电子材料表征课件

1、1电子材料电子材料是指电子信息技术与产业中所广泛使用的具有功能特性、结构特性以及物理、化学性能等特定要求的材料，是电子信息技术的基础与先导，也是当前材料领域中最重要和最活跃的部分。电子材料的主要分类：电子材料的主要分类：1. 1. 按用途分类按用途分类 结构电子材料和功能电子材料2. 2. 按组成分类按组成分类 无机电子材料和有机电子材料3. 3. 按物理性质分类按物理性质分类 超导材料、导电材料、半导体材料、绝缘材料、压电材料、铁电材料、磁性材料、光学材料、敏感材料等4. 4. 按应用领域分类按应用领域分类 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、电声材料等4导电

2、材料导电材料半导体材料半导体材料绝缘材料绝缘材料Cu、Al及合金等V族（Si、Ge、C）II-VI族（ZnO、ZnS、ZnSe等）III-V族（GaAs、InP、InSb）SiO2、Al2O3、HfO2等微电子材料微电子材料：Si、Ge、GaAs等制作半导体器件与集成电路的材料。5p+-SiSiO2 (300nm)Schematic diagram (top) and SEM image (down) of a “Bottom-gate” FET based on a single CdS:Cl nanowires.In/AuIn/Au电极制备： In-电阻式蒸发 Au-电子束蒸发器件性能表征

3、： 半导体参数测试系统CdS:Cl NW纳米线生长：化学气相沉积（CVD）纳米线的结构、物相、性能表征：X射线衍射（XRD）透射电子显微镜（TEM，含HRTEM、ED）扫描电子显微镜（SEM，含FESEM）X射线能量色散谱（EDS）X射线光电子能谱（XPS）光致发光光谱（PL）6“Bottom-Gate”纳米线场效应器件制备流程图 7课程内容课程内容 二二 、电子材料的制备方法、电子材料的制备方法 物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）热蒸发热蒸发（电阻式蒸发，电子束蒸发，脉冲激光沉积）（电阻式蒸发，电子束蒸发，脉冲激光沉积）磁控溅射磁控溅射化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）三、三、 电子材料

4、常规电子材料常规表征手段表征手段XRD、TEM、SEM、EDS、XPS、PL、半导体参数测试系统半导体参数测试系统 一一 、真空技术基础、真空技术基础 参考书：薄膜材料制备原理、技术及应用，唐伟忠，冶金工业出版社8一一 、真空技术基础、真空技术基础1. 真空环境划分：真空环境划分： 低真空 102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 10-5 Pa 92. 不同真空技术的使用环境不同真空技术的使用环境 低压化学气相沉积：中、低真空（10 100Pa） 溅射沉积：中、高真空（10-2 10Pa） 真空蒸发沉积：高真空和超高真空（TT2 2=T=Ts

5、s) )T1T2solidgasfilm薄膜的化学气相沉积72热力学分析：预测化学反应能否发生，热力学分析：预测化学反应能否发生， 进行化学反应路线的选择，进行化学反应路线的选择， 进行化学反应平衡点位置的计算；进行化学反应平衡点位置的计算；动力学分析：预测上述过程发生的动力学分析：预测上述过程发生的速度速度以及以及 它在有限时间内可以进行的它在有限时间内可以进行的程度程度。73薄膜制备的两个重要参数： 气相反应物的过饱和度和沉积温度。完整单晶的沉积条件： 气相过饱和度低，沉积温度高。 在强调薄膜晶体质量的场合，多采用高温CVD系统；而强调材料的低温制备条件的场合，多使用低温CVD系统。74C

6、VD装置的基本部分： (1)反应气体和载气的供给和计量装置； (2)必要的加热和冷却系统； (3)反应产物气体的排出装置或真空系统。75高温热壁式CVD系统763.1 X射线衍射射线衍射 （X-Ray Diffraction，XRD） 特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X射线的衍射。 衍射发生的条件即布拉格公式 2dsin=n 式中：d 相应晶面的面间距； 入射的X射线的波长； X射线与相应晶面的夹角。三、三、 电子材料常规电子材料常规表征手段表征手段77X射线粉末衍射仪组成结构示意图 薄膜材料的表征方法78Rigaku D/Max-rA型X射线衍射仪 79XRD patter

7、n : 80分析软件：PCPDFWIN分析方法： 1. PDF number 2. 元素检索（结合三强峰） JADE8182作图软件：Origin参考书：X光衍射技术基础 王英华著，原子能出版社薄膜材料的表征方法83工作模式（改变物镜光阑及透镜系统电流或成像平面位置） ：影像模式影像模式：利用衍射现象随样品的不均匀性，即晶体的位向差、晶界、位错、第二相颗粒等造成的衍射强度随空间位置的变化，将部分透射束或衍射束投影在屏幕上构成样品的结构形貌。衍射模式衍射模式：将电子束与样品晶体点阵的周期场相互作用后产生的各个衍射束全部投影放大给出晶体点阵的衍射谱。3.2 透射电子显微镜透射电子显微镜 (Tran

8、smission Electron Microscope，TEM) 薄膜材料的表征方法84影像工作模式： 用透镜光阑选取透射电子束或衍射束之中的一束或多束，构成样品的形貌像。成像方式：（1）明场像，只使用透射电子束，而用光阑挡掉所有衍射束；（2）暗场像，透射电子束被光阑挡掉，而用一束衍射束作为成像光源；（3）相位衬度，允许两束或多束电子参与成像。理想的情况下可重现引起电子衍射的晶体点阵的周期场，形成高分辨晶体点阵像。振幅衬度85250nmTEMHRTEM薄膜材料的表征方法86衍射工作模式（ED）： 电子被晶体点阵衍射以后又被分成许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学平面的衍射束。

9、将透射束和衍射束斑点组成的图像投影到荧光屏上，给出晶体在特定入射方向上的衍射谱。 通过衍射谱的分析可得到： （1）晶体点阵的类型和点阵常数；（2）晶体的相对位向；（3）与晶粒的尺寸大小、孪晶等有关的晶体显微缺陷方面的信息。 薄膜材料的表征方法8788标定：1. 晶面的确定（rd=相机常数，平行四边形法则）2. 晶带轴的确定（晶带定律，晶面(hkl)和晶带轴uvw满足hu+kv+lw=0）89六方晶系指数标定六方晶系指数标定晶面晶面 晶向晶向三指数三指数 (hkl) uvw四指数四指数 (hkil) UVTW其中：其中：i=-(h+k) T=-(U+V) u=2U+V, v=2V+U, w=W

10、或或 U=(2u-v)/3, V=(2v-u)/3, T=-(u+v)/3, W=w90结合HRTEM和ED，标定晶体生长方向。参考书：参考书：透射电子显微学黄孝瑛著，上海科学技术出版社91二次电子像 3.3 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）特点：分辨率较高（可以达到5nm左右）； 景深很大； 需要样品具有一定的导电能力。 二次电子是入射电子从样品表层激发出来能量最低的一部分电子。光电倍增管接收二次电子信号调制荧光屏扫描亮度,样品表面的起伏变化使二次电子发射的数量及角度分布变化，保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描同步，即可使屏幕图像

11、重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实际扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。92933.4 X射线能量色散谱射线能量色散谱(Energy dispersive X-ray spectrometer ，EDS) SEM、TEM的附件，高能电子束激发材料中的电子，使其发射特征X射线，用于微区成分分析。注意：测量范围Na-U。CdCdSCd : S = 52.69 : 47.31943.5 X射线光电子能谱射线光电子能谱 (X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS) 利用能量较低的X射线作为激发源，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实现分析样品化

12、学成分目的。 被激发出的来的电子具有的能量 E=h-EB 式中： 入射X射线的频率 EB 被激发出来的电子原来的能级能量95作用：元素分析；价态确定；定量分析。参考书：Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy (Perkin-Elmer)薄膜材料的表征方法96 在实际分析工作中，有些XPS 谱中的光电子峰位移小或强度弱，对一些过渡金属如Cu、Zn 等、一些重元素如Ag 等、碱土金属Mg 等，很难唯一指认出元素及其化学价态。因此，可以结合XPS 和XAES，利用修正的俄歇参数（）来指认元素及其化学态。薄膜材料的表征方法97 Cu的的XPS参考数值参考数值 2p3/2 LMM薄膜材料的表征方法98 Cu的XPS参考数值 2p3/2 LMM Eb(Cu 2p3/2) = 932.08 eV Eb(Cu LMM) = 569.08 eV Ek(Cu LMM) = 917.52eV光源 单色化的Al K