信息材料主题医学知识培训课件

1、信息材料主题医学知识信息材料主题医学知识电子材料是传统信息领域最为基础的一大类材料。各类材料电阻率材料类别超导体导体半导体绝缘体电阻率(cm)0 109固体材料能带理论示意图2信息材料主题医学知识电子材料是传统信息领域最为基础的一大类材料。各类材料电阻率材一、 传统的电子导电材料 固体的导电是指固体中的电子或离子在电场作用下的远程迁移，通常以一种类型的电荷载体为主，如：电子导体，以电子载流子为主体的导电；离子导电，以离子载流子为主体的导电；混合型导体，其载流子电子和离子兼而有之。除此以外，有些电现象并不是由于载流子迁移所引起的，而是电场作用下诱发固体极化所引起的，例如介电现象和介电材料等。电子

2、导电离子导电现代导电理论：电子/空穴 导电理论3信息材料主题医学知识一、 传统的电子导电材料 固体的导电是指固体中的电导电材料：普通导电材料、特殊导电材料、半导体材料、超导体材料。普通导电材料：导电纯金属、导电金属合金、复合导电金属等。导电纯金属应具有： 高的导电性 足够的机械强度 不易氧化、不易腐蚀 容易加工和焊接等特性 来源丰富，价格合适。铜、铝金属材料符合上述条件，因而得到广泛的应用。按电导率大小排列：银（Ag）、铜(Cu)、金(Au)、铝(Al)、纳(Na)、钼(Mo)、 钨(W)、锌(Zn)、镍(Ni)、铁(Fe)、铂(Pt)、锡(Sn)、铅（Pb）等。金、银等导电纯金属材料的性能虽

3、然也符合导电材料的要求，但其价格较高，只用于特殊场合。4信息材料主题医学知识导电材料：普通导电材料、特殊导电材料、半导体材料、超导体材料导电合金材料： 向导电纯金属中加入其他金属元素所构成的导电材料。 此类导电材料经不同方法的强化后，具有良好的导电性和高的机械强度、硬度、耐蚀、耐磨、耐热、导热等综合性能。如铜、铝的合金。 铜合金：银铜、镉铜、铬铜、铍铜、锆铜等； 铝合金：铝镁硅、铝镁、铝镁铁、铝锆等。 复合导电金属：将两种或两种以上的金属通过一定的复合工艺制成的导电材料。如铜包铝线、铝包铜线等。有线、棒、板、片、管等各种型材。 可由3种加工方法获得：塑性加工复合；热扩散复合; 镀层复合。 高机

4、械强度的复合金属：铝包钢、钢铝电车线、铜包钢等; 高电导率复合金属：铜包铝、银复铝等； 高弹性复合金属：铜复铍、弹簧铜复铜等； 耐高温复合金属：铝复铁、铝黄铜复铜、镍包铜、镍包银等； 耐腐蚀复合金属：不锈钢复铜、银包铜、镀锡铜、镀银铜包钢等。5信息材料主题医学知识导电合金材料：5信息材料主题医学知识特殊导电材料： 既有传导电流的作用，又具有其他特殊功能(熔断、加热等)的导电材料。如熔体材料、电刷、电阻、电阻合金、电热合金、电触头材料、双金属片材料、 热电偶材料、弹性合金等。 广泛应用在电工仪表、热工仪表、电器、电子及自动化装置的技术领域。如高电阻合金、电触头材料、电热材料、测温控温热电材料。重

5、要的有银、镉、钨、铂、钯等元素的合金，铁铬铝合金、碳化硅、石墨等材料。 6信息材料主题医学知识特殊导电材料：6信息材料主题医学知识导电材料的电特性主要用电阻率表征。影响电阻率的因素有温度、冷变形、热处理、杂质含量等。温度的影响常以导电材料电阻率的温度系数表示。 0 1 + (t-t0) 式中为温度t时的电阻率，0 为温度t0时的电阻率,t0通常取0或 20, 为电阻率的温度系数。冷变形影响常以电阻率的应力系数来表示，在弹性压缩或拉伸时，金属电阻率一般按下式规律变化： 0 (1 + K) 式中为应力，K 为应力系数。压缩时K 为负值，降低；拉伸时K 为正值，增加，故导体经拉伸后电阻率增加。 7信

6、息材料主题医学知识导电材料的电特性主要用电阻率表征。7信息材料主题医学知识热处理使导电金属经冷拉变形后，强度和硬度增加，导电性和塑性下降。退火后晶粒发生回复、再结晶,晶粒缺陷减少，晶格畸变减少，内应力消除,电阻率降低。合金和杂质的影响：杂质与合金元素导致金属晶格发生畸变，造成电子被散射的概率增加，因而电阻率增加。所以高电阻导电材料均由合金组成。 铜作为导电材料大都是高纯电解铜，杂质会降低电导率。 铜中含有氧也使产品性能大大下降。无氧铜性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳，适合于做海底同轴电缆的外部软线，也可用于太阳能电池。8信息材料主题医学知识热处理使导电金属经冷拉变形后，强度和硬度增加，导电性

7、和塑性金属导电材料的非电特性在某些特定的场合将变得更加重要。高电导率的金属也是高热导率的金属，纯金属的热导率比合金的热导率高。 热导率接触电位差温差电动势机械强度耐高温特性耐腐蚀性耐磨性电机、电缆、电气仪表及其他电工产品温升效应严重温差电控温、测温元件和仪表架空线航天、航空等国防科技中，制造高温导线、高温电机9信息材料主题医学知识金属导电材料的非电特性在某些特定的场合将变得更加重要。热导率二、离子导体固体材料的电导率表征固体材料的导电性的物理量是电导率；常用单位有：-1cm-1，-1m-1，Sm-1（1S（西门子）=1-1）；典型材料的电导率如下：导电类型材料类型电导率 / Scm-1离子导电

8、离子晶体10-1810-4快离子导体10-3101强（液）电解质10-3101电子导电金属101105半导体10-5102绝缘体10-1210信息材料主题医学知识二、离子导体导电类型材料类型电导率 / Scm-1离子导1、固体中离子的扩散 (固体离子导电机理)固体中离子的扩散方式有：空位机理间隙机理亚间隙机理环形机理等主要介绍空位扩散和间隙扩散机理。11信息材料主题医学知识1、固体中离子的扩散 (固体离子导电机理)11信息材料主题医1）空位扩散机理 Schottky缺陷（肖特基缺陷）作为一种热缺陷普遍存在着。负离子作为骨架，正离子通过空位来迁移。晶体中空位邻近的正离子获得能量进入到空位中，留下

9、一个新的空位，邻近的正离子再移入产生新的空位，依次下去，就不断地改变空位的位置。总的说来，阳离子就在晶格中运动，如图4.1所示。 图4.1（a）迁移路线迁移距离12信息材料主题医学知识1）空位扩散机理 图4.1（a）迁移路线2） 间隙迁移机理 以氯化银为例来讨论离子迁移的间隙和亚间隙机理。氯化银晶体中缺陷的主要形式为Frenkel缺陷(间歇银)，间隙银离子更容易迁移，可能迁移方式有种 直接间隙机理 （见图中路线1） 处于间隙位置的Ag+跳入邻近的间隙位置，依次下去，迁移到离原来间隙Ag+较远的位置。迁移路线可以是曲折的，但间隙Ag+总有净的位移。Ag+ Cl Ag+ ClCl Ag+ Cl A

10、g+Ag+ Ci Ag+ Cl Cl Ag+ Cl Ag+Ag+ Cl Ag+ ClAg+12图 直接间隙机理13信息材料主题医学知识2） 间隙迁移机理 以氯化银为例来讨论离亚间隙机理（见图中路线2和图 (b)） 间隙位置的银离子撞击与它邻近的正常格位的个银离子中的一个，使该离子离开自己的格位，进入到间隙位置，而它则占据了正常格位。从净的位移来看，也是一个间隙离子离开它的位置迁移到另一个间隙位置。特点：撞击产生空位，填空14信息材料主题医学知识亚间隙机理特点：撞击产生空位，填空14信息材料主题医学知识 综上，实际离子晶体由于存在有这样的或那样的缺陷，尤其是正离子半径较小，可以通过空位机理进行迁

11、移，形成导电，这种导体称作Schottky导体。也可以通过间隙离子存在的亚间隙迁移方式进行离子运动而导电，这种导体称作Frenkel导体。 肖特基晶体 与弗仑克尔晶体 的电导率较低，一般电导率在 10-1810-4Scm-1的范围内，总体属于 绝缘体 至 半导体。15信息材料主题医学知识 综上，实际离子晶体由于存在有这样的或那样的缺陷，尤其2、快离子导体（固体电解质） (Fast Ion Condustor or Solid Electrolyte)1） 快离子导体的发展历史和结构特征经典离子晶体由于离子扩散可以形成导电。但一般导电率要很低：如氯化钠电导率只有1015 Scm-1 r.t.，

12、10-8 Scm-1 200 。特殊离子晶体，室温下电导率可达 10-2 Scm-1，几乎与熔盐电导相当。这类具有优良离子导电能力（0.110 Scm-1）的例子晶体称做快离子导体(Fast Ion Conductor )或固体电解质（Solid Electrolyte）。16信息材料主题医学知识2、快离子导体（固体电解质）16信息材料主题医学知识图4.4 各种离子导体电导率与温度的关系Frenkel导体Schottky导体log100/T(K-1)Fast Ion导体-AgI-AgI 经典离子晶体按照扩散方式，分作Schottky 导体和Fenkel导体，它们和快离子导体一样，其电导随温度的

13、关系都服从阿累尼乌斯公式： Exp(-H/RT)，经典晶体的活化能H在12ev,而快离子导体的活化能H在0.5ev以下。如图4.4反映了这些导体电导率与温度的关系。 快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离子固体和离子液体之间的一种过渡状态： 普通离子固体 快离子导体 电解质溶液 相转变增加缺陷浓度17信息材料主题医学知识图4.4 各种离子导体电导率与温度的关系Frenkel导体 快离子导体的结构特征与分类载流子主要是离子，且在固体中可流动的数量相当大。例如，经典晶体氯化钠、氯化银、氯化钾以及-AgI中可流动的离子的数量不大于1018cm-3，而快离子导体中可流动的离子数目达到

14、1022cm-3。根据载流子的类型，可将快离子导体分为如下类型：正离子作载流子的有：银离子导体、铜离子导体、钠离子导体、锂离子导体以及氢离子导体；负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。 快离子导体中应当存在大量的可供离子迁移占据的空位置。这些空位置往往连接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。四方钨青铜、Na-Al2O3Nisicon (NaZr2P3O12)等。18信息材料主题医学知识 快离子导体的结构特征与分类18信息材料主题医学知识快离子导体材料条件： 一定组成； 一定结构相态（更为关键必要）；AgI有 、三个相，但只有相为快离子导体。快离子导体由非传导相到传导相的相转变有如下的

15、过程和特点： (1) 正常固体的熔化正负离子均转化为无序状态，有相当大的电导值。 (2) 快离子导体的亚晶格熔化相变 “液态亚晶格” ，快离子导体有两套亚晶格，传导离子组成一套，非传导离子组成另一套。传导相离子亚晶格呈液态，而非传导相液晶格呈刚性起骨架作用。19信息材料主题医学知识快离子导体材料条件：19信息材料主题医学知识例如： AgI 146 AgI(非传导相，I离子作立方密堆) (传导相，I离子作体心立方堆积) 由于这类转变只相应固体中一半离子亚晶格的熔化，故相应相变的熵值与熔化熵之和约为同类非快离子导体熔化熵值的大小。 下面给出一些例子：化合物固态相变熵JK-1 mol-1 (温度 )

16、固态熔化熵JK-1 mol-1 (温度 )总熵值JK-1 mol-1快离子导体AgI14.5(419)11.3(830)25.8Ag2S9.3(452)12.6(1115)21.9CuBr9.0(664)12.6(761)21.6SrBr213.3(918)11.3(930)24.6经典固体NaCl24MgF235非快离子导体20信息材料主题医学知识例如： 化合物固态相变熵JK-1 mol-1 (温度 2）-Al2O3族钠离子导体 -Al2O3族属于nA2O3-M2O一类非化学计量化合物，组成表达通式为： A3+=Al3+,Ga3+,Fe3+ nA2O3-M2O M+=Na+,K+,Rb+,A

17、g+,Tl+,H3O+ -Al2O3族钠离子导体是其中最重要的快离子导体材料。发展了以钠-Al2O3为隔膜材料的钠硫电池。具有能量密度高（150200wh/kg）、寿命长、价格低、无污染等优点，还应用在提纯金属钠、制造工业钠探测器以及一些固体离子器件等方面。钠-Al2O3化合物实际上是一个家族，都属于非化学计量的偏铝酸钠盐。钠-Al2O3 理论组成式为Na2O11Al2O3。由于发现时忽略了Na2O的存在，将它当作是Al2O3的一种多晶变体，所以采用-Al2O3的表示一直至今。实际组成往往有过量的Na2O。21信息材料主题医学知识2）-Al2O3族钠离子导体钠-Al2O3化合物实际上是3）Ag

18、+离子快离子导体AgI快离子导体AgI在400以上具有可与液体电解质可比拟的离子电导率，高导电相是-AgI，其在146 555温度范围内稳定。当AgI从低温的相转变为相（146）时，其电导率增加了个数量级以上。AgI存在多个晶体变种，有、和个相：-AgI低温下稳定，呈六方ZnS型结构；-AgI为介稳定相，立方ZnS型结构, 导电能力很差。-AgI由-AgI在146时发生一级相转变而得，为体心立方晶格。 22信息材料主题医学知识3）Ag+离子快离子导体22信息材料主题医学知识4) 负离子快离子导体 负离子作为传导离子的快离子导体已有许多种，但传导离子目前主要为O2-和F离子。已研究的负离子快离子

19、导体有以下类型：传导离子 结构类型 示 例 O2离子 萤石型 ZrO2基固溶体，ThO2基固溶体 HfO2基固溶体，GeO2基固溶体 Bi2O3基固溶体 钙钛矿型 LaAlO3基, CaTiO3基, SrTiO3基 F离子 萤石型 CaF2基固溶体，PbF2基固溶体 MMF4基固溶体 氟铈矿型 (CeF3)0.95(CaF2)0.0523信息材料主题医学知识4) 负离子快离子导体传导离子 结构类5) 快离子导体的应用快离子导体主要用作原电池的电解质材料。它的应用主要在：电化学基础研究能源电池化学传感器等方面。 .电化学热力学研究使用快离子导体构成的原电池可以用来研究氧化还原反应的热力学。24信

20、息材料主题医学知识5) 快离子导体的应用24信息材料主题医学知识.化学电池可以采用快离子导体作电解质，将氧化还原反应设计成原电池，开发出新的能源。以Na-Al2O3快离子导体作为电解质，熔熔硫和金属钠作电极，设计的Na-S电池反应为：2Na+xSNa2Sx。x决定电池的充电水平。在放电阶段，x=5，即放电反应如下：2Na+5SNa2S5 金属钠液S(充电)或硫化钠(放电)快离子导体-Al2O3Al2O3绝缘体Na-S电池钠硫电池：金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池 25信息材料主题医学知识.化学电池金属钠液S(充电)或硫化钠(放电)快离子导体-.化学传感器 利用原电池原理，采

21、用快离子导体制成的化学传感器，将化学信息转化为电信号，然后再还原为化学信息，使得化学分析测试温度应用范围更宽，并且将静态取样分析变为即时在线分析。例如以氧化锆快离子导体制成对氧敏感的浓差电池用于5001000时，检出下限为10-21Pa以下的氧分压，应用在钢水现场分析以及污染物分析和废气分析等方面。该电池的构成原理如图4.13所示。待测氧气和参比氧气分压差和电池电压之间关系为： E=RT/4F ln(P“O2PO2)。P“O2（参比） 快离子导体 多孔电极PO2 快离子导体ZrO2-CaO2e1/2O2O2- O2-2e1/2O2 O2- PO2 2e2e26信息材料主题医学知识.化学传感器P

22、“O2快离子导体 多孔电极PO2 快离子三、 透明导电材料透明导电薄膜具有透明和导电双重功能。主要有：金属膜氧化物膜(Transparent Conductive Oxide，TCO)多层复合膜高分子膜等其中氧化物TCO薄膜占主导地位。27信息材料主题医学知识三、 透明导电材料透明导电薄膜具有透明和导电双重功能。27信一般意义上，TCO薄膜具有：(1)在可见光区(400800nm)透射率高，平均透射率 Tavg80%；(2)电导率高， 103 -1 cm-1金属透明导电膜：T 80%， 1.010-3 cm纯金属: Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh在膜厚低于20 nm时，均有一定

23、透光率。缺点：光吸收性强，硬度低，稳定性差。氧化物膜（TCO）：透明导电氧化物（TCO）：泛指具有透明导电性的氧化物、氮化物、氟化物。a. 氧（氮）化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiN；b.掺杂氧化物：In2O3:Sn(ITO)、ZnO:In(IZO)、ZnO:Ga(GZO)、ZnO:Al(AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac. 混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、CdSnO4、Zn2SnO428信息材料主题医学知识一般意义上，TCO薄膜具有：金属透明导电膜：氧化物膜（TCOITO是麼？ITO Indium Tin Oxide (In2O3 SnO2)ITO的成分

24、 90wt% In2O3 + 10wt% SnO2是一种掺杂SnO2的In2O3的N型半导体。AZO （Aluminum doped Zinc Oxid）：Al2O3掺杂的ZnO，N型半导体也是一类新型透明导电材料。ITO导电玻璃：在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜加工制作成的一种兼具较好导电性与透明性功能材料。 LCD用ITO玻璃有一层SiO2阻隔层，阻止玻璃中的钠离子扩散进入进入液晶层发生污染。29信息材料主题医学知识ITO是麼？AZO （Aluminum doped Zin透明导电薄膜以掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide, IT

25、O）为代表，广泛地应用于平板显示、太阳能电池、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。PDP、LCD、EL平板显示器,广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、各类监视器、数字彩电和手机等电子产品。透明导电薄膜是简单液晶显示器的三大主要材料之一。ITO导电玻璃的分类：高电阻玻璃（电阻在150500欧姆） 普通玻璃（电阻在60150欧姆） 低电阻玻璃（电阻小于60欧姆）。高电阻玻璃一般用于静电防护、触控屏幕制作用；普通玻璃一般用于TN类液晶显示器和电子抗干扰；低电阻玻璃一般用于STN液晶显示器和透明线路板。 30信息材料主题医学知识透明导电薄膜以掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide,铟锡氧化物透明导电

26、薄膜的结构及其特性一般ITO透明导电膜的品质特性需求： 表面电阻低、透光率高、低表面電阻、高透光率、低比電阻值、耐熱性、耐酸鹼性、圖案加工性、電化學安定性、膜表面形狀、低成膜溫度、膜附著機械強度、膜厚及其硬度、膜的外觀、大面積低成本等。两个概念：ITO膜和IT膜：ITO膜：In2O3与SnO2烧结粉末在电子束等高能量源轰击下蒸镀到预热至300的基板上，形成ITO透明导电薄膜，透明性好，台湾俗称”白膜“。IT膜：不是氧化物，而是In与Sn形成的非晶态合金薄膜，利用溅镀法及室温方法制成的半透明非晶膜，在電極圖案加工和配向膜處理等工程中，使其安定化和透明化，因其呈黑色透明状而在台湾称为”黑膜“。31

27、信息材料主题医学知识铟锡氧化物透明导电薄膜的结构及其特性31信息材料主题医学知识金属特性金属导电的原因：金属键的键结力不强，电子受到外加电位即可自由运动，形成电流。金属不透明的原因：光波被高密的电子吸收及反射32信息材料主题医学知识金属特性32信息材料主题医学知识一般氧化物特性一般氧化物绝缘的原因：金属原子与氧原子形成共价/离子键，原子间不存在自由电子，故不导电。氧化物透明的原因：原子之间的电子都被牢固束缚，对入射光子基本不产生吸收，故有可能透明。（多相结构氧化物不透明）透明材料的禁带宽度大(Eg 3eV)，而载流子(自由电子)少，导电性差33信息材料主题医学知识一般氧化物特性透明材料的禁带宽

28、度大(Eg 3eV)，而载ITO薄膜的可見光可穿透能隙寬度約為3.5 4.3 eV，可見光波長範圍對應的能量為1.7 3.1 eV，不足以讓電子在能帶間躍遷而產生光的吸收，故在可見光的範圍內有很高的穿透度。34信息材料主题医学知识ITO薄膜的可見光可穿透34信息材料主题医学知识由于 Sn4+ 取代 In3+ ，提供額外的电子。氧空缺 提供两个額外的电子。 (O22Vo+2e-)InOSnAbsent O atomSn substitutionalSn interstitiale-e-e-Sn+ITO导电机制ITO具有N型半导体特征，导电机制可分为：掺杂机制 与 氧空位机制。 In2O3里掺入S

29、n后，Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在，因为In2O3中的In元素是三价，形成SnO2时将贡献一个电子到导带上，同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴，形成1020 1021cm-3的载流子浓度和1030cm2/vs的迁移率。这个机理提供了在10-4.cm数量级的低薄膜电阻率。 35信息材料主题医学知识由于 Sn4+ 取代 In3+ ，提供額外的电子。InOSn透光率与电导率之间关系沉积的 ITO 膜厚度增加，电导率将提高（电阻率降低），透光性变差。薄的ITO材料透明性好，但是阻抗高；厚的ITO材料阻抗低，但是透明性会变差。36信息材料主题医学知识透光率与电导率之间关

30、系薄的ITO材料透明性好，但是阻抗高；3面電阻在10 /m2 以下時，可光透光可達 80%;37信息材料主题医学知识面電阻在10 /m2 以下時，可光透光可達 80%;SnO2掺杂比例的影响当SnO2掺杂比例小于7.5(wt) 时，电阻率随SnO2 含量的增加而减小，这是因为Sn 作为施主提供一个载流子，SnO2掺杂比例的增大，样品的载流子浓度增加，因而样品的电阻率下降。但当SnO2 掺杂比例为8 (wt)左右时，电阻率下降趋势变缓，进入一个平台区；当SnO2掺杂比例增大到10(wt)时，样品的电阻率基本上没什么变化。38信息材料主题医学知识SnO2掺杂比例的影响当SnO2掺杂比例小于7.5(

31、wt) 膜厚在210 nm 左右SnO2掺杂比例对透光率影响随SnO2含量增加，短波吸收边红移。39信息材料主题医学知识膜厚在210 nm 左右SnO2掺杂比例对透光率影响随SnOSn掺杂量对ITO刻蚀性能影响适合于ITO的常规刻蚀液：HCl、 HCl + HNO3、 HNO3、 草酸40信息材料主题医学知识Sn掺杂量对ITO刻蚀性能影响适合于ITO的常规刻蚀液：40Influence by addition rate of SnO2 on resistivity and transference rate of the film transparence T and reflectivity

32、 R ITO薄膜在可见光区（360780nm）透过率达到90%以上，红外反射（12m）可超过90%。对微波具有明显的衰减作用。如图7所示，ITO膜对可视光几乎是透明的。 41信息材料主题医学知识Influence by addition rate of ITO透明导电玻璃应用 DisplayLiquid Crystal Display (LCD)Plasma Display Panel (PDP) Organic Electro Luminance (OEL) Field Emission Display (FED) Color Filter (CF) Touch Panel ITO透明导电膜

33、玻璃作为面发热体，通电后可以除冰霜，用于飞机挡风玻璃、飞机眩窗、激光测距仪、潜望镜观察窗等，多年来已得到了广泛应用。 ITO透明导电膜玻璃面具有相反的红外线通过及反射性能,玻璃面具有优良的红外线通过,衰减量极小，而ITO面具有红外线阻挡反射作用,因而该玻璃具有优良的保温透光性能,已大量用于制造冷藏柜。随着着成本的降低,将可用于房屋节能：夏季时ITO面朝外,阻挡高热红外射入,房间凉爽；冬季玻璃面朝外,太阳红外线可照入房内,房间节能温暖。ITO透明导电膜玻璃对微波具有衰减作用,可达30DB, 用于需要电磁屏蔽的场所。如计算机机房、雷达屏蔽保护、家中微波炉视窗等。 ITO透明导电膜玻璃作为太阳能电池

34、的重要组成部分, 透明电极,大量应用。42信息材料主题医学知识ITO透明导电玻璃应用42信息材料主题医学知识產品面阻值產 品 類 別應 用 範 圍30040sq.多用於型，尤其是字型符號和小型點陣電子手錶、鬧鐘掌上型計算機家用電器上的顥示器儀表顯示電子帳簿攜帶型遊戲機太陽能電池4015sq.多用於型，可製作小型或大型點陣膝上型電腦攝影機小型液晶彩色電視機筆記型電腦10以下sq.多用於大面積型，以及其它平面顯示器膝上型電腦筆記型電腦液晶彩色電視導航顯示ITO玻璃的應用： 43信息材料主题医学知识產品面阻值產 品 類 別應 用 範 圍30040sq.ITO导电玻璃使用注意：任何时候都不容许叠放；

35、一般要求竖向放置；平放操作时，尽量保持ITO面朝下；厚度在0.55mm以下的玻璃只能竖向放置； 取放时只能接触四边，不能接触导电玻璃ITO表面； 轻拿轻放，不能与其它器具和机器碰撞； 如果要长时间存放，一定要注意防潮，以免影响玻璃的电阻和透过率； 对于大面积和长条形玻璃，在设计排版时要考虑玻璃基片的浮法方向。 44信息材料主题医学知识ITO导电玻璃使用注意：44信息材料主题医学知识ITO 膜、层制备ITO薄膜制备较多采用PVD法（包括磁控溅射法、真空蒸发法）、CVD、PVD、喷涂法、溶胶凝胶法等方法。45信息材料主题医学知识ITO 膜、层制备45信息材料主题医学知识一般ITO膜的製作方法: 1

36、.物理气相沉积法: Physical Vapor Deposition - Sputtering PVD可分為真空蒸镀加热型和电子束加热型、离子被覆膜法，以及磁控溅镀和射频磁控型。 2.化学气相沉积法:化学气相沉积法则有等离子型、浸镀型和凝胶型46信息材料主题医学知识一般ITO膜的製作方法:46信息材料主题医学知识Sol-Gel法制备ITO溶胶凝胶法的优点是生产设备简单、工艺过程温度低，易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。溶胶凝胶法制备ITO薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物，采用溶胶凝胶法制备的ITO薄膜，比以有机醇盐为前驱物的溶胶凝胶法制备成本低，该方法制备ITO薄膜

37、具有生产设备简单、成本低的优势。铟、锡的无机盐或 铟、锡的有机醇盐In(OCH2CH3)3等醇、acac等溶剂溶解acac保护下水解In(NO3)35H2O加热溶于acacSnCl4乙醇溶液溶胶涂膜热处理ITO膜Nano-sol47信息材料主题医学知识Sol-Gel法制备ITO铟、锡的无机盐醇、acac等溶剂溶真空蒸镀法：成膜机理简单设备简单成膜速度快，ITO质量较好真空蒸镀原理示意图48信息材料主题医学知识真空蒸镀法：真空蒸镀原理示意图48信息材料主题医学知识ITO蒸镀的影响因素蒸镀衬底温度对ITO膜透光率的影响：蒸镀衬底温度对ITO膜导电性的影响：沉积温度过低，不利于ITO晶体生长，导电性

38、 和 透光性不佳。在PET聚脂薄膜上沉积时，反应温度要下降到150度以下，这会导致ITO氧化不完全，之后的应用中ITO会暴露在空气或空气隔层里，它单位面积阻抗因为自氧化而随时间变化。49信息材料主题医学知识ITO蒸镀的影响因素蒸镀衬底温度对ITO膜透光率的影响：蒸镀沉积速度对ITO膜性能的影响：沉积速度太快，不利于ITO晶体生长，透光性 和 导电性都不利。50信息材料主题医学知识沉积速度对ITO膜性能的影响：沉积速度太快，不利于ITO晶体波长(nm)折射率消光系数400 2.15 0.025 425 2.1 0.018 450 2 0.01 506 2 0.0087 600 2 0.0065

39、650 2 0.0044 700 2 0.0042 750 2 0.0042 800 2 0.004 1065 2 0.004 溅镀ITO玻璃光学性能：51信息材料主题医学知识波长(nm)折射率消光系数400 2.15 0.025 42Aluminum-doped Zinc Oxide, AZOITO 与 AZO比较ITO 导电性、透光性等综合性能较优，但In有毒，成本高。AZO电性能与透光性好，紫外吸收屏蔽强，红外反射高，对电磁波衰减强，无毒、廉价、稳定。TR52信息材料主题医学知识Aluminum-doped Zinc Oxide, AZO四、 高分子导电材料Conductive poly

40、meric material一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10-6Sm以上的聚合物材料。高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直至1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到105S/m。这是第一个导电的高分子材料。导电聚乙炔 一次歪打正着的举世发现！70年代53信息材料主题医学知识四、 高分子导电材料

41、Conductive polymeric其它导电高分子继导电聚乙炔之后，相继开发出了聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性，电导率达5103104-1cm-1（铜的电导率为105-1cm-1）。聚乙炔顺式：=10-7 Scm-1；反式：=10-3 Scm-1聚苯撑 10-3 Scm-1聚并苯 10-4 Scm-1热解聚丙烯腈 10-1 Scm-1聚苯硫醚PPS 10-1510-16 Scm-1经AsF5掺杂后，PPS 2102 Scm-154信息材料主题医学知识其它导电高分子聚乙炔聚苯撑 10-3 Scm-1聚并结构

42、性导电高分子的导电机理来源于存在较大的电子共轭体系。聚乙炔虽有较典型的共轭结构，但电导率并不高。但它们极易被掺杂。经掺杂的聚乙炔，电导率可大大提高。例如，顺式聚乙炔在碘蒸气中进行P型掺杂（部分氧化），可生成(CHIy)x (y0.20.3)，电导率可提高到102104 Scm-1，增加911个数量级。可见掺杂效果之显著。掺杂的顺式聚乙炔在室温下的电导率掺杂剂掺杂剂/CH（摩尔比）（-1cm-1）I20.253.60104AsF50.285.60104AgClO40.0723.0102萘钠0.568.0103(N-Bu)4NClO40.129.7010455信息材料主题医学知识结构性导电高分子的

43、导电机理来源于存在较大的电子共轭体系。聚电荷转移配位聚合物56信息材料主题医学知识电荷转移配位聚合物56信息材料主题医学知识高分子导电材料通常分为结构型和复合型两大类：结构型高分子导电材料：高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。 根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属、高分子超导体。 按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料（离聚体）。 电子导电高分子材料的结构特点是具有线型或面型大共轭体系，在热或光的作用下通过共轭电子的活化而进行导电。在聚乙炔中掺杂少量碘，成为“高分子金属”；经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下可转变成高分子超导体。结构型高分子导电材料用

44、于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试制半导体元器件等。这类材料由于还存在稳定性差(特别是掺杂后的材料在空气中的氧化稳定性差)以及加工成型性、机械性能方面的问题，尚未进入实用阶段。 57信息材料主题医学知识高分子导电材料通常分为结构型和复合型两大类：57信息材料主题复合型高分子导电材料：由通用高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得。导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。复合材料性能与导电填料的种类、用量、粒度和分散状态等有很大的关系。常用的导电填料：金粉、银粉、铜粉、镍粉、钯粉、钼粉、铝粉、钴粉、镀银二氧化硅粉、镀银

45、玻璃微珠、炭黑、石墨、碳化钨、碳化镍等。炭黑虽导电率不高，但其价格便宜，来源丰富，因此也广为采用。采用表面活性剂、偶联剂、氧化还原剂对填料颗粒进行处理后，分散性可大大增加。58信息材料主题医学知识复合型高分子导电材料：由通用高分子材料与各种导电性物质通过材料名称电导率 /(-1cm-1)相当于汞电导率的倍数银6.1710559铜5.9210556.9金4.1710540.1铝3.8210536.7锌1.6910516.2镍1.3810513.3锡8.771048.4铅4.881044.7汞1.041041.0铋9.431030.9石墨11030.0000950.095碳黑11020.00095

46、0.0095部分导电填料的电导率电阻率59信息材料主题医学知识材料名称电导率 /(-1cm-1)相当于汞电导率银6.1随着电子工业的发展，传送弱电流的导电涂料，胶粘剂和透明导电材料等也应用十分广泛。导电胶ECA在PCB的SMT组装上广泛应用 。SMT (Surface Mount Technology，表面安装技术)：在制作好的PCB板上，通过胶粘固定的方式，将各种小型电子元器件快速、简洁可靠的安装到PCB板上相应位置 ，替代传统钻孔、插脚、波峰锡焊工艺。是当前广泛而实用的PCB组装技术。传统导电胶粘剂为含铅焊料。采用无铅高分子导电胶替代。60信息材料主题医学知识随着电子工业的发展，传送弱电流

47、的导电涂料，胶粘剂和透明导电材SMT表面安装技术介绍 表面安装技术SMT，是将表面贴装元器件贴、焊到印制电路板表面规定位置上的电路装联技术。具体地说，就是首先在印制板电路盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡膏熔化，冷却后便实现了元器与印制板之间的互联。20世纪80年代，SMT生产技术日趋完善，用于表面安装技术的元器件大量生产，价格大幅度下降，各种技术性能好，价格低的设备纷纷面世，用SMT组装的电子产品具有体积小，性能好、功能全、价位低的优势，故SMT作为新一代电子装联技术，被广泛地应用于航空、航天、通信、计算机、医疗电子、汽车、办公自动化、

48、家用电器等各个领域的电子产品装联中。 SMT混合安装工艺流程 61信息材料主题医学知识SMT表面安装技术介绍 表面安装技术SMT，是将表面贴装元器传统焊膏（焊料）含铅！ 毒害聚合物导电胶环保、流行室温下固化，或100-150快速固化 提供元件与电路板之间的机械连接和电气连接 Electric conductive adhesive, ECA 导电胶三种类型的导电胶：各向同性胶(isotropic) 在所有方向均等的导电性，可用于有地线通路的元件；ICA导电性硅胶 (silicone)帮助防止元件受环境的危害，如潮湿，且屏蔽电磁与无线射频干扰(EMI/RFI)；各向异性的(anisotropic

49、) 导电性聚合物或Z轴胶片允许电流只在单个方向流动，提供电气连接性和舒缓倒装芯片元件的应力。ACA 导电胶一般组成：银粉镍粉金粉铜粉铟粉SnO2粉 环氧树脂基胶 +导电胶62信息材料主题医学知识传统焊膏（焊料）含铅！ 毒害聚合物导电胶环保、流行室温下固化复合型导电高分子机理 无限网链机理导电填料浓度较低，颗粒太分散，互相接触少，导电性低；填料浓度增加，颗粒相互接触机会增多，电导率上升；当填料浓度达到某一临界值时，体系内的填料颗粒相互接触形成无限网链。这个网链就像金属网贯穿于聚合物中，形成导电通道，故电导率急剧上升，从而使聚合物变成导体。此时继续增加导电填料的浓度，对导电性不会有更多的贡献了，故

50、电导率变化趋于平缓。电导率发生突变的导电填料浓度称为“渗滤阈值”。式中 m 平均接触数；Ms 单位面积中颗粒与颗粒的接触数；Ns 单位面积中的颗粒数；NAB 任意单位长度的直线上颗粒与基质（高分子材料）的接 触数；NBB上述单位长度直线上颗粒与颗粒的接触数。63信息材料主题医学知识复合型导电高分子机理 无限网链机理式中 m 平均接 遂穿理论 当导电颗粒间不相互接触时，颗粒间存在聚合物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍，这种阻碍可看作一种具有一定势能的势垒。 根据量子力学的概念可知，对于一种微观粒子来说，即使其能量小于势垒的能量时，它除了有被反弹的可能性外，也有穿过势垒的可能性。微观

51、粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称隧道效应。 电子是微观粒子，具有穿过导电颗粒间隔离层的可能性。这种可能性的大小与隔离层的厚度有关;与隔离层势垒的能量0与电子能量E的差值（0E）有关。 值和（0E）值愈小，电子穿过隔离层的可能性就愈大。当隔离层的厚度小到一定值时，电子就能容易地穿过，使导电颗粒间的绝缘隔离层变为导电层。隧道效应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容并联来等效。64信息材料主题医学知识 遂穿理论64信息材料主题医学知识复合导电高分子内部的结构有三种情况： 一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成电流通路，相当于电流流过一只电阻。 一部分导电颗粒不完全连续接触，其中不相互接触的导电颗粒

52、之间由于隧道效应而形成电通流路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻串联的情况。 一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间的聚合物隔离层较厚，是电的绝缘层，相当于电容器的效应。复合型导电高分子的导电机理模型65信息材料主题医学知识复合导电高分子内部的结构有三种情况：复合型导电高分子的导电机五、 Lithium ion battery流行电池比较：66信息材料主题医学知识五、 Lithium ion battery流行电池比较：6锂离子电池工作原理（以LiCoO2正极材料为例）67信息材料主题医学知识锂离子电池工作原理（以LiCoO2正极材料为例）67信息材料石墨晶体和LiCoO2都具有层状结构。

53、这种层状结构化合物，允许锂离子进出，而材料结构不会发生不可逆变化。LiCoO2为一层氧(O)原子紧邻一层Li(锂)原子，再紧邻一层氧原子和钴(Co)原子，即O Li O Co O Li O 。充电时，锂离子从正极脱嵌，在电解液中向负极迁移，嵌入到负极石墨晶体的晶状层之间。放电时，锂离子从负极脱嵌向正极表面移动，然后插入到氧化钴锂的晶状层中。电池在充放电过程中发生的电化学反应实际上是一种插层反应。68信息材料主题医学知识石墨晶体和LiCoO2都具有层状结构。这种层状结构化合物，允液体锂离子电池的组成1、正极材料正极活性物质：钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。2、负极材料负极活性物质：主要是石墨

54、，还有硬炭、软炭。主要用经过专门加工的人工石墨。3、电解液一般使用环状碳酸酯（碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯）和链状碳酸酯（碳酸二甲酯）做混合溶剂，把电解质盐溶解其中制成电解液。电解质盐有无机盐和有机盐，无机盐有高氯酸锂、和六氟磷酸锂等。有机盐有三氟甲基磺酸锂等。其中六氟磷酸锂最为常用。4、粘合剂用于把正、负极活性物质涂于作为集流体的金属箔上。要求粘接好、柔软、耐电解液腐蚀、耐氧化还原、成膜均匀的粘合剂。常用高分子粘合剂，如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等。5、隔膜为防止正负极短路，与其他电池使用纸或无纺布不同，锂离子电池使用聚乙烯系多微孔薄膜，有利于锂离子快速通过。69信息材料主题医学知识液体锂离子电池的组

55、成69信息材料主题医学知识正极材料 LiCoO2正极材料LiCoO2正极材料的优点：比能量高，工作电压较高（平均工作电压为3.7V），充放电电压平稳，适合大电流充放电，生产工艺简单、容易制备。 LiCoO2正极材料的缺点：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。LiNiO2正极材料LiNiO2正极材料的优点：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，比LiCoO2价格便宜。LiNiO2正极材料的缺点：1、制备条件苛刻，易发生锂镍混排现象，给LiNiO2商业化生产带来困难；2、LiNiO2的热稳定性差（200左右），且放热量大，给电池带来安全隐患；3、LiNiO2在充放电过程中

56、容易发生结构变化，使电池的循环性能变差。70信息材料主题医学知识正极材料 LiCoO2正极材料LiCoO2正极材料的优点：锂锰氧化物尖晶石型LixMn2O4 和 层状LiMnO2嵌锂磷酸盐正极材料 LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正极材料中，以LiFePO4的研究最为突出 LiFePO4工作电压3.4V左右 与LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2等正极材料相比，LiFePO4具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉71信息材料主题医学知识锂锰氧化物尖晶石型LixMn2O4 和 层状Li负极材料碳负极材料石墨 氧化物负极材料无定形锡基复合氧化物： SnMxOy、

57、SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零应变材料： Li4Ti5O12放电容量一般为150mAh/g。锂的嵌入和脱嵌不会产生应变，循环寿命很好。72信息材料主题医学知识负极材料碳负极材料 氧化物负极材料72信息材料主题医学知识电解质（溶质 + 溶剂）溶剂：1. 不与金属锂发生反应，因此必须是非质子溶剂；2. 极性高（也就是介电常数大），能溶解足够的锂盐（锂盐容易解离）；同时黏度低（离子移动速度快），从而使电导率高；3. 溶点低、沸点高，蒸汽压低，工作温度范围宽。 通常采用混合溶剂，一般采用直链酯和环酯(如EC+DMC，PC+DEC)混合溶剂溶质：无机锂盐： LiClO4、LiBF4、LiPF

58、6、LiAsF6有机锂盐： 三氟甲基磺酸锂LiCF3SO3 二(三氟甲基磺酰)亚胺锂LiN(CF3SO2)2 三(三氟甲基磺酰)甲基锂LiC(SO2 CF3)73信息材料主题医学知识电解质（溶质 + 溶剂）溶质：73信息材料主题医学知识锂离子电池隔膜材料隔膜的作用是隔离电池正负极, 防止两者直接接触, 但能使电解液中的电解质离子自由通过。聚乙烯( PE) 多孔膜由于具有良好的电化学性能和力学性能, 常被用来作为锂离子电池隔膜。但聚乙烯的非极性表面导致其对极性电解质溶液的润湿性不佳, 因此电解液保持能力较差, 制约了电池的使用寿命。多种方法可对PE薄膜进行改性，其中一种改性方法： 在PE表面进行

59、紫外光接枝MMA74信息材料主题医学知识锂离子电池隔膜材料多种方法可对PE薄膜进行改性，其中一种改性液体锂离子电池的安全性机遇和事故常常相伴。电解液：有机溶剂75信息材料主题医学知识液体锂离子电池的安全性机遇和事故常常相伴。电解液：75信息材聚合物锂离子电池 聚合物锂离子电池：采用聚合物膜作为电解质的锂离子电池。 聚合物电解质：含有聚合物材料且能像液体一样导电的电解质。对聚合物电解质膜的要求 高的离子导电率和电子绝缘； 锂离子迁移数基本不变，以减小浓差极化； 化学和电化学稳定性高； 良好的机械强度； 价格低廉，无污染。76信息材料主题医学知识聚合物锂离子电池对聚合物电解质膜的要求76信息材料主

60、题医学知锂离子聚合物电池电解质：继Wright 等首次发现聚氧乙烯( PEO) 与碱金属盐配位具有离子导电性后, Armand 等提出PEO/ 金属盐配位物作为带有碱金属电极的新型可充电池的离子导体, 使得聚合物电解质的研究进入了一个崭新的阶段。已开发的固体聚合物：锂盐LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、Li( CF3SO3)3 等溶于高分子量聚醚, 如PEO、PPO ，形成固溶体。缺点是室温电导率偏低。改进方法：( 1) 聚合物改性：适度交联抑制聚醚结晶；适度支化；合理共聚，聚偏氟乙烯( PVDF) 、六氟丙烯( HFP) 和聚乙二