相 接 觸 ， 在 基 底 毛 細(xì) 孔 產(chǎn) 生 的 附 加 壓 力 下 ， 溶 膠 傾 向 于 進(jìn)入 基 底 孔 隙 ， 當(dāng) 其 中 介 質(zhì) 水 被 吸 入 孔 道 內(nèi) 同 時 膠 體 粒 子 的 流 動 受 阻 在 外 表 截 留 ，增 濃 ， 縮 合 ， 聚 結(jié) 而 成 為 一 層 凝 膠 膜 。簡 答 與 論 述 3. 凝 膠 的 產(chǎn) 生 途 徑 有 哪 些 ？ 改 變 溫 度 ： 利 用 物 質(zhì) 在 同 一 種 溶 液 中 的 不 同 溫 度 時 的 溶 解 度

7、不 同 ， 通 過 升 、 降 溫 度 來 實(shí) 現(xiàn) 膠 凝 ， 從 而 形 成 凝 膠 ; 轉(zhuǎn) 換 溶 劑 ： 用 分 散 相 溶 解 度 較 小 的 溶 劑 替 換 溶 膠 中 原 有 的 溶 劑 可 以 使 體 系 膠 凝 ， 從 而 得 到 凝 膠 ， 如 固 體 酒 精 的 制 備 ; 加 電 解 質(zhì) ： 溶 液 中 加 人 含 有 相 反 電 荷 的 大 量 電 解 質(zhì) 也 可 以 引 起 膠 凝而 得 到 凝 膠 ， 如 在 Fe(OH)3溶 膠 中 加 人 電 解 質(zhì) KCI可 使 其 膠 凝 ; 進(jìn) 行 化 學(xué) 反 響 ： 使 高 分 子 溶 液 或 溶 膠 發(fā) 生 交 聯(lián) 反

8、 響 產(chǎn) 生 膠 凝 而 形 成凝 膠 ， 如 硅 酸 凝 膠 、 硅 一 鋁 凝 膠 的 形 成 。 除 去 溶 劑 ： 使 聚 合 產(chǎn) 物 的 濃 度 增 大 ， 當(dāng) 存 在 一 定 程 度 的 交 聯(lián) 時 ， 發(fā)生 溶 膠 -凝 膠 的 轉(zhuǎn) 變 ， 粘 度 突 然 增 大 。 用 酸 或 堿 催 化 以 促 進(jìn) 水 解 和 縮 聚 反 響 的 發(fā) 生 。 4. 溶 膠 形 成 過 程 中 水 解 度 的 影 響 加 水 量 ， 并 舉 例 說 明 ？水 解 度 R 2， TEOS水 解 反 響 使 大 局 部 的 -OR基 團(tuán) 脫 離 ， 產(chǎn) 生 -OH基 團(tuán) ， 形 成 了 局 部 水

9、解 的 帶 有 -OH的 硅 烷 ， 在 這 些 局 部 水 解 的 硅 烷 之 間 容 易 反 響 形 成 二 聚 體 ， 這 些 二 聚體 不 再 進(jìn) 行 水 解 ， 而 是 發(fā) 生 交 聯(lián) 反 響 形 成 三 維 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) ， 從 而 縮 短 了 凝 膠 化 時 間 . 水 解 度 R 2， 水 解 反 響 那 么 產(chǎn) 生 了 局 部 水 解 的 帶 有 -OH的 硅 烷 ， 從 而 消 耗 掉 大 局 部水 ， 縮 聚 反 響 較 早 發(fā) 生 ， 形 成 TEOS的 二 聚 體 ， 硅 酸 濃 度 減 少 ， 凝 膠 時 間 延 長 1 系 統(tǒng) 含 水 量 比 較 低 的 情 況

10、 下 ： 反 響 產(chǎn) 物 一 直 受 到水 解 速 度 的 控 制 ， 更 傾 向 于 形 成 鏈 狀 結(jié) 構(gòu) ： 以 研 究 最 多 的 Si(OR)4 R CH3， C2H5 ROH H2O系 統(tǒng) 為 例 ， 體 系 中 最 先 發(fā) 生 水 解 反 響 ： 2 當(dāng) 加 水 量 增 大 時 ： 由 于 水 解 速 度 快 ， 聚 合 反 響 主 要 或 全 部 以 失 水 縮 聚的 方 式 進(jìn) 行 ， 從 而 形 成 具 有 二 維 或 三 維 結(jié) 構(gòu) 的 聚 合 物 ， 其 水 解 和 縮 聚 反 響 可表 達(dá) 為 ：總 的 凈 反 響 為 ： 9 水熱法在特制的密閉反響器高壓釜中，采用水

11、溶液作為反響體系，通過對反響體系加熱、加壓(或自生蒸氣壓，創(chuàng)造一個相對高溫、高壓的反響環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，并且重結(jié)晶而進(jìn)行無機(jī)合成與材料處理的一種有效方法。 2-水 熱 與 溶 劑 熱 合 成 法概 念2. 溶劑熱法將水熱法中的水換成有機(jī)溶劑或非水溶媒例如：有機(jī)胺、醇、氨、四氯化碳或苯等，采用類似于水熱法的原理，以制備在水溶液中無法長成，易氧化、易水解或?qū)λ舾械牟牧?.水 熱 與 溶 劑 熱 合 成 的 生 產(chǎn) 設(shè) 備 為 高 壓 釜 ， 有 不 銹 鋼 外 殼 和 聚 四 氟 乙烯 內(nèi) 襯 構(gòu) 成 10 水 熱 生 長 體 系 中 的 晶 粒 形 成 有 哪 三 種 機(jī) 制

12、 ？“ 均 勻 溶 液 飽 和 析 出 機(jī) 制 由 于 水 熱 反 響 溫 度 和 體 系 壓 力 的 升 高 ， 溶質(zhì) 在 溶 液 中 溶 解 度 降 低 并 到 達(dá) 飽 和 ， 以 某 種 化 合 物 結(jié) 晶 態(tài) 形 式 從 溶 液中 析 出 。 “ 溶 解 -結(jié) 晶 機(jī) 制 所 謂 “ 溶 解 是 指 水 熱 反 響 初 期 ， 前 驅(qū) 物 微 粒 之 間 的 團(tuán)聚 和 聯(lián) 接 遭 到 破 壞 ， 從 而 使 微 粒 自 身 在 水 熱 介 質(zhì) 中 溶 解 ， 以 離 子 或 離 子 團(tuán) 的形 式 進(jìn) 入 溶 液 ， 進(jìn) 而 成 核 、 結(jié) 晶 而 形 成 晶 粒 。 當(dāng) 水 熱 介 質(zhì)

13、 中 溶 質(zhì) 的 濃 度 高 于晶 粒 的 成 核 所 需 要 的 過 飽 和 度 時 ， 體 系 內(nèi) 發(fā) 生 晶 粒 的 成 核 和 生 長 ， 隨 著 結(jié) 晶過 程 的 進(jìn) 行 ， 介 質(zhì) 中 用 于 結(jié) 晶 的 物 料 濃 度 又 變 得 低 于 前 驅(qū) 物 的 溶 解 度 ， 這 使得 前 驅(qū) 物 的 溶 解 繼 續(xù) 進(jìn) 行 。 如 此 反 復(fù) ， 只 要 反 響 時 間 足 夠 長 ， 前 驅(qū) 物 將 完 全溶 解 ， 生 成 相 應(yīng) 的 晶 粒 。 “ 原 位 結(jié) 晶 機(jī) 制 中 選 用 常 溫 常 壓 下 不 可 溶 的 固 體 粉 末 ， 凝 膠 或 沉 淀 為 前 驅(qū) 物 時

14、 ， 如 果 前 驅(qū) 物 和 晶 相 的 溶 解 度 相 差 不 是 很 大 時 ， 或 者 “ 溶 解 -結(jié) 晶 的 動力 學(xué) 速 度 過 慢 ， 那 么 前 驅(qū) 物 可 以 經(jīng) 過 脫 去 羥 基 或 脫 水 ， 原 子 原 位 重 排 而轉(zhuǎn) 變 為 結(jié) 晶 態(tài) 。 簡 答 和 論 述 1 營 養(yǎng) 料 在 水 熱 介 質(zhì) 里 溶 解 ， 以 離 子 、 分 子 團(tuán) 的 形 式 進(jìn) 入 溶 液 溶 解階 段 ； 2 由 于 體 系 中 存 在 十 分 有 效 的 熱 對 流 及 溶 解 區(qū) 和 生 長 之 間 的 濃 度 差 ，這 些 離 子 、 分 子 或 離 子 團(tuán) 被 輸 運(yùn) 到 生

15、長 區(qū) 輸 運(yùn) 階 段 ； 3 離 子 、 分 子 或 離 子 團(tuán) 在 生 長 界 面 上 吸 附 、 分 解 與 脫 附 ； 4 吸 附 物 質(zhì) 在 界 面 上 的 運(yùn) 動 ； 5 結(jié) 晶 。水 熱 條 件 下 晶 體 生 長 包 括 哪 幾 個 步 驟 ？ 粉 體 的 晶 粒 粒 度 與 粉 體 形 成 時 的 成 核 速 度 有 關(guān) ， 成 核 速 度 越 快 ， 由 此制 得 的 粉 體 的 晶 粒 粒 度 就 越 小 ， 對 于 溶 液 體 系 ， 如 果 采 取 一 定 的 措 施 ，加 快 成 核 速 度 ， 即 在 相 對 較 短 的 時 間 內(nèi) 形 成 相 對 較 多 的 晶

16、 核 ， 由 于 在成 核 過 程 中 溶 質(zhì) 被 大 量 消 耗 ， 在 生 長 過 程 所 提 供 的 溶 質(zhì) 就 會 相 對 減 少 ，那 么 可 以 使 產(chǎn) 物 的 晶 粒 粒 度 減 少 。 為什么在水熱合成體系中，在不改變其它反響條件的情況下，在一相當(dāng)短的時間內(nèi)使反響物濃度有極大的增加，可以大大加快成核速率，從而到達(dá)減小產(chǎn)物晶粒粒度的目的？ 在 高 溫 高 壓 的 水 熱 體 系 中 ， 水 的 性 質(zhì) 發(fā) 生 哪 些 變 化 及 對 水 熱 反 響 的 影 響 ？離 子 積 升 高 ， 水 的 電 離 常 數(shù) 隨 反 響 溫 度 壓 力 的 上 升 而 增 加 ， 常 溫 常 壓

17、 不 溶 于水 的 礦 物 或 有 機(jī) 物 會 溶 解 ， 水 熱 條 件 下 也 能 誘 發(fā) 離 子 反 響 或 促 進(jìn) 水 解 反 響 。水 的 粘 度 和 外 表 張 力 隨 溫 度 升 高 而 下 降 ， 這 使 得 離 子 和 分 子 的 活 動 性 大 為 增加 ， 在 水 熱 溶 液 中 存 在 著 十 分 有 效 的 擴(kuò) 散 ， 從 而 使 得 水 熱 晶 體 生 長 較 其 他 水溶 液 晶 體 生 長 具 有 更 快 的 生 長 速 率 。水 的 熱 擴(kuò) 散 系 數(shù) 增 加 ， 水 的 密 度 降 低 水 熱 溶 液 比 常 溫 常 壓 下 具 有 更 大 的 對 流驅(qū) 動

18、 力 ， 促 進(jìn) 基 元 物 質(zhì) 在 界 面 運(yùn) 動 ， 有 利 于 成 核 結(jié) 晶 。蒸 汽 壓 變 高 ， 可 以 增 加 分 子 間 碰 撞 的 時 機(jī) 而 加 速 反 響填 充 度 通 常 在 50%-80%為 宜 。 3-電 解 合 成 14 電 解 液 按 其 組 成 及 結(jié) 構(gòu) 分 為 ： 電 解 質(zhì) 溶 液 、 熔 融 電 解 質(zhì)濃 度 增 大 時 ， 電 導(dǎo) 率 均 呈 現(xiàn) 先 增 加 后 降 低 的 趨 勢 。原 因 ： 在 一 定 濃 度 范 圍 內(nèi) ， 隨 著 電 解 質(zhì) 溶 液 濃 度 的 增加 ， 電 解 質(zhì) 溶 液 中 導(dǎo) 電 質(zhì) 點(diǎn) 數(shù) 量 的 增 加 占 主

19、導(dǎo) ， 因 而溶 液 的 電 導(dǎo) 率 隨 之 增 加 ； 當(dāng) 濃 度 增 加 到 一 定 程 度 后 ， 由 于 溶 液 中 離 子 間 的 距 離 減 小 ， 相 互 作 用 增 強(qiáng) ， 使 離子 運(yùn) 動 速 度 減 小 ， 電 導(dǎo) 率 下 降 。電 解 質(zhì) 溶 液 的 濃 度 如 何 影 響 電 導(dǎo) 率 ？電 極 反 響 作 為 一 種 界 面 反 響 ， 是 直 接 在 “ 電 極 /溶 液 界 面 上 實(shí) 現(xiàn) 的 。電 極 上 產(chǎn) 生 超 電 位 的 原 因 ： 濃 差 過 電 位 、 電 阻 過 電 位 、 活 化 過 電 位簡 答 知 識 點(diǎn) 15 什 么 是 電 動 勢 和 理

20、論 分 解 電 壓 ？電 動 勢 ： 在 一 個 電 化 學(xué) 反 響 器 中 ， 當(dāng) 無 電 流 通 過 時 ， 兩 電 極 之 間 自 發(fā) 產(chǎn)生 的 電 位 差 。對 電 解 池 來 說 ， 那 么 為 電 解 反 響 所 需 的 最 低 電 壓 值 ， 也 就 是 理 論 分 解 電壓 。 金 屬 的 電 位 序 有 什 么 實(shí) 用 意 義 ？由 電 位 序 可 知 ， 在 標(biāo) 準(zhǔn) 情 況 下 氫 前 面 的 金 屬 都 是 容 易 氧 化 的 金 屬 ， 氫 后 面 的是 難 氧 化 的 金 屬 ， 前 面 的 金 屬 能 把 電 位 序 表 中 排 在 后 面 的 金 屬 從 鹽 溶

21、液 中 置換 出 來 ； 可 計 算 由 任 何 兩 組 金 屬 組 成 的 電 池 的 電 動 勢 。電 解 合 成 的 根 本 原 理 是 什 么 ？通 電 前 ， 電 解 質(zhì) 中 的 離 子 常 處 于 無 秩 序 的 運(yùn) 動 中 ， 通 直 流 電 后 ， 離 子 作 定向 運(yùn) 動 。 陽 離 子 向 陰 極 移 動 ， 在 陰 極 得 到 電 子 ， 被 復(fù) 原 ； 陰 離 子 向 陽 極 移 動 ， 在 陽 極 失 去 電 子 ， 被 氧 化 。 16 什 么 是 電 解 定 律 法 拉 第 定 律 電 解 時 ， 電 極 上 發(fā) 生 變 化 的 質(zhì) 量 與 通 過 的 電 量 成

22、 正 比 ， 且 每 通 過 1F電 量可 析 出 1mol任 何 物 質(zhì) 。什 么 是 槽 電 壓 ？槽 電 壓 由 下 述 各 電 壓 組 成 ：對 抗 電 解 質(zhì) 電 阻 所 需 的 電 壓 ： 電 解 質(zhì) 像 普 通 的 導(dǎo) 體 一 樣 對 電 流通 過 有 一 種 阻 力 ， 對 抗 這 種 阻 力 所 需 的 電 壓 IR1完 成 電 解 反 響 所 需 的 電 壓 ： 該 電 壓 用 來 克 服 電 解 過 程 中 所 產(chǎn) 生的 原 電 池 的 電 動 勢 E可 逆電 解 過 程 的 超 電 壓 ， E不 可 逆對 抗 輸 送 電 流 金 屬 導(dǎo) 體 的 電 阻 和 對 抗 接

23、觸 電 阻 需 要 的 電 壓 IR2 E槽 E可 逆 + E不 可 逆 +IR1+ IR2 17 在 電 極 與 溶 液 之 間 形 成 的 界 面 上 進(jìn) 行 的 電 極 反 響 分 為 哪 幾 個 步 驟 ？反 響 物 粒 子 自 溶 液 本 體 向 電 極 外 表 傳 遞反 響 物 粒 子 在 電 極 外 表 或 電 極 外 表 附 近 液 層 中 進(jìn) 行 某 種 轉(zhuǎn) 化在 電 極 與 溶 液 之 間 的 界 面 上 進(jìn) 行 得 失 電 子 的 電 極 反 響電 極 反 響 產(chǎn) 物 在 電 極 外 表 或 電 極 外 表 附 近 液 層 中 進(jìn) 行 某 種 轉(zhuǎn) 化電 極 反 響 產(chǎn) 物

24、 自 電 極 外 表 向 溶 液 本 體 傳 遞 。電 流 密 度 如 何 影 響 著 陰 極 析 出 物 的 狀 態(tài) ？電 流 密 度 低 ： 晶 核 生 長 充 分 ， 生 成 大 的 晶 狀 沉 積 物 沉 淀 電 流 密 度 高 ： 成 核 速 率 大 于 晶 體 生 長 速 率 ， 細(xì) 的 晶 粒 或 粉 末 狀 。電 流 密 度 很 高 ： 晶 體 朝 著 金 屬 離 子 濃 集 的 那 邊 生 長 ， 呈 樹 狀 或 團(tuán) 粒 狀 。 導(dǎo) 致 H2的 析 出 ， 在 極 板 上 生 成 斑 點(diǎn) pH值 的 局 部 增 高 而 沉 淀 出 一 些 氫 氧 化 物 或 堿 式 鹽 18

25、 什 么 是 陽 極 效 應(yīng) ？端 電 壓 急 劇 升 高 ， 電 流 那 么 強(qiáng) 烈 下 降 ， 同 時 ， 電 解 質(zhì) 與 電 極 之 間 呈現(xiàn) 潤 濕 不 良 現(xiàn) 象 ， 電 解 質(zhì) 好 似 被 一 層 氣 體 膜 隔 開 似 的 ， 電 極 周 圍 還出 現(xiàn) 細(xì) 微 火 花 放 電 的 光 圈 。正 常 潤 濕 陽 極 效 應(yīng) 4-化 學(xué) 氣 相 沉 積 19 CVD過 程 中 ， 原 料 可 以 用 氣 態(tài) 源 也 可 以 用 液 態(tài) 源液 態(tài) 源 的 輸 送 方 法 ： 冒 泡 法 、 加 熱 液 態(tài) 源 、 液 態(tài) 源 直 接 注 入 法 噴 淋 法 CVD加 熱 系 統(tǒng)反 響

26、室 的 側(cè) 壁 溫 度 為 Tw， 放 置 硅 片 的 基 座 溫 度 為 Ts熱 壁 式 CVD系 統(tǒng) ： Tw等 于 Ts冷 壁 式 CVD系 統(tǒng) ： Tw小 于 Ts 冷 壁 系 統(tǒng) 能 夠 降 低 在 側(cè) 壁 上 的 沉 積 ， 減 小 了 反 響 劑 的 損 耗 ， 也 減 小壁 上 顆 粒 剝 離 對 沉 積 薄 膜 質(zhì) 量 的 影 響 。知 識 點(diǎn) 20 在 一 個 基 片 上 沉 積 多 層 薄 膜 時 采 用 模 塊 式 CVD：多 個 反 響 室 ， 不 同 薄 膜 分 別 沉 積 ， 互 不 干 擾 ； 基 片 通 過 機(jī) 械 手 在 真空 下 傳 遞 ， 不 引 入 外

27、 界 污 染 。 21 什 么 是 氣 缺 現(xiàn) 象 ？ 如 何 減 緩 這 種 現(xiàn) 象 ？在 LPCVD系 統(tǒng) 中 ， 因 為 外 表 反 響 速 度 控 制 沉 積 速 率 ， 而 外 表 反 響 速 度 又 正比 于 外 表 上 的 反 響 劑 濃 度 ， 要 想 在 各 個 硅 片 外 表 上 沉 積 厚 度 相 同 的 薄 膜 ，就 應(yīng) 該 保 證 各 個 硅 片 外 表 上 的 反 響 劑 濃 度 是 相 同 的 。然 而 對 于 只 有 一 個 入 氣 口 的 反 響 室 來 說 ， 沿 氣 流 方 向 因 反 響 劑 不 斷 消 耗 ，靠 近 入 氣 口 處 沉 積 的 膜 較

28、厚 ， 遠(yuǎn) 離 入 氣 口 處 沉 積 的 膜 較 薄 ， 稱 這 種 現(xiàn) 象為 氣 缺 現(xiàn) 象 。什 么 是 化 學(xué) 氣 相 沉 積 ？通 過 化 學(xué) 反 響 的 方 式 ， 利 用 加 熱 、 等 離 子 鼓 勵 或 光 輻 射 等 各 種 能 源 ， 在反 響 器 內(nèi) 使 氣 態(tài) 或 蒸 汽 狀 態(tài) 的 化 學(xué) 物 質(zhì) 在 氣 相 或 氣 固 界 面 上 經(jīng) 化 學(xué) 反 響形 成 固 態(tài) 沉 積 物 的 技 術(shù) 。 簡 答 和 論 述 (1)由 于 反 響 速 度 隨 著 溫 度 的 升 高 而 加 快 ， 可 通 過 在 水 平 方 向 上 逐漸 提 高 溫 度 來 加 快 反 響 速

29、 度 ， 從 而 提 高 沉 積 速 率 ， 補(bǔ) 償 氣 缺 效 應(yīng)的 影 響 ， 減 小 各 處 沉 積 厚 度 的 差 異 。(2)采 用 分 布 式 的 氣 體 入 口 ， 就 是 反 響 劑 氣 體 通 過 一 系 列 氣 體 口 注入 到 反 響 室 中 。 需 要 特 殊 設(shè) 計 的 沉 積 室 來 限 制 氣 流 交 叉 效 應(yīng) 。 (3)增 加 反 響 室 中 的 氣 流 速 度 。 當(dāng) 氣 流 速 度 增 加 的 時 候 ， 在 單 位 時 間內(nèi) ， 靠 近 氣 體 入 口 處 的 沉 積 速 率 不 變 ， 薄 膜 沉 積 所 消 耗 的 反 響 劑絕 對 數(shù) 量 也 就

30、沒 有 改 變 ， 但 所 消 耗 的 比 例 降 低 ， 更 多 的 反 響 劑 氣體 能 夠 輸 運(yùn) 到 下 游 ， 在 各 個 硅 片 上 所 沉 積 的 薄 膜 厚 度 也 變 得 更 均勻 一 些 。 化 學(xué) 氣 相 沉 積 按 照 哪 五 個 主 要 步 驟 進(jìn) 行 ？(a)反 響 物 已 擴(kuò) 散 通 過 界 面 邊 界 層 ；(b)反 響 物 吸 附 在 基 片 的 外 表 ；(c)化 學(xué) 沉 積 反 響 發(fā) 生 ， 外 表 遷 移 ；(d)局 部 生 成 物 已 擴(kuò) 散 通 過 界 面 邊 界 層 ；(e)生 成 物 與 反 響 物 進(jìn) 入 主 氣 流 里 ， 并 離 開 系

31、統(tǒng) 雷 諾 數(shù) 如 何 判 斷 流 動 的 方 式 ？Re2100, 湍 流 24 什 么 是 定 向 凝 固 ？在 材 料 局 部 熔 化 狀 態(tài) 下 ， 通 過 移 動 固 液 界 面 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 晶 體 特 定 方 向 生 長 。途 徑 ： 采 用 強(qiáng) 制 手 段 ， 在 凝 固 金 屬 和 未 凝 固 金 屬 熔 體 中 建 立 起 特 定 方 向 的溫 度 梯 度 ， 從 而 使 熔 體 沿 著 與 熱 流 相 反 的 方 向 凝 固 ， 最 終 得 到 具 有 特 定 取向 柱 狀 晶 。 5-定 向 凝 固 二 元 合 金 的 凝 固 過 程 中 固 液 界 面 液 相 區(qū)

32、內(nèi) 形 成 成 分 過 冷 條 件 ？1. 由 于 溶 質(zhì) 原 子 在 液 相 中 固 溶 度 固 相 中 固 溶 度 ， 當(dāng) 單 向 合 金 冷 卻 凝 固 時 ，溶 質(zhì) 原 子 被 排 擠 到 液 相 中 去 ， 在 液 相 一 側(cè) ， 形 成 溶 質(zhì) 原 子 的 富 集 層 。 隨 著 離開 固 液 界 面 距 離 增 大 ， 溶 質(zhì) 質(zhì) 量 分 數(shù) 逐 漸 降 低 。2. 在 凝 固 過 程 中 ， 由 于 外 界 冷 卻 作 用 ， 在 固 液 界 面 固 相 一 側(cè) 不 同 位 置 上 的 實(shí)際 溫 度 不 同 ， 外 界 冷 卻 能 力 強(qiáng) ， 實(shí) 際 溫 度 低 ； 相 反 實(shí)

33、 際 溫 度 高 。 如 果 在 固 液界 面 液 相 一 側(cè) ， 溶 液 中 的 實(shí) 際 溫 度 低 于 平 衡 時 液 相 線 溫 度 ， 出 現(xiàn) 過 冷 現(xiàn) 象 ，形 成 固 相 的 可 能 性 而 影 響 界 面 的 穩(wěn) 定 性 。 如 何 判 斷 液 固 界 面 穩(wěn) 定 性 對 平 界 面 、 胞 晶 、 枝 晶 形 態(tài) )？晶 體 生 長 過 程 中 假 設(shè) 不 存 在 成 分 過 冷 ， 當(dāng) 平 直 的 固 液 界面 上 產(chǎn) 生 凸 起 ， 過 熱 的 環(huán) 境 會 將 其 熔 化 ，平 面 界 面 繼 續(xù) 保 持 。假 設(shè) 界 面 前 沿 存 在 成 分 過 冷 ， 界 面 前沿

34、 形 成 的 凸 起 會 因 為 處 于 過 冷 區(qū) 而 開展 ， 平 界 面 失 穩(wěn) ， 導(dǎo) 致 樹 枝 晶 的 形 成 。)21 LL DTTRG 27 什 么 是 液 態(tài) 金 屬 冷 卻 法 LMC法 ？ 常 用 的 液 態(tài) 金 屬 有 哪 些 ？在 快 速 凝 固 法 的 根 底 上 ， 以 液 態(tài) 金 屬 代 替 水 ， 作 為 模 殼 的 冷 卻 介 質(zhì) ， 模 殼 直接 浸 入 液 態(tài) 金 屬 冷 卻 劑 中 ， 散 熱 大 大 加 強(qiáng) ， 以 至 在 感 應(yīng) 器 底 部 迅 速 發(fā) 生 熱 平衡 ， 造 成 很 高 的 溫 度 梯 度 。實(shí) 驗(yàn) 室 ： Ga-In合 金 和 G

35、a-In-Sn合 金工 業(yè) 應(yīng) 用 ： Sn液 28 什 么 是 連 續(xù) 定 向 凝 固 技 術(shù) OCC法 ？鑄 型 溫 度 高 于 金 屬 或 合 金 液 的 凝 固 溫 度 。 鑄 型 只 能 約 束 金 屬 或 合 金 液 的 形 狀 ，而 不 會 在 其 外 表 發(fā) 生 金 屬 的 凝 固 。 凝 固 界 面 通 常 是 凸 向 液 相 的 。 這 一 凝 固 界 面形 態(tài) 利 于 獲 得 定 向 或 單 晶 凝 固 組 織 。例 如 ： 制 備 單 晶 銅 導(dǎo) 線 傳 統(tǒng) 連 鑄 與 OCC法 原 理 對 比 示 意 圖金 屬 熔 體冷 卻 水縮 孔 冷 卻 水鑄 型鑄 坯 單 向

36、凝 固 鑄 坯感 應(yīng) 線 圈加 熱 鑄 型固 液 界 面） 傳 統(tǒng) 連 鑄 原 理 ） 法 原 理 冷 卻 距 離 6-固 相 合 成 方 法 的 概 念 29 低 熱 固 相 反 響在 室 溫 或 近 室 溫 100 的 條 件 下 ， 固 相 化 合 物 之 間 所 進(jìn) 行 的 化學(xué) 反 響 。固 相 反 響 經(jīng) 歷 四 個 階 段 ： 擴(kuò) 散 反 響 成 核 生 長 低 熱 固 相 反 響 的 溫 度 很 低 ， 一 般 在 小 于 100 。 在 通 常 情 況 下 僅 需 要 反響 物 在 瑪 瑙 研 缽 中 研 磨 即 可 。固 相 反 響 一 旦 發(fā) 生 即 可 進(jìn) 行 完 全

37、， 不 存 在 化 學(xué) 平 衡 。知 識 點(diǎn) 30靠分子間力(范德華力)相連，晶格容易變形，外界分子容易地嵌入 固體分子固體 延伸固體一維固體二維固體三維固體 低維固體零維晶體 穩(wěn)定性最強(qiáng)反響活性最強(qiáng)化學(xué)鍵作用僅在分子范圍內(nèi)有效，作用最弱，分子的可移動性強(qiáng)化學(xué)鍵作用貫穿整個晶格，致密的結(jié)構(gòu)，外界物質(zhì)難進(jìn)入反響活性固 體 結(jié) 構(gòu) 對 其 反 響 性 的 影 響零 維 結(jié) 構(gòu) 一 維 結(jié) 構(gòu) 二 維 結(jié) 構(gòu) 三 維 結(jié) 構(gòu) 固 相 合 成 的 原 理 是 什 么 ？起 始 于 兩 個 反 響 物 分 子 的 擴(kuò) 散 接 觸 ， 生 成 的 產(chǎn) 物 分 子 分 散 在 母 體 反 響 物中 ， 只

38、能 當(dāng) 作 一 種 雜 質(zhì) 或 缺 陷 的 分 散 存 在 。 當(dāng) 產(chǎn) 物 分 子 集 積 到 一 定 大 小， 才 能 出 現(xiàn) 產(chǎn) 物 的 晶 核 ， 從 而 完 成 成 核 過 程 。 隨 著 晶 核 的 長 大 ， 到 達(dá) 一定 的 大 小 后 出 現(xiàn) 產(chǎn) 物 的 獨(dú) 立 晶 相 。什 么 是 固 相 反 響 的 拓 撲 化 學(xué) 控 制 原 理 ？ 液 相 反 響 中 ：反 響 物 分 子 處 于 溶 劑 的 包 圍 中 ， 分 子 碰 撞 時 機(jī) 各 向 均 等 ， 因 而 反 響 主 要由 反 響 物 的 分 子 結(jié) 構(gòu) 決 定 。固 相 反 響 中 ： 各 固 體 反 響 物 的

39、晶 格 高 度 序 排 列 ， 晶 格 分 子 移 動 困 難適 宜 取 向 的 晶 面 上 的 分 子 足 夠 地 靠 近 ， 并 提 供 反 響 中 心 ， 使 固 相 反 響 得以 進(jìn) 行 ， 這 就 是 固 相 反 響 特 有 的 拓 撲 化 學(xué) 控 制 原 理 。 顆 粒 尺 寸 對 固 相 反 響 的 影 響 ？ 32 在 固 相 條 件 下 ， 化 學(xué) 反 響 的 速 率 通 常 與 反 響 劑 的 外 表 積 成 正 比 。反 響 物 的 顆 粒 尺 寸 不 同 ， 它 們 的 比 外 表 積 及 固 體 缺 陷 結(jié) 構(gòu) 也 會 發(fā) 生變 化 。顆 粒 越 小 ， 比 外 表

40、， 反 響 截 面 ， 反 響 能 力 和 擴(kuò) 散 能 力反 響 物 粒 徑 分 布 的 影 響 ： 顆 粒 尺 寸 分 布 越 集 中 對 反 響 速 率 越 有 利 33 什 么 是 礦 化 劑 ， 礦 化 劑 對 固 相 反 響 的 影 響 ？礦 化 劑 ： 在 反 響 過 程 中 不 與 反 響 物 或 反 響 產(chǎn) 物 起 化 學(xué) 反 響 ,但 可 以 不 同 的 方 式和 程 度 影 響 反 響 的 某 些 物 質(zhì) 。礦 化 劑 作 用1.形 成 固 溶 體 ， 從 而 使 晶 格 活 化2.形 成 低 共 熔 物 ， 使 物 系 在 較 低 溫 度 下 出 現(xiàn) 液 相 ， 加 速

41、擴(kuò) 散 和 對 固 體 的 溶 解3.形 成 某 種 活 性 中 間 體 ， 處 于 活 化 狀 態(tài)4.礦 化 劑 對 反 響 物 離 子 產(chǎn) 生 極 化 ， 促 使 其 晶 格 畸 變 和 活 化 34 7-熱 壓 燒 結(jié) 熱 壓 燒 結(jié) ： 指 在 對 置 于 限 定 形 狀 的 石 墨 模 具 中 的 松 散 粉 末或 對 粉 末 壓 坯 加 熱 的 同 時 ， 對 其 施 加 單 袖 壓 力 的 燒 結(jié) 過 程 。宏 觀 定 義 ： 粉 體 原 料 經(jīng) 過 成 型 、 加 熱 到 低 于 熔 點(diǎn) 的 溫 度 ，發(fā) 生 固 結(jié) 、 氣 孔 率 下 降 、 體 積 收 縮 、 致 密 度

42、提 高 、 晶 粒 增大 ， 變 成 堅 硬 的 燒 結(jié) 體 ， 這 個 現(xiàn) 象 稱 為 燒 結(jié) 。微 觀 定 義 ： 固 態(tài) 中 分 子 或 原 子 的 相 互 吸 引 ， 通 過 加 熱 ，質(zhì) 點(diǎn) 獲 得 足 夠 的 能 量 ， 進(jìn) 行 遷 移 使 粉 末 體 產(chǎn) 生 顆 粒 粘 結(jié) ，產(chǎn) 生 強(qiáng) 度 并 導(dǎo) 致 致 密 化 和 再 結(jié) 晶概 念 35 燒 結(jié) 是 一 個 自 發(fā) 的 不 可 逆 過 程 ， 系 統(tǒng) 外 表 能 降 低 是 推 動 燒 結(jié) 進(jìn) 行 的 根本 動 力 。黏 附 作 用 是 燒 結(jié) 的 初 級 階 段 ， 導(dǎo) 致 粉 體 顆 粒 間 產(chǎn) 生 鍵 合 、 靠 攏

43、和 重 排 ，并 開 始 形 成 接 觸 區(qū) 的 一 個 原 因 。 熱 壓 燒 結(jié) 常 用 的 模 具 材 料 是 石 墨在 熱 壓 燒 結(jié) 的 擴(kuò) 散 傳 質(zhì) 過 程 中 ， 頸 部 空 位 過 剩 ， 空 位 從 頸 部 外 表 不 斷地 向 顆 粒 的 其 他 部 位 擴(kuò) 散 ， 而 固 體 質(zhì) 點(diǎn) 那 么 向 頸 部 逆 向 擴(kuò) 散 ， 到 達(dá) 氣孔 充 填 的 結(jié) 果 。 粘 滯 流 動 與 塑 性 流 動粘 性 流 動 傳 質(zhì) ： 在 在 外 力 場 如 外 表 張 力 作 用 下 質(zhì) 點(diǎn) (或 空 位 )優(yōu) 先 沿 此 作用 力 的 方 向 移 動 ， 呈 現(xiàn) 定 向 物 質(zhì)

44、流 。塑 性 流 動 傳 質(zhì) ： 如 果 外 表 張 力 足 以 使 晶 體 產(chǎn) 生 位 錯 ， 這 時 質(zhì) 點(diǎn) 通 過 整 排 原 子的 運(yùn) 動 或 晶 面 的 滑 移 來 實(shí) 現(xiàn) 物 質(zhì) 傳 遞 。 知 識 點(diǎn) 36 什 么 是 溶 解 和 沉 淀 傳 質(zhì) ？固 相 分 散 于 液 相 中 ， 并 通 過 液 相 的 毛 細(xì) 管 作 用 在 頸 部 重 新 排 列 ， 成 為 更 緊 密的 堆 積 物 ； 細(xì) 小 顆 粒 其 溶 解 度 較 高 以 及 一 般 顆 粒 的 外 表 凸 起 局 部 溶 解 進(jìn)入 液 相 ， 并 通 過 液 相 移 到 粗 顆 粒 外 表 這 里 溶 解 度

45、較 低 而 沉 淀 下 來 。什 么 是 熱 等 靜 壓 ？對 裝 于 包 套 之 中 的 松 散 粉 末 加 熱 的 同 時 從 各 個 方 向 對 試 樣 進(jìn) 行 均 勻 加 壓的 燒 結(jié) 過 程 。 壓 力 傳 遞 介 質(zhì) 為 惰 性 氣 體 。熱 壓 燒 結(jié) 過 程 中 ， 什 么 是 蒸 發(fā) 和 凝 聚 氣 相 傳 質(zhì) ？由 于 顆 粒 之 間 外 表 曲 率 的 差 異 ， 造 成 各 局 部 蒸 氣 壓 不 同 ， 物 質(zhì) 從 蒸 氣壓 鉸 高 的 凸 曲 面 蒸 發(fā) ， 通 過 氣 相 傳 遞 在 蒸 氣 壓 較 低 的 凹 曲 面 處 (兩 顆 粒 間 的 預(yù) 部 凝 聚 ，

46、 這 樣 就 使 顆 粒 間 的 接 觸 面 積 增 加 ， 顆 粒 和 氣 孔 的形 狀 改 變 ， 從 而 使 頸 部 逐 漸 被 填 充 ， 導(dǎo) 致 坯 體 逐 步 致 密 化 。 37 自 蔓 延 合 成 方 法 的 概 念利 用 化 學(xué) 反 響 放 出 的 熱 量 使 燃 燒 反 響 自 發(fā) 的 進(jìn) 行 下 去 ， 以 獲 得 具 有 指定 成 分 和 結(jié) 構(gòu) 的 燃 燒 產(chǎn) 物 。 8-自 蔓 延 高 溫 合 成自 蔓 延 合 成 的 要 求 ：1、 劇 烈 的 放 熱 反 響2、 產(chǎn) 物 的 絕 熱 燃 燒 溫 度 Ta大 于 1800K；絕 熱 溫 度 Ta大 于 產(chǎn) 物 熔

47、點(diǎn) ， 存 在 液 相 ， 反 響 易 進(jìn) 行 38 如 何 利 用 離 心 自 蔓 延 高 溫 合 成 制 備 鋼 管 陶 瓷 內(nèi) 襯 ？即 將 鋁 熱 劑 置 于 鋼 管 內(nèi) ， 旋 轉(zhuǎn) 鋼 管 ， 然 后 將 鋁 熱 劑 點(diǎn) 燃 。 鋁 熱 劑 發(fā) 生 反 響 并 放出 大 量 的 熱 ， 使 得 燃 燒 合 成 產(chǎn) 物 熔 化 。 由 于 金 屬 比 重 較 氧 化 物 大 ， 這 樣 在 離 心力 作 用 下 金 屬 和 氧 化 物 發(fā) 生 別 離 ， 使 之 氧 化 物 位 于 最 內(nèi) 層 ， 金 屬 位 于 鋼 管 和 氧化 物 之 間 ， 這 樣 制 成 的 陶 瓷 復(fù) 合 管

48、 。 SHS焊 接 陶 瓷 的 原 理 是 什 么 ？利 用 活 性 元 素 在 陶 瓷 的 界 面 處 與 陶 瓷 發(fā) 生 界 面 反 響 來 改 善 陶 瓷 的外 表 狀 態(tài) ， 以 提 高 焊 料 反 響 產(chǎn) 物 與 陶 瓷 的 潤 濕 性 。 9-SPS合 成 技 術(shù) 原 理1. 等 離 子 燒 結(jié) 技 術(shù)通 過 將 特 殊 電 控 制 裝 置 發(fā) 生 的 直 流 脈 沖 電 壓 加 到 粉 體 試 樣 上 ， 除 了 能 利用 通 常 放 電 加 工 所 引 起 的 燒 結(jié) 促 進(jìn) 作 用 放 電 沖 擊 壓 力 和 焦 耳 加 熱 外 ，還 有 效 利 用 脈 沖 放 電 初 期

49、粉 體 間 產(chǎn) 生 的 火 花 放 電 現(xiàn) 象 瞬 間 產(chǎn) 生 高 溫 等離 子 體 所 引 起 的 燒 結(jié) 促 進(jìn) 作 用 通 過 瞬 時 高 溫 場 實(shí) 現(xiàn) 致 密 化 的 快 速 燒 結(jié)技 術(shù) 。 2 等 離 子 體由 大 量 的 帶 電 粒 子 組 成 的 非 束 縛 態(tài) 的 宏 觀 體 系概 念 10-激 光 合 成激 光 是 如 何 產(chǎn) 生 的 ？把 材 料 中 處 于 低 能 級 的 電 子 送 到 高 能 級 上 ， 并 積 累 起 來 成 為 粒 子 反轉(zhuǎn) 分 布 ， 然 后 再 給 高 能 級 上 的 電 子 一 個 適 當(dāng) 的 激 發(fā) 力 量 ， 電 子 便 會突 然 從

50、 高 能 級 躍 回 到 低 能 級 ， 伴 隨 著 這 種 躍 遷 ， 原 子 會 以 光 的 形 式釋 放 能 量 ， 這 種 能 量 很 大 的 光 就 是 激 光 。激 光 的 一 些 特 性 與 材 料 合 成 的 關(guān) 系 ？利 用 激 光 的 方 向 性 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 微 區(qū) 域 的 高 溫 化 學(xué) 反 響激 光 的 單 色 性 ， 使 光 子 的 能 量 與 反 響 所 需 激 活 能 相 匹 配 ， 是 提 高 量 子 效率 的 一 個 根 本 條 件 ， 鼓 勵 某 些 化 學(xué) 反 響 。 利 用 激 光 的 高 亮 度 ， 可 以 使 它 成 為 一 種 特 殊 的 熱

51、源 ， 利 用 這 種 熱 源 直 接加 熱 、 蒸 發(fā) 、 解 離 化 學(xué) 物 質(zhì) ， 就 可 以 使 許 多 繁 雜 、 艱 難 的 化 學(xué) 操 作 變 得簡 單 可 行 。利 用 激 光 的 能 量 集 中 ， 可 以 進(jìn) 行 材 料 的 外 表 熱 處 理 和 外 表 氧 化 微 波 加 熱 大 體 上 可 認(rèn) 為 是 介 電 加 熱 效 應(yīng)由 于 微 波 是 一 種 每 秒 振 蕩 上 百 億 次 的 電 磁 場 ， 放 在 這 樣 的 電 磁 場 中 ， 分 子的 排 列 方 向 就 要 每 秒 鐘 隨 之 改 變 上 百 億 次 ， 這 樣 ， 大 量 分 子 吸 收 了 微 波

52、 的能 量 而 高 頻 率 的 劇 烈 的 轉(zhuǎn) 動 ， 便 產(chǎn) 生 了 大 量 的 內(nèi) 能 ， 使 物 體 的 溫 度 升 高 。微 波 提 高 化 學(xué) 反 響 速 率 的 主 要 原 因 ？微 波 作 用 于 反 響 物 后 ， 加 速 了 分 子 運(yùn) 動 速 度 ， 提 高 了 分 子 的 平 均 能 量 ， 即相 對 降 低 了 反 響 的 活 化 能 ， 大 大 增 大 了 分 子 的 碰 撞 頻 率 ， 從 而 使 反 響 迅 速完 成 。物 質(zhì) 與 微 波 間 的 作 用金 屬 ， 反 射 微 波 ， 常 用 作 微 波 爐 的 內(nèi) 腔 材 料 絕 緣 體 ， 反 射 或 使 微 波 穿 透 ， 可 用 作 家 用 微 波 爐 的 炊 具 、 支 架 及 窗 口 材 料 等電 介 質(zhì) ， 吸 收 微 波 ， CuO、 Fe3O4 10-微 波 合 成