功能材料-功能玻璃.ppt

1、硕士研究生课程硕士研究生课程功能材料功能材料吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院 功功 能能 玻玻 璃璃讲授：孙彦彬讲授：孙彦彬 由由于于原原子子能能、电电子子工工业业、计计算算机机、医医疗疗、激激光光等等近近代代科科学学技技术术的的发发展展及及国国防防工工业业的的需需要要，玻玻璃璃材材料料和和其其他他无无机机非非金金属属材材料料一一样样，发发展展非非常常迅迅速速。在在玻玻璃璃分分类类中中把把许许多多新新型型玻玻璃璃材材料料归归入入特特种种玻玻璃璃。功功能能玻玻璃璃是是指指与与传传统统玻玻璃璃结结构构不不同同的的、有有某某一一方方面面独独特特性性能能的的、有有专专门门用用途途的

2、的、或或者者制制造造工工艺艺有有明明显显差差别别的的一一些些新新品品种种“玻玻璃璃”。功功能能玻玻璃璃近近年年来来发发展展迅迅速速，它它除除了了具具有有普普通通玻玻璃璃的的一一般般性性质质以以外外，还还具具有有许许多多独独特特的的性性质质，如如磁磁光光玻玻璃璃的的磁磁-光光转转换换功功能能、声声光光玻玻璃璃的的声声光光特特性性、导导电电玻玻璃璃的的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。导电性、记忆玻璃的记忆特性等。新新型型功功能能玻玻璃璃材材料料的的开开发发主主要要依依赖赖于于如如CVD、PVD、等等离离子子溅溅射射、溶溶胶胶-凝凝胶胶、材材料料复复合合等等各各种种高高新新技技术术、新新工工艺艺在在玻

3、玻璃璃制制造造中中的的巧巧妙妙运运用用，这这些些巧巧妙妙运运用用赋赋予予功功能能玻玻璃璃材材料料许许多多新新的的特特性性，使使其其塑塑造造成成具具有有各各种种专专用用功功能能的的特特性性材材料料从从而而为为现现代代光光量量子子技技术术提提供供了了更更新的材料和器件。新的材料和器件。随随着着材材料料制制备备手手段段的的不不断断提提高高和和发发展展，新新技技术术、新新工工艺艺的的出出现现，玻玻璃璃材材料料的的开开发发日日新新月月异异，具具有有各各种种探探索索性性能能的的玻玻璃璃不不断断的的涌涌现现出出来。来。新新型型功功能能玻玻璃璃就就是是采采用用高高纯纯原原料料、新新型型技技术术、新新的的制制备

4、备方方法法或或在在特特殊殊的的条条件件下下形形成成的的具具有有某某种种特特殊殊功功能能的的玻玻璃璃或或无无机机非非晶晶态态材材料料，它它与与通通常常玻玻璃璃相相比比具具有有许许多多明明显显的的特特征征，主主要要表现在：表现在：(1)玻玻璃璃化化方方面面，通通常常玻玻璃璃是是在在大大气气中中进进行行熔熔融融而而制制得得的的，而而新新型型功功能能玻玻璃璃是是采采用用超超急急冷冷法法、溶溶胶胶-凝凝胶胶法法、PVD法法、CVD法法以以及及特种气氛等方法而制得的；特种气氛等方法而制得的；(2)成成型型方方面面，通通常常玻玻璃璃主主要要产产品品是是板板材材、管管材材、成成瓶瓶、成成纤纤等等，而而新新型型

5、功功能能玻玻璃璃则则是是微微粉末、薄膜、纤维状等；粉末、薄膜、纤维状等；(3)在在加加工工方方面面，通通常常玻玻璃璃采采用用烧烧制制、研研磨磨、急急冷冷强强化化等等方方法法，而而新新型型功功能能玻玻璃璃则则采采用用结结晶晶化化、离离子子交交换换法法、分分子子溅溅射射、分分相相、微微细细加工技术等；加工技术等；(4)在在用用途途方方面面，通通常常玻玻璃璃主主要要用用于于建建筑筑、容容器器、光光学学制制品品等等，而而新新型型功功能能玻玻璃璃主主要要用用于于光光电电子子、光光信信息息情情报报处处理理、传传感感显显示示、精精密密机械以及生物工程等领域。机械以及生物工程等领域。功功能能玻玻璃璃按按照照其

6、其功功能能来来划划分分，可可分分为为以以下下几几种。种。微晶玻璃微晶玻璃光导纤维玻璃光导纤维玻璃激光玻璃激光玻璃光色玻璃光色玻璃半导体玻璃半导体玻璃非线性光学玻璃非线性光学玻璃功功能能玻玻璃璃磁功能玻璃磁功能玻璃生物玻璃生物玻璃机械功能玻璃机械功能玻璃功能玻璃薄膜功能玻璃薄膜 半导体玻璃半导体玻璃 提提到到半半导导体体材材料料人人们们很很自自然然地地就就会会想想起起硅硅和和锗锗单单晶晶体体，并并且且用用它它制制作作了了一一系系列列电电子子器器件件，从从最最简简单单的的二二极极管管发发展展到到目目前前的的绿绿豆豆大大小小面面积积的的硅硅片片上上集集成成几几万万乃乃至至几几十十万万个个元元件件的的

7、大大规规模模集集成成电电路路，这这些些用用单单晶晶半半导导体体材材料料做做成成的的电电子子元元件件已已经经在在各各个个方方面面得得到到了了广广泛泛的的应应用用。至至于于玻玻璃璃通通常常被被认认为为是是绝绝缘缘体体，但但是是当当人人们们对对玻玻璃璃材材料料的的性性能能深深入入研研究究以以后后，也也确确实实发发现现有有些些玻玻璃璃在在一一定定的的条条件件下下并并不不是是真真正正的的“绝绝缘缘体体，它它们们是是具具有有一一定定的的导导电电本本领领的的，其其电电阻阻大大小小介介于于绝绝缘缘体体与与导导电电体体之之间间，我我们们称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。称这种玻璃为半导玻璃或玻璃半导体。一、半导

8、体玻璃分类一、半导体玻璃分类玻玻璃璃的的种种类类是是很很多多的的，五五颜颜六六色色，其其化化学学成成分分也也是是各各种种各各样样，其其中中能能形形成成玻玻璃璃半半导导体体的的大大体体上上有有三三类类，一一类类是是元元素素(如如硒硒、硅硅)半半导导玻玻璃璃，另另一一类类是是金金属属的的氮氮化化物物、氧氧化化物物半半导导体体玻玻璃璃，还还有有一一类类是是硫硫系系(如如含含硫硫、砷砷、碲碲的化合物的化合物)半导体玻璃。半导体玻璃。一一般般半半导导体体的的电电阻阻率率介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间，在在10-6107m，并并分分为为本本征征半半导导体体和和杂杂质质半半导导体体两两种种。杂杂质

9、质半半导导体体包包括括空空穴穴型型(p型型)半半导导体体和和电电子子型型(n型型)半半导导体体，玻玻璃璃半半导导体体主要属于杂质半导体类型。主要属于杂质半导体类型。(1)元素半导体玻璃元素半导体玻璃 如硒、硅、锗等。如硒、硅、锗等。(2)氧化物半导体玻璃氧化物半导体玻璃 这这类类玻玻璃璃含含有有大大量量钒钒、铁铁、钨钨、钴钴、镍镍等等过过渡渡元元素素，研研究究得得较较多多的的是是钒钒磷磷酸酸盐盐玻玻璃璃和和铜铜硼硼酸酸盐盐玻玻璃璃，如如V2O5-P2O5-BaO，CuO-B2O3-CaO及及MnO-Al2O3-SiO2等等系系统统。其其导导电电性性是是由由于于过过渡渡金金属属离离子子具具有有两

10、两种种不不同同价态而引起的电子跃迁过程所造成的。价态而引起的电子跃迁过程所造成的。这这种种玻玻璃璃通通常常是是n型型半半导导体体，电电阻阻率率在在10106m之之间间，载载流流子子密密度度为为1010cm-3，迁迁移移率率一一般般在在10810-2cm2V-1s-1。表表征征氧氧化化物物玻玻璃璃的的热热电电转转换换常常数数赛赛贝贝克克系系数数在在1001000VK-1(300以以下下)范范围围变变化化。（一一块块导导体体或或者者半半导导体体的的两两端端如如果果温温度度不不同同就就会会产产生生温温差差电电动动势势,称称为为赛赛贝贝克克效效应应，又又称称热电效应）热电效应）(3)非氧化物半导体玻璃

11、非氧化物半导体玻璃(硫系玻璃硫系玻璃)这这类类玻玻璃璃是是As、Sb、Ti、P、Ge、Si等等元元素素的的硫硫化化物物、硒硒化化物物、碲碲化化物物或或这这几几种种化化合合物物的的混混合合物物以以适适当当比比例例混混合合熔熔融融而而成成。其其电电导导率率随随成成分分而而变变，界界限限从从10-1210-1Sm-1(西西门门子子每每米米)。这这类类玻玻璃璃是是电电子子导导电电。硫硫系系玻玻璃璃半半导导体体的的品品种种很很多多，迄迄今今研研究究得得比比较较充充分分的的有有As2S3、As2Se3、As2Te3及及As2Se3-As2Te3、As2Se3-As2Te3-Te2Se等。等。与与晶晶态态半

12、半导导体体相相似似，玻玻璃璃半半导导体体也也存存在在导导带带和和价价带带，两两者者间间也也有有禁禁带带。能能带带的的存存在在不不依依赖赖于于晶晶格格的的周周期期性性，但但是是由由于于玻玻璃璃半半导导体体中中原原子子排排列列的的无无序序性性，能能带带拖拖有有“尾尾巴巴”，见见右右图图，在在晶晶态态半半导导体体中中能能带带的的状状态态是是电电子子共共有有化化运运动动的的状状态态，而而在在玻玻璃璃半半导导体体能能带带中中的的状状态态分分为为两两类类，一一类类叫叫扩扩展展态态；另另一一类类叫叫定定域域态。态。二、玻璃半导体的导电机理二、玻璃半导体的导电机理在在导导带带中中，能能量量EEc的的状状态态是

13、是扩扩展展态态，而而 EAEEC的的状状态态是是定定域域态态；在在价价带带中中，EEV的的状状态态是是扩扩展展态态，而而EVEEB的的状状态态是是定定域域态态。EC和和EV分分别别表表示示导导带带和和价价带带中中扩扩展展态态和和定定域域态态的的为为界界。当当电电子子处处于于扩扩展展态态时时，电电子子运运动动的的波波函函数数延延展展到到整整个个空空间间，它它类类似似于于晶晶态态半半导导体体中中的的共共有有化化运运动动状状态。态。当当电电子子处处于于定定域域态态时时，它它的的波波函函数数仅仅局局限限在在一一些些中中心心点点附附近近，这这时时电电子子不不能能在在整整个个玻玻璃璃中中作作共共有有化化运

14、运动动，而而只只是是在在比比较较小小的的范围内作定域运动。范围内作定域运动。在在扩扩展展态态中中，载载流流子子的的导导电电机机理理和和晶晶态态半半导导体体相相似似，但但在在定定域域态态中中的的载载流流子子却却只只能能和和晶晶格格振振动动相相互互作作用用、交交换换能能量量，才才能能从从一一个个定定域域态态跳跳到到另另一一个个定定域域态态，进进行行跳跳跃跃式导电。式导电。三、半导体玻璃的制备方法三、半导体玻璃的制备方法半半导导体体玻玻璃璃的的制制备备方方法法与与普普通通玻玻璃璃相相似似，只只是是在在制制造造普普通通玻玻璃璃的的原原料料中中按按一一定定比比例例加加入入一一些些其其他他元元素素化化合合

15、物物，把把原原料料加加热热熔熔化化后后再再冷冷却却，即即可可制制得得各各种种不不同同用用途途的的半半导导体体玻玻璃璃。因因而而与与单单晶晶半半导导体体材材料料硅硅、锗锗的的生生长长工工艺艺比比较较起起来来，要要简简单单方方便便得得多多，成本也会大大下降。成本也会大大下降。1.非晶硅的制备非晶硅的制备由由非非晶晶态态合合金金的的制制备备知知道道，要要获获得得非非晶晶态态，需需要要有有高高的的冷冷却却速速率率，而而对对冷冷却却速速率率的的具具体体要要求求随随材材料料而而定定。硅硅要要求求有有极极高高的的冷冷却却速速率率，用用液液态态快快速速淬淬火火的的方方法法目目前前还还无无法法得得到到非非晶晶态

16、态。近近年年来来，发发展展了了许许多多种种气气相相淀淀积积非非晶晶态态硅硅膜膜的的技技术术，其其中中包包括括真真空空蒸蒸发发、辉辉光光放放电电、溅溅射射及及化化学学气气相相淀淀积积等等方方法法。一一般般所所用用的的主主要要原原料料是是单单硅硅烷烷(SiH4)、二二硅硅烷烷(Si2H6)、四四氟氟化化硅硅(SiF4)等等，纯纯度度要要求求很很高高。非非晶晶硅硅膜膜的的结结构构和和性性质质与与制制备备工工艺艺的的关关系系非非常常密密切切，目目前前认认为为以以辉辉光光放放电电法法制制备备的的非非晶晶硅硅膜膜质质量量最好，设备也并不复杂。以下简介辉光放电法。最好，设备也并不复杂。以下简介辉光放电法。辉辉光光放放电电法法是是利利用用反反应应气气体体在在等等离离子子体体中中发发生生分分解解而而在在衬衬底底上上淀淀积积成成薄薄膜膜，实实际际上上是是在在等等离离子子体体帮帮助助下下进进行行的的化化学学气气相相淀淀积积。等等离离子子体体是是由由高高频频电电源源在在真真空空系系统统中中产产生生的的。根根据据在在真真空空室室内内施施加加电电场场的的方方式式，可可将将辉辉光光放放电电法法分分为为直直流流电电、