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电子材料课后题

鏃ユ湡;2019-09-05  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  第一章 电子材料概论 1.晶体有哪些基本特征?简述晶体与非晶体的异同。 答:晶体的宏观特征:(1)有规则的外形(自范性)(2)晶体的均匀性,来源于晶体中原 ; 子排布的周期性规则, 宏观观察中分辨不出微观的不连续性; (3) 物理性质的各异向性; (4) 稳定性,晶体有固定的熔点; (5)解理性 非晶态的特点:原子的空间排列不具有周期性,长程无序,短程有序;物理性能各向同性; 介稳状态。 2.晶体中的缺陷及其类型有哪些? 答:晶体中的缺陷,是指实际晶体与理想的点阵结构发生偏离的地区。由于点阵结构具有周 期性和对称性,所以凡使晶体中周期性势场畸变的因素称为缺陷。 类型:电子缺陷,原子缺陷。原子缺陷:杂质、位错、空位等。原子缺陷按几何形状分为:点 缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷、微缺陷。 3.什么是晶粒间界?大角度晶界有哪些常用模型?相界有哪些类型? 答:单相多晶材料中,晶粒与晶粒间的过渡区,称晶粒间界(GB) 。 大角度晶界常用模型:过冷液体模型,小岛模型。 相界:系统内含有两个或两个以上的相,当处于热力学平衡时,不同相之间的界面。类型: 非共格相界,共格相界,准共格相界,分界面。 4.简述 X 射线结构分析的基本原理和常用方法。 答:由于晶体中原子排列的对称性和周期性,X 射线对晶体来说是天然光栅,所以当 X 射 线通过晶体时,就会出现衍射现象,因而通过对衍射花样的分析和计算,就可以获得晶体结 构的各种参数。 常用方法:单晶衍射法,粉末法。 5.简述近代表面分析方法的基本原理和常用表面分析方法。 答: 用一定能量的某种射线或粒子束去激发固体表面后, 将产生带有某种表面信息的表面射 线,用这种射线进行能量分布的分析。 1 常用表面分析方法:透射电子显微镜,扫描电子显微镜。 6.简述纳米材料的结构与性能特征。 答:纳米材料是指材料中颗粒(晶粒)尺寸处于纳米范围(2~10nm)的金属、合金、金属 氧化物、无机物或聚合物等材料,包括纳米微粒、纳米结构、纳米复合材料; 材料本身具有量子尺寸效应、表面界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 7.什么是复合材料与梯度功能材料? 答:复合材料是由两种或两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相体。 梯度功能材料(FGM)由一种功能向另一种功能在空间和时间上连续变化的材料。 第二章 导电材料 1.电导率与百分电导率的定义是什么?它们之间有何区别? 答:电阻率的倒数为电导率,用来表示导体的导电度。这个电导率与国际标准软铜的电导率 之比的百分率,称为百分电导率(或称为%IACS 电导率)单位为%。 2.举例说明电极及电刷材料在电子元器件中的应用。 答:电容器、引出线,电刷材料用于电位器。 3.厚膜导电材料有何主要特征?影响其性能的因素有哪些? 答:厚膜导电材料具有很低的电阻率、容易进行焊接、焊点有良好的机电完整性、与基片的 粘附牢固等特点。另一重要特征是导体膜与基片的结合强度(键合强度) 。 影响其性能的主要因素是功能相(导电体)和粘结剂(玻璃)的优劣。 4.对薄膜导体有哪些要求?列出几种常用的薄膜导体材料。 答:对薄膜导电材料的主要要求: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。 几种常用的薄膜导体材料:铝薄膜、铬-金薄膜和镍铬-金薄膜、钛-金薄膜、钛-钯-金薄膜和 钛-铂-金薄膜、镍铬-钯(铂)-金薄膜、镍铬-铜-钯(铂)-金薄膜、钛-铜-镍-金薄膜和铬-铜 2 -镍-金薄膜、铁铬铝-铜-金薄膜、透明导电薄膜。 5.导电聚合物按结构特征和导电机理分为哪几种类型? 答:根据载流子的不同,导电高分子的导电机理可分为三种:电子导电、离子导电和氧化还 原导电三种; 按结构特征和导电机理分为三类: ①载流子为自由电子的电子导电聚合物; ②载流子为能在 聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物; ③以氧化还原反应为电子转移机理的氧化 还原型导电聚合物(导电能力是由于在可逆氧化还原反应中电子在分子间的转移产生的) 。 第三章 电阻材料 1.简述纳米效应 答:纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原 本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限 时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比 例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 2.衡量导电材料和电阻材料电性能的主要参数有哪些?怎样定义的? 答:电阻:指材料在一定程度上阻碍电流流通,并将电能转变为热能的一种物理性质。 电阻率 电阻温度系数:温度每改变 1℃时电阻值的相对变化量。 3.薄膜导体材料的主要要求有哪些,列出几种常用的薄膜导体材料。 答:对薄膜导电材料的主要要求: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。 几种常用的薄膜导体材料:铝薄膜、铬-金薄膜和镍铬-金薄膜、钛-金薄膜、钛-钯-金薄膜和 钛-铂-金薄膜、镍铬-钯(铂)-金薄膜、镍铬-铜-钯(铂)-金薄膜、钛-铜-镍-金薄膜和铬-铜 -镍-金薄膜、铁铬铝-铜-金薄膜、透明导电薄膜。 3 4.论述硅碳膜电阻材料的结构组成及作用。 答: 硅碳膜是用含硅的有机化合物和碳氢化合物同时热分解而制成, 也可用依次热分解硅有 机化合物和碳氢化合物制得。硅碳膜具有耐潮、耐腐蚀的特性。 结构组成: 硅碳膜分为三层, 底层、 中间层和最外层。 在底层中主要含有 SiO2 和 C, SiO2 其 和基体玻璃相形成 Si-O 键,增加了硅碳膜对基体的附着力;中间层为主要导电层,与纯碳 膜的结构和性能类似;最外层为保护层,主要含有 SiO2 和少量的 ?-SiC。SiO2 是一种耐温、 耐潮和耐腐蚀的材料,它对主导电层起保护作用。同时 SiO2 是一种绝缘材料,它的晶粒渗 入主导电层的晶粒间界中, 对碳的晶粒起着隔离和增大间隙的作用, 因而使整个膜层的电阻 率增大。 5.厚膜电阻浆料主要由那些部分组成,分别起什么作用? 答: (1)厚膜电阻浆料的组成——由导电相(又称功能相) 、粘结相、有机载体和改性剂组 成。 (2)①导电相主要由一些导电微粒组成,一般有两大类。一类是金属粉及金属氧化物粉, 另一类是非金属及非金属化合物和有机高分子。 ②粘结相主要起粘结导电相和坚固电阻体的作用,同时还有调整阻值、改善性能、提高膜层 附着力等作用。 一类是无机粘结剂,另一类是有机粘结剂。 ③有机载体—— 有机载体由溶剂、增稠剂、流动性控制剂和表面活性剂组成。 溶剂是比较粘稠的有机液体,能够提供极性基团,其特点是能够溶解纤维素之类的增稠剂。 主要起调节电阻浆料的粘度、增大流动性。 增稠剂是提高浆料的粘稠性和塑性。 一般采用具有网状、 链状结构的高分子量的有机聚合物 为增稠剂。 4 流动性控制剂主要防止烧结初期膜层中载体受热软化和熔融时产生二次流动。 表面活性剂主要用于降低载体与固体粉粒界面的表面张力, 使有机载体能充分润湿固体粉粒 表面。 6.简述钯银电阻导电机理。 答:钯银电阻的导电主要是靠半导体氧化钯( PdO ) 、钯银合金( Pd-Ag )以及钯粉和 银粉所构成的导电链进行导电。 PdO 是 P 型半导体,由于 Pd+2 的空位会引起两个 Pd+3 中心,以保持电中性,这样空 穴就会从 Pd+3 迁移到邻近的 Pd+2 ,形成电导; 钯银合金的导电机理与钯银固熔体的合金相似, 它的导电是靠电子的运动形成的。 它的电阻 的产生是由于杂质引入而导致晶格畸变,引起电子散射,使阻值增加;另一方面由于温度的 增加而引起电子热运动速度加剧, 使单位时间碰撞次数增多, 电子的平均自由行程长度缩短, 从而引起电阻增加。 钯银厚膜电阻中,还存在着银颗粒,钯颗粒参与导电。它们 是靠金属粒子相互接触形成导 电链进行导电,这种链的电阻一方面决定于导电颗粒自身电阻,即纯金属的电阻,另一方面 则由颗粒间 的接触电阻来决定。 还存在一些金属导电颗粒、PdO 颗粒和钯银合金颗粒之间不完全接触,但靠得很近。此导 电是靠隧道效应、势垒导电或 间隙导电形成的电导。 7.简述薄膜和厚膜的常用制备工艺,他们各有何优缺点。 答:厚膜技术——利用丝网印刷或流延法(还包括轧膜法、刮板技术等)与烧结技术制成导 线电路与电阻、电容等器件。 8.电阻材料的电阻与哪些因素有关?在实际应用中为什么常将电阻材料做成箔、 薄膜、 厚膜 和线状,而在成分上常用合金、合成物和氧化物? 答:电阻材料的电阻值是温度的函数,电阻值与温度有关,由于导电机理不同,与温度的关 系也不同。在实际中,为了提高金属和合金材料的电阻率和降低电阻温度系数,尽量采用合 5 金、多元合金,有温度系数补偿杂质的合金;把金属合金做成线材、薄膜、厚膜或箔状;在 金属和合金粉状材料中加入绝缘填充料, 用有机或无机粘结剂制成合成型电阻材料; 将金属 和合金氧化物或其他非金属材料组成化合物等。 9.金属、合金、金属氧化物、合成物等电阻材料的导电机理是什么?它们的电阻率与温度有 何关系? 答:纯金属:自由电子与晶格的碰撞引起散射而产生的。电阻率与温度成正比,电阻温度系 数为正值,随温度的增加而下降。 合金:由于在金属中加入了其他金属杂质原子之后,破坏了原来晶格的周期性排列,使自由 电子的散射几率增加。电阻率与温度的关系:ρ=A(B+T) 。 金属氧化物:除了晶格振动和杂质散射引起的电阻外,还有其他缺陷如填隙原子、空格点、 位错和晶界等,也对电子有散射作用。高温时,电阻率与温度成正比,低温时,与温度的五 次方成正比。 合成型: 一些间断导电链之间存在着极薄的介质间隙, 分散的导电颗粒之间也存在着一种极 薄的介质间隙层,它们在一定电场作用下会产生隧道效应,形成间隙导电。 第四章 超导材料 1.简述超导材料的四大特性 答:特性一:完全导电性(零电阻) ,超导体进入超导态时,其电阻率实际上等于零。 特性二:完全抗磁性(迈斯纳效应) ,不论开始时有无外磁场,只有 T<Tc,超导体变为超 导态后,体内的磁感应强度恒为零,即超导体能把磁力线全部排斥到体外,这种现象称为迈 斯纳效应。 特性三:同位素效应,同位素的质量越大,转变温度越低。例如,原子量为 199.55 的汞同 位素,它的 Tc 是 4.18K,而原子量为 203.4 的汞同位素,Tc 为 4.146K。 6 特性四:约瑟夫森效应(Jesephson,1940,22 岁时预言) ,两超导材料之间有一薄绝缘层 (厚度约 1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没 有电压,即绝缘层也成了超导体。 2.简述超导材料的三个临界参量之间的关系。 答:临界温度 Tc、临界磁场 Hc、临界电流 Jc 是约束超导现象的三大临界条件。 当温度超过临界温度时,超导态就消失;同时,当超过临界电流或者临界磁场时,超导态也 会消失,三者具有明显的相关性。 只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时,才能发生超导现象 (基本临界参量: 临界温度 Tc——外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度, Tc 表示。 以 Tc 值因材料不同而异。 临界磁场 Hc——使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以 Hc 表示。 在低于样品的 Tc 的任意确定温度下,当外加磁场强度 H 小于某个确定值时,样品处于超导 态。 Hc 与温度 T 的关系为 Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中 H0 为 0K 时的临界磁场。 临界电流 Ic 和临界电流密度 Jc——通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态 而转变为正常态,以 Ic 表示。Ic 一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的 Ic 称为临界电流密度,以 Jc 表示。 ) 3.举例说出几种典型低温超导材料和高温超导材料的成分及临界温度。 答:低温超导材料:强电超导材料典型代表--铌三锡(Nb3Sn, Tc =18K) 高温超导材料:4 种典型的高 Tc 氧化物系列:La-Sr-Cu-O(48.6K) ;Y-Ba-Cu-O(92K) ; Bi-Sr-Ca-Cu-O;Tl-Ba-Cu-O;二硼化镁(MgB2)超导材料(39K) ; 4.氧化物高温超导材料其结构上有何共性? 答:结构特点: 以铜氧化物为组分的具有钙钛矿层状结构。同低温超导体相比,高温超导材 7 料具有明显的各向异性,在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。 第五章 半导体材料 1.阐述半导体的电阻率跟杂质浓度和温度的关系。 2.在光照下,半导体中的电子主要有哪几种吸收? 答:主要有本征吸收,激子吸收,自由载流子吸收,杂质吸收和晶格振动吸收。 第七章 光电子材料 1.简述固体激光的发光原理。 答: 发光机制——受激辐射。受激吸收、自发辐射、受激辐射,受激吸收:原子因受满足 频率条件的光的激励而跃迁到较高能态的过程。 自发辐射 没有外界作用, 原子自发地由高 能态跃迁到低能态,并辐射一个光子的过程。 受激辐射若原子受到一个满足频率条件的外 来光子的激励,由高能态跃迁到低能态,则辐射出另一同频率的光子来的过程。受激辐射光 与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------光被放大了。 2.简述固体激光发光材料的基本类型及性能要求。 答:固体激光材料就基质结构可分为两大类:激光晶体和激光玻璃。激光晶体材料的基质为 晶体,即有序结构的固体;而激光玻璃材料的基质则为玻璃,即无序结构的固体。 对固体基质材料的性能要求:①具有强的荧光辐射、高的量子效率、适当的荧光寿命和受激 发射截面;②应具有优良的静态光学均匀性;③要求激光材料的热膨胀系数小、强度高、热 导率高、光照稳定性和化学稳定性要好;④激光材料还应易于制备加工。 性能要求:A. 荧光线宽:荧光线宽比较窄,光泵阈值小,比较适合作为连续器件;大功率, 大能量的器件,要求荧光线宽大一些,这样可以减小自振,增加储能。 8 B. 荧光寿命:对于小阈值的能量,要求小的荧光寿命;对于巨脉冲的激光器,要求较大荧 光寿命。 荧光量子效率,能态转换效率,激光带宽度,吸收系数。这些值都要求大一些,利于充分的 利用能量。 振荡波长:要求要短 ,减少阈值能量,更容易的产生振荡。 E. 内部损耗:要小,无光吸收。 F .热光系数:要小,它表示材料的热稳定性。 G. 物化性能:良好的物理化学性能,如热膨胀系数小,弹性模量要大,热导率要高,化学 健态和结构稳定 H. 能级结构:四能级优于三能级,更加容易的建立亚稳态和终态 的粒子数反转。 I. 材料长度:为了超过临界振荡所需要的最小反转粒子数,材料要有足够的长度 3.简述发光材料的工作原理。 答:半导体发光机制:当在 PN 结上加以一个外加的正向电压时,原有的均衡被打破,漂移 电流减少,扩散电流增加,PN 结势垒变低,耗尽区变窄,新的载流子就会通过扩散大量注 入到耗尽区中,这些载流子在耗尽区中相互复合时,多余能量以光子形式辐射,产生发光。 4.对发光材料发光波长起决定作用的因数是什么? 答: 5.简述石英光纤的性能及一般制备方法。 答:性能:光损耗与传输带宽。 制备方法:准化学气相沉积法 MCVD,气相外延沉积法 OVD,气相轴向沉积法 VAD 6.简述透明导电薄膜的用途及基本要求。 答: 透明导电薄膜是兼备透光性和导电性的一类特殊薄膜。 作为透明导电薄膜的基本条件是: ①表面电阻低;②透光率高;③面积大、重量轻;④易加工、耐冲击。 用途:利用透明导电薄膜的电子部件有摄像管、场致发光显示板、飞机汽车窗玻璃的防雾和 9 防结冰装置等。广泛应用于电子照相、显示材料、防静电、热反射、光记录、磁记录等领域。 第八章 磁性材料 1.强磁性材料与弱磁性材料的根本区别是什么? 答:磁化率的大小和符号。 2.什么是尖晶石铁氧体的正分和非正分结构?影响离子分布的因素有哪些? 答: 铁氧体: 铁和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物。 尖晶石结构通式为 AB2O4, 其中 A 为 Mn2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、 Cu2+、Mg2+、Cd2+、Fe2+等,B 为 Fe3+。 影响金属离子分布的因素:(1)内因(2)外因:温度、应力、气氛。影响内能的因素 ①离子键; ②离子尺寸; ③晶场影响; ④共价键的空间配位性, 以上各种因素是同时起作用, 金属离子到底如何分布,应考虑各种因素的综合结果。 3.什么是软磁材料与永磁材料?比较它们磁滞回线的特点。 答:矫顽场小的物质,称为软磁材料, 能够在小的磁场中进行磁化或消磁。磁导率大,矫 顽力小,磁滞损耗低,磁滞回线呈细长条形。 永磁材料:材料被外磁场磁化以后,去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。 退磁曲线:磁滞回线位于第二象限的部分。磁能积:退磁曲线上每一点的 B 和 H 的乘积。 4.比较金属合金软磁材料和铁氧体软磁材料的性能。 答: 10


 
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