第二章电性功能材料ppt课件.pptx

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1、第二章 电性功能材料,Company Logo,themegallery,内 容,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料,导电材料的分类：电子导电材料：导体、半导体和绝缘体。离子导电材料导体的电导率105 S/m，超导体的电导率为无限大；半导体的电导率为10-7104S/m ；绝缘体的电导率小于10-7S/m,第一节 导电材料,Company Logo,themegallery,电导率：,第一节 导电材料,导电材料：具有良好的导电性的材料，一般情况下电阻率在10-7-10-4m。电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料，用来制造传输电能的电线电缆，传导电信息的导

2、线、引线和布线。根据使用目的的不同，除了导电性外，有时还要求有足够的机械强度、耐磨、弹性、耐高温、抗氧化、耐蚀、耐电弧、高的热导率等。,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料,Company Logo,themegallery,导电氟胶座,导电尼龙,导电胶带,导电氟橡胶,第一节 导电材料导电材料,Company Logo,themegallery,(1) 电阻与电阻率 导体的电阻材料与长度L成正比、与断面A成反比，可表示为R=

3、L/A，是物质固有的参数，指1m3(或1cm3)材料的电阻，称为材料的电阻率，单位为m 或cm。,(2) 电阻温度系数 导体的电阻随温度的变化而变化。温度为T的电阻可表示为式中，R0为在基准温度T0的电阻, 为在基准温度T0的电阻温度系数。一般金属导体的电阻随温度升高而增大。,第一节 导电材料金属导电材料,Company Logo,themegallery,金属的电阻与电阻率,最常用的三种金属导电材料：铜、铝、铁，它们的主要用途是制造电线电缆。,金属导电材料应具备的条件：电导率大、易连接、较大的抗拉强度、易弯曲、容易加工成型、耐腐蚀、产量大、价格低等。,第一节 导电材料金属导电材料,Compa

4、ny Logo,themegallery,1、铜及铜合金：,玫瑰红色金属，柔软、有金属光泽，导电性（仅次于银）和导热性好，富于延展性，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼。主要用途：电弹簧、电刷、插头。,第一节 导电材料金属导电材料,2、铝及铝合金：,Company Logo,themegallery,银白色轻金属，资源丰富，价格便宜，质量小。主要用途：送电线，配电线。,3、金及金合金,延展性在金属中是最高的，良好的导电性，极强的抗蚀能力。主要用途：作为金膜或金的合金膜用于集成电路中布线，芯片粘结，半导体封装等。,4、银及银合金,延展性仅次于金，具有最高的电导率。主要用途：触点材料。,第一

5、节 导电材料电极,电极：电容器的重要组成部分，它在电容器中起着形成电场，聚集电荷的作用。,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料电极,电极材料的主要要求： 应具有优良的导电性能，体积电阻率要小； 具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并且对介质材料的老化、催化作用要小； 应有良好的机械性能。如不易变形、压延性和柔韧 性要好、抗拉强度高、与电容器工艺匹配； 密度小，热导率大； 易于焊接，具有适当的熔点和沸点； 材料来源广泛，价格便宜。,themegallery,第一节 导电材料电极,电极蒸发材料：铜(易氧化)、银(贵)、镉(贵)、铝、锌、锡铝：铝膜导电性好，功耗

6、低，耐腐蚀，沸点高，易于沉积。锌：一般用作金属化纸介电容器。锌膜易氧化、电阻率大、易被腐蚀。锡：一般作为蒸镀Zn的打底材料，性质较为稳定。,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料厚膜导电材料,厚膜集成电路：在陶瓷等绝缘基片上，用厚膜工艺制作厚膜无源网络，然后连接二极管、三极管或半导体集成电路芯片，构成一定功能的电路就是厚膜集成电路。厚度为7um-40um之间。,Company Logo,themegallery,丝网印刷工艺,第一节 导电材料厚膜导电材料,Company Logo,themegallery,厚膜导电材料：作为元件之间的互连线、厚膜电容的上下电极及外

7、引线的焊区等。厚膜导电材料应具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊点有良好的机电完整性、与基体的粘附牢固等特点。,第一节 导电材料厚膜导电材料,Company Logo,themegallery,贵金属：如金、银-金以及银、铂、钯的二元或三元合金。现在常用的浆料是含贵金属的厚膜导电材料浆料。特点：有很好的导电性，工艺简单，可在空气中烧成， 工艺敏感性差，重复性好， 导电膜性能稳定。 贱金属：常见的有铜、镍-硼、铝-硼等。 优点：电阻低、可焊件和抗焊溶性好、无离子迁移等。 缺点：工艺要求很高，老化性能不如贵金属好。,厚膜导电浆料：由导电相（又称功能相）、粘结相、有机载体组成。导电相：贵金属、贱金属。

8、,第一节 导电材料薄膜导电材料,薄膜集成电路：将整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感元件以及它们的互连线，全部用厚度在1m以下的金属、半导体、金属氧化物、多种金属混合相、合金或绝缘介质薄膜，并通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺制成的集成电路。薄膜导电材料：电路内部元器件的互连线、薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等。主要要求：导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。,Company Logo,themegallery,第一节 导电材料薄膜导电材料,Company Logo,themegallery,蒸发法：在真空下，把

9、蒸镀材料放置于坩埚内加热熔化(或升华)，产生的蒸汽原子(或分子)向周围运动，当碰到温度较低的基体时，凝结在基体表面上形成镀膜的方法。,第一节 导电材料薄膜导电材料,Company Logo,themegallery,溅射法：在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。,第一节 导电材料薄膜导电材料,分类：单元素薄膜和多层薄膜。,Company Logo,themegallery,单元素薄膜-铝膜：用作电容器的电极、电阻器的端头、电感器螺旋导电带、多层布线。通常采用

10、真空蒸发制备。,优点导电性好，成膜工艺简单，无需用别的金属打底；与硅铝丝、金丝的可焊性好，成本低。由于它表面易氧化，有利于提高多层布线的层间绝缘性。缺点 抗电迁移能力较弱； 与金形成脆性的金属间化合物，造成焊点脱开，影响元件和电路的可靠性； 铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难。,第一节 导电材料薄膜导电材料,薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导电材料是多层薄膜。多层薄膜一般包括底层和顶层两部分。底层：也称为粘附层，主要起粘附作用，使顶层导体膜能牢固地附着在基片上；用易氧化的金属，以便与基片中的氧形成化学键。顶层：起导电和焊接作用，采用导电性好，化学稳定性高的金属。 用得最多的多层薄膜：铬-金薄

11、膜 钛-金薄膜、钛-钯-金薄膜和钛-铂-金薄膜等其它导电薄膜,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-电阻材料,Company Logo,themegallery,电阻材料：常用的电阻器、片式电阻器、混合集成电路中的薄膜和厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料。主要功能是调节和分配电能，用作分压、调压、分流、发热及滤波器件。包括线绕电阻材料、薄膜电阻材料和厚膜电阻材料。,性能指标：电阻率：膜电阻（方阻）： 单位：/电阻温度系数：表示温度每改变1时电阻值的相对变化量,第二节 电阻和电热材料-线绕电阻材料,结构：用电阻合金线绕制在陶瓷或其它绝缘材料的骨

12、架上，表面涂以保护漆或玻璃釉。电阻合金线通常是用元素周期表中第 IB、VIB、VIIB和VIII族各金属元素(如 Cu、Ag、 Au、 Cr、 Mn)的合金经拉伸而制成。特点：电阻率高，阻值精确 (5 56 k)；阻温系数小，使用温度宽；耐热性高， 功率范围大；稳定性好，噪声小；耐磨。缺点：体积较大、自身电感大，使高频性能差、时间常数大。 只适用于频率在50 kHz以下的电路。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-线绕电阻材料,贱金属电阻合金线：1. 锰铜：电阻稳定性好，阻温系数小。使用温度范围窄，一般用于室温范围中低阻值的精密线绕电阻器。2. 康铜：耐

13、热性好，使用温度宽，阻温系数大，大功率电阻。适于交流精密电阻器和电位器绕组等。3. 镍铬： 较高电阻率，宽使用温度，阻温系数大。主要用于制作中、高阻值的普通线绕电阻器和电位器。4. 镍铬多元合金：电阻率高，阻温系数小，耐磨性好，适合高阻值的精密线绕电阻器或电位器。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-线绕电阻材料,贵金属电阻合金线：接触电阻小，低噪，耐磨性好。常用的贵金属电阻合金线包括铂基合金线、钯基合金线、金基合金线和银基合金线。用它们制成的电阻合金线具有良好的化学稳定性、热稳定性和电性能。主要用于制作精密线绕电阻器和电位器，以及一些高性能的、长寿命的

14、、特殊要求的线绕电阻器和电位器。,Company Logo,themegallery,近年来，电阻器和电位器正向着高精度、高稳定、高可靠、长寿命、小型化、高（或低）阻值、宽温度域等方向发展。,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,非线绕电阻器：用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解、烧渗、网印、喷涂、烧结等方法制得电阻体，再加上引出线、保护层以及适当的处理而制得的电阻器。薄膜电阻材料：制得的电阻体为膜厚在1m以下的薄膜。要求：电阻率范围宽，温度系数小，电压系数低，噪声电平小，高频性能好，使用温度范围宽，工艺性能好，使用的稳定性和可靠性高。另外，对恶劣环境中使用的电阻器，还有一些特殊要求。,Comp

15、any Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,Company Logo,themegallery,碳膜：碳膜是用碳氢化合物，如甲烷、庚烷、苯等在 8501100 温度和 12Pa大气压下进行热分解，在绝缘陶瓷基体上沉积所得。正常情况下，是致密而带金属光泽的类石墨结构。改变碳膜厚度和用刻槽的方法变更碳膜的长度，可以得到不同的阻值。特点：碳膜电阻器阻值范围宽，较好的稳定性，温度系数不大且是负值，是目前应用最广泛的电阻器。由于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻高压电阻器。,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,硅碳膜：为提高碳膜工作温度和电性能，常在碳膜中加硅

16、制造出碳硅膜。碳硅膜具有耐高温、耐潮和耐腐蚀的特性。制备条件：含硅的有机物、碳氢化合物同时加热分解而成，也可通过依次热分解硅的有机物和碳氢化合物制得。结构：底层-硅碳层，玻璃相SiO2+C，增加对基体的附着；中间层-导电层，接近纯碳膜，渗入少量SiO2外层-保护层，SiO2及少量B-SiC,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,金属氧化膜（以锡锑氧化膜为例）工艺：将锡锑卤化物溶液喷涂到灼热的(700 )基体上，经水解反应而沉淀出金属氧化物薄膜。另外，也可用蒸发法、溅射法、浸渍法和涂敷法成膜。特点：由于其本身即是氧化物，所以高温下稳定，耐热冲击

17、，负载能力强。但其在直流下容易发生电解使氧化物还原，性能不太稳定。B2O3 -提高电阻值，降低阻温系数；Al2O3-同上，性能稳定；TiO2 -电阻增大20200倍，阻温系数变化不大；Sn-In-阻值提高1530倍；Sn-Fe-阻值提高10倍。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,蒸发金属膜：金属膜电阻器是用以铬硅系为主要成分的合金粉真空蒸发而成。特点：金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声， 温度系数小，金属膜电阻由于结构不均匀，因此使他的脉冲负载能力差。化学沉积金属膜：借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用，从而使金属离子还原沉积

18、在自催化表面上的一种镀覆方法。 。特点：由于化学沉积膜的电阻可以很低，可弥补精密金属膜电阻的低阻部分，由于化学膜反应时产生大量氢气使镀膜多孔，使其防潮性较差。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-薄膜电阻材料,镍铬薄膜电阻：性能稳定、阻值精度高、电阻率高、阻值范围宽、电阻温度系数小。如果掺入适量 Al、 Cu、 Mn、Si、Be等，可以降低电阻温度系数，提高耐热性，增强耐磨能力。薄膜主要用于小型精密电阻器、片状电阻器、精密电阻网络等。钽基电阻薄膜：性能稳定，用于制作钽基薄膜集成电路。有氮化钽、铝钽、钽硅等多种化合物和合金薄膜。复合薄膜材料：不同薄膜叠合构

19、成的电阻薄膜。可通过组合来克服单层薄膜的电阻温度系数大、稳定性差的缺点。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-厚膜电阻材料,厚膜电阻材料：用厚膜电阻浆料通过丝网印刷、烧结在绝缘基体上形成一层较厚的具有电阻特性的膜。优点： 可直接形成电路图形，适于大量生产片式电阻器； 膜层较厚，具有很高的稳定性； 电阻体与基体的附着力强，可靠性高； 电阻率范围较宽，高频性能好，耐脉冲负荷，寿命长； 导体层、电阻层、绝缘层、介电层及其他功能层都可以印刷成膜，容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基片； 设备简单，投资少。,Company Logo,themegall

20、ery,第二节 电阻和电热材料-厚膜电阻材料,常用功能相：碳粉：在酚醛树脂中固化制备。导电性不高，且耐热性不好，所以该种电阻浆料应用范围窄。银/钯电阻：导电相主要是钯、银及氧化钯三种。在烧结过程中银和钯合金化，并使电阻体形成网络结构。烧成温度690720，实用阻值在1005104/范围。工艺再现性差，还原气氛中，氧化钯的还原会导致电阻器性能的不稳定，阻值大幅度降低。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-厚膜电阻材料,钌系：当前厚膜电阻材料中使用最广泛、最受欢迎的材料之一。电阻膜层稳定性、工艺性好，阻值范围宽、电阻温度系数小，抗还原气氛性强,烧成膜表面光滑

21、，接触噪声小，耐磨性强。钌粉价格昂贵，限制了二氧化钌系电阻浆料使用范围，常作为导电相的钌酸铋、钌酸铅。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-电阻材料,线绕精密电阻合金向高精度、高可靠性方向发展；电阻合金向高阻值、超细化、薄膜化方向发展；薄膜电阻的无铅化、低钌或不含钌化发展；电阻材料和电阻元件制造一体化；低成本、绿色化。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-电热材料,电热材料：利用电流热效应的材料。一般应用于电热器。性能要求：高电阻率和低的电阻温度系数，在高温时有良好的抗氧化性，并有长期的稳定性，有足够高的高温强度，

22、易于拉丝。分类：金属型和非金属型。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-电热材料,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-金属电热材料,贵金属及其合金：铂、铝铂、铜铂、铂铱合金等，铱易挥发和氧化，能显著地提高铂的耐腐蚀性，具有高硬度、高熔点、高耐蚀能力和低的接触电阻。重金属及其合金：钨等，可用于工业炉中。镍基合金：铬镍合金、铬镍铁合金等。这类合金的特点是以氧化铬构成表面保护膜，耐蚀性强，高温强度高，成型加工和焊接性能好。缺点是价格高。高电阻电热合金、高温合金、精密合金、耐热合金、特种合金、不锈钢等都是常见和常用的镍铬合

23、金.,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-金属电热材料,铁基合金：铁铬铝合金、铁铝合金等。具有高的电阻率和硬度，密度较小（6.57.2g/mm3)，抗振动和抗冲击性能良好。在450和700左右分别有脆化区，在高温下长期使用，晶粒容易粗化，因而高温抗蠕变性能和室温韧性较低，但电阻率高，抗氧化性良好，且价格便宜，因而应用广泛。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-非金属电热材料,碳化硅：具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能是已知陶瓷材料中最

24、佳的，其高温强度可一直维持到1600。缺点是断裂韧性较低，即脆性较大。碳化硅粉易升华分解，一般碳化硅陶瓷都是用粉末冶金法制备。二硅化钼：具有金属与陶瓷的双重特性，是一种性能优异的高温材料。极好的高温抗氧化性，抗氧化温度高达1600以上。主要应用作发热元件、集成电路、高温抗氧化涂层及高温结构材料。,Company Logo,themegallery,第二节 电阻和电热材料-非金属电热材料,石墨：耐高温性好，导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。韧性好。一般在还原性气氛或真空下使用，最高温度可达3000 。,Comp

25、any Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,无机非金属导电机制： 电子导电：载流子是电子或电子空穴； 离子导电：载流子是离子或离子空位。离子电导机理： 离子晶体的导电机理 本征导电 杂质导电 玻璃的导电机理,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,离子晶体的导电机理：源于晶体点阵的基本离子的运动，称为固有离子电导(或本征电导)，这种离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷(肖特基缺陷、弗伦凯尔缺陷)。由固定较弱的杂质离子的运动造成的，因而常称杂质电导。 在没有外场时，这些缺陷作无规则的运动，不产生宏观电流；但是当有外场存在时，外电场对它们

26、所带的电荷产生作用，使离子沿一定的方向运动，从而产生宏观电流。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,导电性离子都是那些离子半径较小，原子价低的离子，这些低价离子在晶格内的键型主要是离子键。由于离子间的库仑引力较小，在化学势梯度或电势梯度的作用下，通过间隙或空位容易发生迁移。 Li+，Ag+ 等阳离子在室温下就呈现出高的离子导电性；而像F-、O2-等阴离子，由于半径大，仅在高温下才能显示出离子导电性。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,玻璃的导电机理：某些离子在玻璃网络中的可动性造成的。例如： 钠玻璃中钠离子在二氧

27、化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，造成电流流动，类似于杂质导电。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,离子导电的影响因素1. 温度的影响： 随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。低温下杂质电导占主要地位（曲线1），这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故；高温下固有电导起主要作用（曲线2），因为热运动能量的增高，使本征电导的载流子数显著增多。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,2. 离子性质及晶体结构的影响：通过改变导电激活能实现： 离子晶体的熔点及离子半径； 晶体结构 电导率随活化能按指数规律变

28、化，活化能与晶体结构有关。熔点高的晶体，活化能高，电导率低。 一价正离子尺寸小，电荷少，活化能小，故迁移率较高。 晶体的结构状态对离子活化能也有影响。结构紧密的离子晶体，可供移动的间隙小，间隙离子迁移困难，即活化能高，电导率较低。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,3. 点缺陷的影响要具有离子电导的特性，必须具备以下条件：1）电子载流子的浓度小；2）离子晶格缺陷浓度大并参与电导。晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键。影响晶格缺陷生成和浓度的主要原因是：1）由于热激励生成晶格缺陷；2）不等价固溶掺杂形成晶格缺陷；3）离子晶体中正负离子计量比随气

29、氛的变化发生偏离，形成非计量比化合物，因而产生晶格缺陷。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,快离子导体：具有较大的离子电导率，活化能小的物质，其电导率可以和强电解质或熔盐相比拟，又称超离子导体。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,快离子导体的离子传输模型： 紊乱跃迁理论 畴壁迁移机理 途经几率学说 亚晶格液态模型 自由态离子模型,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,亚晶格液态模型理论： 迁移离子亚晶格内存在大量空位和无序度，把这套亚晶格作为液体或类似液体，而另一种亚晶格仍

30、保持固定的刚性构型，即基体亚晶格。这样它们宏观上的行为像固体，但是可流动的亚晶格离子具有液体（像熔盐）一样的性质。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,非密堆积性的晶体结构和包含亚晶格缺陷。这种结构中存在一些与流动离子直径相仿的隧道或通路，处于一种亚晶格上的离子在隧道或通路中居留并运动。在隧道或通路中可以被这些离子占据的位置比所存在的离子数要多，或者所占据的位置是任意的而不是有序的。除了结构上的原因之外，在离子迁移过程中还伴随着很多迁移离子的协同运动。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,离子传导的通道类型：一维传

31、导指的是晶体结构中的传输通道都是同一指向的，这种传导特征都出现在具有链状结构的化合物中；如四方钨青铜。二维传导指的是离子在晶体结构中的某一个面上迁移，这种传导特征都出现在层状结构的化合物中；如Na-Al2O3快离子导体；三维传导的特点是，在某些骨架结构的化合物中，离子可以在三维方向上迁移，因而传导性能基本上是各向同性的。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,Company Logo,themegallery,体心立方晶格导电通道,面心立方晶格导电通道,晶格导电通道概貌,第三节 快离子导体材料,Company Logo,themegallery,与晶态物质

32、相比，在非晶态离子导体结构网络内，没有明确而特定的离子传输通道，所以非晶态离子导体的传输性能是各向同性的。,第三节 快离子导体材料,分类：阳离子导体和阴离子导体。1. 银、铜离子导体,Company Logo,themegallery,-AgI的晶体结构,-AgI为典型的体心立方，I-位于晶格点阵上，而2个Ag+则随机分布在I-亚晶格内的四面体间隙位置上，可被Ag+占据的位置要比能实际存在的Ag+多，可以再亚晶格形成的隧道中移动，从而产生高的Ag+电导率。,第三节 快离子导体材料,银、铜离子导体还包括：CuBr、CuI、AgS、AgSI、RbAg4I5等。特点：电导率高，稳定温度范围窄，价格贵

33、。如： -AgI的相变温度为146，使用离子置换方法，取代部分I-后才能在室温下使用。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,2. Na离子导体Na-Al2O3具有六方层状晶体结构，O2-按六方密堆积排列，适量的Al3+占据四面体和八面体位置，构成氧铝基块，基块之间由Na+连接。Na-O结合松散，且只占据了少量的位置，容易在Na-O层中扩散，导致在层状平面内产生较大的导电率。,Company Logo,themegallery,Na-Al2O3的单位晶胞,铝氧基块及其中间的Na-O桥层,第三节 快离子导体材料,3. 锂离子导体 锂离子导体按离子传输的通道分

34、为一维、二维、三维传导三大类。一维传导：有-锂霞石 (-LiAlSiO4) 和钨青铜结构LixNbxW1-xO3固溶体。锂离子的迁移通道平行于c轴。二维传导：有Li-A12O3和Li3N及其它锂的含氧酸盐，锂离子迁移一般发生在层状结构中。Li-A12O3和Li3N晶体中，Li+在垂直于c轴方向的a-b面上迁移。 二维传导的锂离子导体的迁移途径较多，电导率较高。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,三维传导：骨架结构，迁移通道更多，由于传导性更好，又是各向同性，因而引起更多兴趣和更多的研究。 Li24Zn(GeO4)4 是具有三维传导性能最好的快离子导体。

35、在300时电导率为0.125S/cm，并兼有烧成温度低(1100-1200)、制备方便等优点。但它对熔融锂不稳定，对CO2和H2O很敏感，因此使应用受到限制。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,4. 氢离子导体(质子导体)质子在固体中的传导可以分为两类：在具有氢键的化合物 (如杂多酸、有机氢离子导体) 中通过质子的跃迁并伴随着分子的转动而传导；另一类是在没有氢键的化合物 (如黏土系统、质子-A12O3)中通过质子的间隙运动而传导。5. 氧离子导体 以氧离子 (O2-) 为主要载流子(或导电性离子)的快离子导体，称为氧离子导体。在已发现的氧离子导体中，主

36、要是适用于600-1600和中、高氧分压区间的萤石型和钙钛矿型结构的氧化物。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料, 萤石型结构的氧离子导体在萤石结构中阳离子(Zr4+)位于阴离子(O2-)构成的简单立方点阵的体心，配位数为8。由于阴离子构成的简单立方点阵的体心部位只有一半被阳离子占据，所以在这种结构中存在空位，有利于离子迁移。,Company Logo,themegallery,O2-A4+,第三节 快离子导体材料,ZrO2基固溶体：纯ZrO2没有离子导电性，而且还会由于相变引起烧结体开裂。防止相变引起的开裂，可在ZrO2中加入少量碱土金属氧化物(MgO

37、、CaO等)或稀土氧化物(Y2O3、CeO2等)，使ZrO2稳定为萤石结构的立方固溶体。 在防止开裂的同时，晶体结构中产生了大量的O2-空位，在电场或外压力下， O2-可通过氧空位扩散而导电，但其间只允许O2-通过，其他气体离子因离子半径及电价的不同则不能通过氧空位参与导电。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,(2) 钙钛矿型结构的氧离子导体 钙钛矿型结构氧化物ABO3 (A=M2+或M3+， B=M4+或M3+)，中的A或B被低价阳离子部分取代时，为保持晶体的电中性，也会产生O2-空位，从而出现O2-传导，而成为离子导体。,Company Logo,

38、themegallery,第三节 快离子导体材料,钙钛矿型结构不像萤石结构在晶胞中心有很大空隙，因而对O2-迁移不利，所以钙钛矿型结构固溶体的O2-传导性不如萤石结构固溶体。ABO3型氧离子导体主要有以CaTiO3、SrTiO3和LaAlO3为基的三个系统。 钙钛矿型氧离子导体的烧结温度较低(约为1400)、易于制造、价格低廉。缺点是离子迁移数不够高，从而影响输出功率。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,快离子导体的应用：1. 硫纳电池：高温可充电电池，工作温度在270350，负极活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为熔融的单质硫，正负极之间采用固体电解

39、质-Al2O3。 在钠硫电池系统中，充放电过程如下：,Company Logo,themegallery,具有长的循环寿命，高能量，高功率密度，100%的库仑效率，便于现场安装维护，材料来源容易，价格适当。,第三节 快离子导体材料,2. 高温燃料电池： 燃料电池是能够持续的通过发生在正极和负极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂。 燃料电池由正极、负极和离子导电的电解质构成。燃料在负极氧化，氧化剂在正极还原，电子从负极通过负载流向正极构成电回路，产生电流。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,氢氧燃

40、料电池是比较成熟的燃料电池。它是以氢气为正极，氧气为负极构成的燃料电池。它具有装置美观，材料廉价，操作简单，安全，高效，无污染等优点。 一般在800-1000 工作的燃料电池可以采用氧离子导体作为电解质。,themegallery,第三节 快离子导体材料,3. 低能量电池 要求重量小、体积小、电压稳定、寿命长。采用固体电解质的低能量电池寿命长。 可分为银、铜、锂、氟离子等固体电解质电池。锂离子电池：具有高比能量、长循环寿命、较宽的工作温度范围、高可靠性等优点。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,4. 氧传感器 氧(O2)传感器使用氧离子导体构成的浓差电

41、池。电池一端为已知氧分压的参考电极，另一端的氧分压就可以从电池电动势的测量中算出来。 用以检测排放气体中的氧气浓度；可以测量钢液中的氧含量；可用于环境保护、分析和监控大气污染；可用于汽车尾气监控。,Company Logo,themegallery,第三节 快离子导体材料,5. 电化学器件 利用离子在外电场或浓度梯度作用下的定向运动的定量规律，可制成信息转换、放大、传输、控制元件。 如库仑计、电化学开关、压敏元件、气敏传感器、标准电池、双电层电容器、氧泵等。,Company Logo,themegallery,库仑计的原理,第四节 导电薄膜,导电薄膜在薄膜元器件中占到50%以上，在薄膜混合集成

42、电路中具有突出的作用。导电薄膜的要求： 具有良好的导电性，方阻不大于0.04/cm； 与基片材料、介质材料、电阻材料粘附性好； 能承受较大的电流密度，不发生明显的电迁移； 与硅材料及薄膜电阻的端头能形成良好的欧姆接触； 可电镀加厚，能经受高温处理； 原料成本低廉，沉积和制造工艺简便、经济。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,单一金属薄膜导体：金膜：优良的导电性能，化学稳定性好，可以电镀加厚，焊接性能好。但是与基片附着力差，通常先沉积一层与基片附着力强的金属薄膜打底。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,银膜：优良的导电性能。

43、但是容易氧化和硫化，在水汽作用下会引起大量的银离子迁移，与其它材料的端接处容易发生断裂。铜膜：价格便宜。但是在空气中易氧化，经常在复合膜中作过渡层材料。铝膜：优良的导电材料，易于蒸发，易于光刻腐蚀，与金丝、铝丝容易键合，与基片、介质薄膜附着牢固，与电阻薄膜接触良好，常作为端接材料。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,复合金属薄膜导体：铬-金：铬与基片具有良好的附着作用，但是电阻太高，经常作为“过渡”金属。镍-铬-金：铬和金的附着差，焊接时容易分离使电路失效，使用镍过渡形成镍铬合金，可以避免这一问题。镍-钯-金：钯提高金和镍的附，形成金和焊锡之间的阻隔层。钛-

44、金：钛耐磨性、耐高温性好，可作为金膜的保护层。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,薄膜电阻材料：高的电阻率和低的温度系数。单组分金属：对于一些难熔金属，电阻率较高，如钽、铬、铼、钛等，可以作为电阻材料来使用。钽膜：目前混合电路中应用最广泛的材料，即可作为电阻材料也可作为电容材料。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,合金材料：增加单元素金属的电阻率。主要用于集成电路、压力传感器等。镍铬合金：容易制造，工艺成熟，性能稳定，温度系数和噪音小。方阻范围10-300 /，温度系数为200 10-5/。铬钴合金：温度系数小，抗腐蚀能力

45、强。铍镍合金：温度特性好，耐高温，耐磨损，方阻范围宽。镍磷合金：耐化学腐蚀性、耐磨性好，方阻范围宽，可弥补低阻和高阻范围的不足。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,金属-陶瓷材料：由金属和氧化物组成的电阻膜。最常用的是铬-氧化硅电阻膜。铬-氧化硅电阻膜：控制铬的含量，可得到各种电性能材料。如随铬增加，电阻率下降，电阻温度系数可从负数逐渐变到正值，一般方阻35k，电阻温度系数(100150)10-6/。但是方阻分散性大、重复性差，不能制造精密的电阻器。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,透明导电薄膜：导电性好，可见光透射性好

46、并且具有良好的红外反射性。 一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光范围具有80 % 以上的透光率，其电阻率低于110-4 cm，即是良好的透明导电膜。 在电子领域(如平板显示器、太阳能电池、光开关等)和光学领域(如防红外膜、节能膜、选择投射膜等)有广泛的应用。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,分类：可分为金属膜和氧化物半导体膜。金属膜：包括Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh等.这些膜在 10nm厚度时，均有某种程度的可见光透光度，但是金属膜光的吸收度大、硬度低、稳定性差。早期使用于透明电极。,Company Logo,themeg

47、allery,第四节 导电薄膜,氧化物半导体膜：泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟化物。 氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiN等。 掺杂氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO)、 ZnO:Al (AZO)、SnO2:F等。 混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4等。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,铟锡氧化物ITO： 90wt% In2O3+10wt% SnO2混合物，优点：在氧化物半导体膜材料中有最佳的导电性，在可见光波段有良好的透光度，受环

48、境影响小，面积镀膜容易、工艺成熟，易于蚀刻，成本低。主要应用：平面显示器、透明加热元件、抗静电膜、电磁防护膜、太阳能电池之透明电极、防反光涂布及热反射镜等电子、光学及光电裝置上。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,ZnO系透明导电膜：主要成员：ZnO (35 10-4 cm)ZnO:In (IZO) (24 10-4 cm )ZnO:Ga(GZO) (1.210-4 cm)ZnO:Al (AZO) (1.310-4 cm)ZnO:Ti特点：ZnO矿产产能大；价格比ITO 便宜( 200% cost saving)；部分AZO靶材可在100% Ar环境下成膜，

49、制备控制容易；耐化学腐蚀性比ITO 差，通常以添加Cr、Co 于ZnO系材料中來提高其耐化学腐蚀性。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,Company Logo,themegallery,Touch Panel,第四节 导电薄膜,Company Logo,themegallery,Solar cell,电致变色玻璃,第四节 导电薄膜,导电薄膜的制备：将薄膜材料转移到衬底表面，形成结合牢固的膜。包括源蒸发、迁移和凝聚三个环节。源蒸发：将镀膜的材料转变成气态物质；迁移：一般在真空或惰性气氛中进

50、行，并施加电场、磁场或高频等外界条件进行活化，提供气态物质反应的活化能；凝聚：薄膜在衬底上成核、长大。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,薄膜生长的四个阶段 ：成核：在此期间形成许多小的晶核，按统计规律分布在基片表面上；晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶体的形状；岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。,Company Logo,themegallery,第四节 导电薄膜,物理气