材料制备科学与技术考试重点

材料制备科学与技术

晶格：空间点阵可以看成在三个坐标方向上无数平行坐标轴的平面彼此相交所形成的格点的集合体，这些集合体是一些网络，称为晶格。

晶胞：空间点阵可分成无数等同的平行六面体，每个平行六面体称为晶胞。 熔盐生长方法（助熔剂法或高温溶液法,简称熔盐法）:是在高温下从熔融盐溶剂中生长晶体的方法。

蒸发沉积（蒸镀）: 对镀膜材料加热使其气化沉积在基体或工件表面并形成薄膜或涂层的工艺过程。

溅射沉积（溅射）:用高能粒子轰击靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。

离子镀：在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术,改善膜层性能。

外延：在单晶衬底上生长同类单晶体（同质外延），或者生长具有共格或半共格异类单晶体抑制外延的技术。 同质外延: 外延层与衬底具有相同或近似的化学组成，但两者中掺杂剂或掺杂浓度不同的外延。 异质外延: 外延层和衬底不是同种材料的外延.

溅射镀膜：用动能为几十电子伏的粒子束照射沉积材料表面，使表面原子获得入射粒子所带的一部分能量并脱离靶体后，在一定条件下沉积在基片上，这种镀膜方法称为溅射镀膜。

化学气相沉积（CVD）：在一个加热的基片或物体表面上，通过一个或几种气态元素或化合物产生的化学反应，而形成不挥发的固态膜层或材料过程称为化学气相沉积。

化学溶液镀膜法：指在溶液中利用化学反应或电化学原理在基体材料表面上沉积成膜的一种技术。

化学镀：利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。 阳极氧化法：铝、钽、钛、铌、钒等阀型金属，在相应的电解液中作阳极，用石墨或金属本身作阴极，加上合适的直流电压时，会在这些金属的表面上形成硬而稳定的氧化膜，这个过程称为阳极氧化，此法制膜称为阳极氧化法。 液相外延(LPE):指含溶质的溶液（或熔体）借助过冷而使溶质在衬底上以薄膜形式进行外延生长的方法。

分子束外延（MBE）：以蒸镀为基础发展起来的超薄层材料生长新技术，是是超高真空条件下的精控蒸发技术。 作业题如下：

晶体缺陷：实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域。可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。

缺陷形成能：它的数值可以直接反应特定缺陷形成的难易程度，材料合成环境对于缺陷形成的影响，以及复合缺陷体系的稳定性等等。

位错能（或位错的应变能）：晶体中位错的存在会引起点阵畸变，导致能量增高，这种增加的能量称为位错的应变能，包括位错的核心能量和弹性应变能量。

柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位置有差别）,形成所谓的“柯氏气团”。 位错反应：就是位错的合并与分解，即晶体中不同柏氏矢量的位错线合并为一条位错或一条位错线分解成两条或多条柏氏矢量不同的位错线。

过冷度：通常的熔体生长系统中，其中温度T略低于熔点Tm，亦即具有一定的过冷度。

界面能位垒：在表面能作用下，界面面积有缩小的趋势，便产生了附加压力，称界面能位垒

均匀成核：在亚稳相系统中空间各点出现稳定相的几率都是相同的，称为均匀成核

非均匀成核：在亚稳相系统中稳定相优先出现在系统中的某些局部，称为非均匀成核

自发形核：液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不和型壁接触，靠自身形成晶核核心的形核方式

非自发形核：靠液相中某些外来难熔质点或固体表面作为晶核核心的形核方式 成核率：单位时间，单位体积内能够发展成为晶体的晶核数，并以I表示 平衡分配系数：指在固液两相体系达平衡状态时，溶质在两相中的浓度的比值。

平衡凝固：在一定的压力条件下，凝固体系的温度、成分完全由相应合金的品平衡相图规定，此理想状态下的凝固过程成分过冷：由于在不平衡凝固时，液相中溶质分布不均匀在正常温度梯度下也会引起过冷（由于成分不均匀引起的过冷）

成分偏析：在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀使晶体中化学成分不均匀的现象。

宏观偏析：在不存在成分过冷且晶体以平面方式生长时，先结晶部分地溶质浓度低，后结晶部分溶质浓度高，晶体各宏观区域化学成分不均匀的现象。 胞状偏析：在小的成分过冷度条件下，晶体以胞状生长时，先结晶的凸出部分溶质含量低，被排出的溶质向周围扩散在侧向富集，最后结晶，因而晶胞内部溶质浓度低，胞界部位富集溶质，形成胞状偏析。

树枝状偏析：当成分过冷很大，晶体以树枝状方式生长时，先结晶的枝晶主干部分溶质含量低，后结晶的枝晶外周部分富集溶质，形成树枝状偏析。 居里乌尔夫定律：有热力学可知，在恒温恒压下，一定体积的晶体与溶液或熔体处于平衡态时，它所具有的形态（平衡形态）应使其总的表面能降至最少，在趋于平衡态时，晶体将调整自己的形态。以便使自己的表面能降低至最少。 奇异面：表面能级图上能量曲面上出现极小值的点所对应的晶面称为奇异面 邻位面：取向在奇异面附近的晶面 非奇异面：其他取向的晶面

g与界面层中晶体相原子成分X的函数关系：?界面的吉布斯自由能的变化 表面熔化温度;在温度低时光滑界面上的粗糙是很小的，虽然它随温度增加而增加，但不快；但温度增加到某一临界值TC时，界面的粗糙度突然增加，此时随温度增加粗糙度增加很快。这个临界值TC称为表面熔化温度。

特姆金模型;即扩散界面模型，又称多层界面模型。利用这种模型可以确定热平衡条件下界面的层数，并根据非平衡状态下界面自由能的变化推测出界面相变熵对界面结构的影响

面扩散激活能：指吸附分子能够面扩散所必须具有的能量 面扩散距离(定向迁移率)：无规则漂移在给定方向的迁移为XS

恒定的晶面生长过程中给定面指数的晶面运动轨迹为直线。 1次成键。?弗兰克运动学第一定律：密度不变的台阶群就是给定指数的晶面，亦即倾角 2气相生长方法可分三类 。

3气相生长中的输运过程中压力的分类：当时，分子运动主要由扩散确定; 当对流控制。

45水热法的生长装置：6熔盐法生长晶体在停止生长后把晶体与残余物的溶液分离的方法：7从熔体中生长单晶的典型方法大致有：1法）；2、逐驱熔化法（水平区熔法、浮区法、基座法、焰熔法）。其中晶体提拉法中的加热方式有电阻加热、高频感应加热、激光加热、电子束加热、等离子体加热、弧光成像加热。B-S方法中坩埚下降法有垂直式和水平式。 8薄膜材料的制备方法从学科上分为三种方式。 9薄膜的生长过程可分为3种类型：。

10物理气相沉积（PVD）包括等。

11把蒸镀材料加热化的主要方法有电阻加热、电子束轰击、射频感应等。 12溅射镀膜的装置有。 13离子镀的四种方法：

14化学气相沉积（CVD）根据化学反应的形式可分为和

15化学气相沉积（CVD）工艺装置有等。其中反应器的基本类型有式和钟罩式。

16按照沉积温度的高低CVD反应器又可分为反应器; 根据沉积时系统压力的大小，CVD又可分为常压CVD（NPCVD）和低压CVD（LPCVD）。 17影响沉积质量的因素 18CVD的设备：。

19膜厚的测量与监控方法：称重法（石英晶体法、微量天平法）、 电学方法（电阻测量法、电容测量法、品质因素（Q值）变化测量法、电离法）、光学方法（测量光吸收系数的方法、光干涉方法、椭圆偏振法）专用厚度监控方法：光电法、触针法

20 面心立方（FCC），单胞原子数 ；半径 ；配位数为 ；致密度 ；密排方向 ；密排面 ; 体心立方（BCC），单胞原子数 ；半径 ；配位数为 ；致密度 ；密排方向 面 (110) ; 1， 过饱和点缺陷的产生方式； 2， 位错形式； 3，

1气相生长的方法和原理：（1）升华法 是将固体在高温区升华，蒸气在温度梯度的作用下向低温区输运结晶的一种生长晶体的方法。（2）蒸气输运法 是在一定的环境（如真空）下，利用运载气体生长晶体的方法，通常用卤族元素来帮助源的挥发和原料的输运，可以促进晶体的生长。（3）气相反应法 即利用气体之间的直接混合反应生成晶体的方法。

2在气相系统中，通过可逆反应生长时，输运可分成三个阶段：（1）在原料固体上的复相反应（2）气体中挥发物的输运（3）在晶体形成处的复相逆向反应 3根据晶体的溶解度与温度的关系，从溶液中生长晶体的具体方法：（1）降温法，其基本原理是利用物质较大的正溶解度温度系数，在晶体生长的过程逐渐

降低温度，使析出的溶质不断在晶体上生长。（2）流动法（温差法） （3）蒸发法 将溶剂不断蒸发减少，从而使溶液保持在过饱和状态，晶体便不断生长。（4）凝胶法 以凝胶作为扩散和支持介质，使一些在溶液中进行的化学反应通过凝胶扩散缓慢进行，从而使溶解度较小的反应物在凝胶中逐渐形成晶体的方法。

2p （3）密封结构良好。???Dn?Dw?4对高压釜的要求：（1）制作材料，要求在高温高压下有很高的强度，在温度为200~1000℃范围内，能耐压（2~100）*10^7Pa，耐腐蚀，化学稳定性好。（2）釜壁的厚度按理论公式计算：Kd （4）高压釜的直径和高度比。一般对于内径为100~200mm的高压釜来说，内径与高度之比为1：16左右。内径增加，上述比例也相应增加。（5）耐腐蚀，特别是耐酸碱腐蚀。

5助熔剂的选择应具备的物理化学特性：（1）对晶体材料必须具有足够大的溶解度（2）助熔剂在晶体中的固溶度应尽可能的小（3）有尽可能低的熔点，尽可能高的沸点（4）具有很小的挥发性和毒性（5）对铂或其他坩埚材料的腐蚀性要小（6）在熔融态时，助熔剂的比重应与结晶材料相近，否则上下浓度不易均一

薄膜的生长过程中核生长型分为四个阶段：（1）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。（2）晶核长大并形成较大的岛,这些岛常具有小晶体的形状（3）岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络（4）沟道被填充 7真空蒸发镀膜中制膜过程的四个物理阶段：（1）淀积材料蒸发或升华为气态（2）原子或分子从蒸发源输运到基片上（3）蒸气粒子在基片上沉积（4）粒子在机体表面从新排列或他们的键发生变化，凝结成膜。

8残存气体对制膜的影响：影响蒸发过程、沉积膜的质量。残余气体是蒸发膜受污染的原因之一。在蒸发淀积过程中，残余气体分子会撞击带基片上而被薄膜吸附和进入薄膜中。根据到达基片的气体分子与蒸汽分子之比可知：对于一定的蒸发材料，残余气压越低，对薄膜的污染越小，蒸发速率越大，污染也越小。薄膜边缘部分淀积膜最薄，膜的生长率低，污染也就要大些。当然，薄膜中残余气体分子的含量与蒸发材料和残余气体的性质、薄膜结构、基片温度和系统的物理化学平衡等因素有关。

9物理气相沉积蒸发源的类型及优缺点：（1）电阻加热 优点是可以从各个方向发射蒸气 缺点是只能向上发射。 （2）电子束加热 优点1、直接对蒸发材料加热 2、装蒸发料的容器可以是冷的或者用水冷却，从而可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发。 3、可蒸发高熔点材料 缺点 1、装置复杂 2、只适合于蒸发单质元素 3、残余气体分子和蒸发材料的蒸汽会部分被电子束电离 （3）射频感应加热 优点 1、热效率高，功率直接输给蒸发材料，减少了传导过程的损耗 2、当蒸发料是半导体时，坩埚不需要导电或导热 缺点 1、需要复杂的高频发生装置，而且必须屏蔽，以防干扰 2感应线圈附近的残余气体易被高频场电离

10化学气相沉积中基体必须满足以下条件：1、基体材料与沉积膜层材料之间有强的亲和力 2、基体和沉积膜层在结晶结构上有一定的相似性 3、基体材料与沉积膜层材料有相近的热膨胀系数

11化学气相沉积中影响沉积质量的因素：1、沉积温度 沉积温度越高则沉积速率越大，沉积物越致密。但沉积温度的选择还要考虑沉积物结晶结构的要求以及的基体的耐热性 2、反应气体的比例 为了得到较好的沉积速率和高质量的B-N薄膜，必须通过实验来确定各物质间的最佳流量比 3、基体对沉积膜层的影响 一般要求沉积膜层与基体有一定的附着力。

1柏氏矢量的确定方法；先确定位错线的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指向位错线正向，回路方向按右手螺旋方向确定。

2柏氏矢量与位错类型的关系；利用柏氏矢量b 与位错线的关系，可判断位错的类型。若b//t，则为螺旋位错，其中同向为右螺旋，反向为左螺旋；若b t，则为韧性位错，其中正负用右手法则判定，右手拇指，食指与中指构成一直角坐标系，以食指指向t方向，中指指向b正反向，则拇指代表多余半原子面方向，多余半原子面在上的称为正刃型位错，反之为负韧性位错。

3位错反应条件：（1）几何条件；根据柏氏矢量的守恒性，反应后诸位错的柏氏矢量之和应等于反应前诸位错的柏氏矢量之和；即 （2）能量条件；从能量角度要求，位错反应必须是一个伴随着能量降低的过程。由于位错的能量正比于其柏氏矢量的平方，所以，反应后各位错的能量之和应小于反应前各位错的能量之和；即

4晶体中的缺陷，根据其几何形态的不同可分成几种类型？说明各种类型的物理意义

答；晶体中的缺陷，根据其几何形态的不同可分成四种类型。（1）点缺陷 是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。（2）线缺陷 是指晶体内部结构中沿着某条线（行列）方向上的周围局部范围内所产生的晶格缺陷。（3）面缺陷 是指沿着晶格内或晶粒间某些面的两侧局部范围内所出现的晶格缺陷。

（4）体缺陷 如果在任何方向上缺陷区的尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟，那么这种缺陷称为体缺陷。

5点缺陷有哪几种类型，是分别作说明;点缺陷有两种基本类型，即空位和填隙原子。空位指空着的原子位置，填隙原子指被挤进点阵间隙的原子。 6位错有几种类型，主要特征是什么？（1）韧性位错 1）刃型位错有一个额外的半原子面；2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线；3)滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。这是由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量相垂直，所以，由它们构成的平面只

有一个；4)晶体中存在刃型位错后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。；5)在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。（2）螺型位错 1)螺型位错没有额外半原子面，原子错排是呈轴对称；2)螺型位错沿位错线原子面呈螺旋形，每绕轴一圈，原子面上升一个原子间距。3)螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是一直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。4)纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。5)螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变。6)螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，是线缺陷。

7位错的运动方式有哪些？其形成原因分别是什么？（1）位错的滑移；在外力作用下，位错线在其滑移面上运动，结果导致晶体永久变形。（2）位错的攀移；刃型位错在晶体内沿着垂直于滑移方向上的运动。实质是多余半原子面的伸缩或缩短。

8实际晶体中的位错取决于什么？其检测方法有哪些？（1）晶体结构和所处的能量条件。（2）化学腐蚀法，X射线衍射形貌照相法和扫描电子显微镜法。 9 相变驱动力及其与晶体生长的关系； g为相变驱动力，单个原子由流体相转变为晶体相时引起的系统吉布斯自由能的降低，或者说使单个原子从流体相变为晶体相的力。当 g《0时，f为正，表示f指向流体，即此时晶体生长；当 g》0时，f为负，表示f 指向晶体，即此时晶体溶解或熔熔化，升华；当 g=0时，f=0,界面不动，晶体和溶液处于平衡，晶体不长也不熔。

10 界面压力产生的原因以及大小；（1）两相间如果有弯曲界面存在，表面张力就会导致附加力的出现，结果出现弯曲界面处两相的压力就会彼此不等，其差值称为界面压力。 （2）界面压力的一般表达式

11 开而芬关系式，分析r>0和r<0时Pe与Po的大小关系；由 当r>0 时，此时Pe>Po;当r<0时，Pe

12 正温度梯度和负温度梯度下晶体的生长方式；（1）正温度梯度下，在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿温度较高而放慢生长，因此可理解为齐步走，称为平面推进方式。（2）负温度梯度下生长；晶体以树枝晶方式生长。

13晶体生长可能的途径有哪些？

14 定向迁移率对晶体生长的基本过程影响；吸附分子的定向迁移率Xs对晶体生长的基体过程影响很大。Xs的大小将影响到流体分子达到界面上扭折位置的途径。若Xs较大，而界面上台阶的间距以及台阶上扭转位置的距离小于Xs，这意味着吸附分子在其寿命内就可能和台阶或扭折相遇而被捕获。因而在这种

情况下，界面上的所有吸附都对生长有贡献，生长将按B途径进行，气相生长就是按这种方式生长。如果Xs很小，则生长只能按途径C的方式进行，此时生长只能是流体分子通过扩散直接到达扭折位置，这种方式是溶液生长系统中较常见的。

15 如何划分单维和多二维核生长模式；（1）若Tn》Ts时，表明二维晶核形成后，在新的二维晶核再次形成前有足够的时间让该核的台阶扫过整个晶界，于是下一个二维晶界核将在新的界面上形成。因而，每一层晶面的生长仅用了一个二维晶核，这样的生长方式成为单维核生长（2）若Tn《Ts时，表明单个核的台阶扫过晶面所需的时间远远超过连续二次成核的时间间距，而同一层镜面的生长，就需要两个以上的二维晶核，这样的生长方式称为多二维核生长。 16，光滑界面二维成核生长机制；光滑界面上被吸附的流体原子或分子，可以聚成二维胚团。二维胚团一旦出现，系统就增加了棱边能，棱边能的作用与界面能的作用完全相似，形成了二维成核的热力学位垒，只有当二维胚团的尺寸达到某个尺寸时，胚团才能成为自发长大的二维晶核 17，界面结构，生长机制和生长动力学规律

18,单晶生长的方法如何分类？它们各自的特点及适用范围如何？

答：通常按照生长单晶时原料状态对可以把生长方法分类为气相、液相和固相。由于熔体中生长晶体与从水溶液中生长晶体有很大的差异，所以液相生长法又可区分为液相生长法和熔体生长法。 气相生长法包含有大量变量使生长过程较难控制，所以用气相法来生长大块单晶通常仅适用于那些难溶或熔体生长的材料。溶液法生长范畴包括水溶液、有机溶剂和其他无机溶剂的溶液、熔盐（高温溶液）以及水热溶液等。熔盐生长法适用范围很广，因为对于任何材料原则上说都能找到一种溶剂，但在实际中要找到适合的溶剂却是熔盐生长的一个既困难又很关键的问题。

19, 熔体法生长晶体的特点是什么？特点；（1）在熔体生长过程中，热量的传输对晶体的生长起支配作用；（2）对于那些掺杂的或非同成分熔化的化合物，在界面会出现溶质分凝问题.

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