2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体表面张力（表面能）

半导体表面张力（表面能） 半导体表面张力（表面能） 物质表面质点比内部质点具有较高能量，这个比内部质点多余的能量称表面能。 作用于表面单位长度上的力即为表面张力。与表面能的数值相同，单位分别是牛顿/米或焦/米2。 1. 表面张力与温度关系 熔体表面张力随温度升高而下降，两者几乎成直线关系。温度升高，质点运动加剧，质点间距离增大，相互作用力减弱，使内部质点能量与表面质点能量差距减少 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 表面张力与组成和结构关系 化学键性对表面张力有很大影响：金属键熔体表面张力最大，共价键次之，离子键再次之，分子键最小 二元硅酸盐熔体表面张力处于离子键和共价键之间，表明熔体中二种类型键都存在 硅酸盐熔体随组成变化，其复合阴离子团的大小，形状和作用力矩Z/r大小发生变化（Z-阴离子团所带电荷）。O/Si越小，复合阴离子团越大，Z/r值变小，相互作用力变小。复合阴离子团被排挤到熔体表面，表面张力下降，碱金属离子析出自由氧使硅氧负离子团解聚而增加表面张力 SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, Li2O等无表面活性，增加表面活性，而B2O3, P2O5, K2O, PbO等具有表面活性，会富集在表面层而降低表面张力 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 玻璃形成方法 1.熔体冷却法 将玻璃原料加热、熔融、冷却形成玻璃态物质 在熔体冷却到常温过程中能否保持其远程无序结构取决于熔点以下熔体过冷而不引起成核与结晶的能力 传统玻璃通常在常规条件下冷却，不需要复杂的冷却设备，目前玻璃工业中普遍采用这种方法，绝大多数玻璃产品都是这种方法生产 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 对于很容易析晶的玻璃体系，如金属玻璃，常规的冷却速度尚无法保证冷却过程中不析晶，目前发展了一些超快速冷却方法： 喷枪法：在一个冲击喷管中通以高压氦气把一小滴熔融金属喷射到冷却的铜衬底上而形成玻璃态薄箔。 轧辊急冷法：在两个高速旋转的旋转轮之间滴入熔液轧平并急冷成均匀的长试样，可获得玻璃态的连续带材 等离子喷射法、滚筒急冷法、激光自旋熔化和自由落下冷却法等都可达到106K/s的冷却速度 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 ２.液相析出法 溶胶-凝胶技术是近年来发展非常迅速的一种低温制备玻璃态物质的新方法 将含有组成玻璃所需的金属和非金属原子的液体有机物（通常为金属醇盐），用乙醇等作溶剂，加水后通过水解-缩聚过程形成透明凝胶，再经过远低于熔融温度的热处理而形成单元或多元系统玻璃 不仅能在较低的温度制备出难熔玻璃（包括熔点温度高和高温下易挥发组分的系统）和高温下不稳定玻璃，还能制备出许多熔融法难以获得的玻璃制品 除了能制备块状体玻璃外，也能很方便制备粉体、薄膜与纤维 由于是在低温下制备玻璃态物质，一些具有特殊光、电性能的有机物可以均匀的与凝胶玻璃混合，制备出性能优异的有机/无机复合光、电功能材料 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 ３．气相凝聚法 化学气相沉积（CVD）法已被广泛应用于制备各种薄膜与涂层，如半导体薄膜、介电薄膜、光波导薄膜、太阳能转换薄膜等 CVD法除了用于制备晶态薄膜外，现被广泛用于非晶态薄膜的制备。如在半导体工业中应用的玻璃态电绝缘材料Si3N4和导电的Si3N4-C、Si3N4-SiN等复合玻璃态材料以及非晶硅太阳能电池等 热蒸发技术（真空镀膜技术）、辉光放电技术、磁控溅射技术等也是制备非晶态薄膜的有效手段 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 ４．晶体能量泵入法 辐照法：用高速中子束或粒子束轰击晶体材料使其无定形化 冲击波法：将晶体用爆炸法或放在夹板中施加瞬时冲击波，在极大压力和随之而来的高温作用下形成玻璃态 离子注入法：用离子束轰击晶体表面，使晶体表面非晶化 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 二、形成玻璃的物质 由于技术条件限制，不是任何物质都可形成玻璃 对于氧化物玻璃系统，能形成玻璃的氧化物可分成二类： 一类是能单独形成玻璃的氧化物，如SiO2, B2O3。 另一类是本身不能形成玻璃，但能与另一些氧化物一起形成玻璃，如MoO3, Al2O3, V2O3。 另外还有硫系玻璃，卤化物玻璃等 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 对于AxBy型化合物