Презентация на тему "Физические основы микро- и наноэлектроникиЛекция 1 Структура твёрдых теллектор:Анатолий ГригорьевичКолоськоtruly yours"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Физические основы микро- и наноэлектроникиЛекция 1 Структура твёрдых теллектор:Анатолий ГригорьевичКолоськоTruly Yours

• 
  Слайд 2

  Потенциал Леннарда-Джонса

  Зависимость потенциальной энергии взаимодействияатомов (F) от расстояния между ними (r)имеет минимум, соответствующий положению равновесия: ε– глубина потенциальной ямы,σ – расстояние, на котором U= 0

• 
  Слайд 3

  Расположение частиц в жидкостях и твердых кристаллических телах

  штриховой линией очерчены ячейки, ограничивающие свободное движение частицы

• 
  Слайд 4

  Энергия активации частицы

  Среднее время, которое частица проводит около положения равновесия: T – температура вещества, R– универсальная газовая постоянная, Ua–энергия активации, которую надо передать частице для её выхода из ячейки Релаксация – процесс установления в системе равновесия, а время, в течение которого равновесие устанавливается – время релаксации. Справка по математике. Трансцендентное число Эйлера е: = 2,7182818284... πe = eπg ~ π2

• 
  Слайд 5

  Структура идеальных кристаллов

  Кристалл – твердое тело, в котором атомы образуют трехмерно-периодическую пространственную укладку, т.н. кристаллическую решётку. Периодически повторяющееся размещение частиц в кристалле можно получить трансляцией – операцией параллельного перемещения вдольтрех осей: х, у, z. а, b, с – векторы трансляции, их величины – периоды трансляции Параллелепипед, построенный из а, b, с – называется элементарной ячейкой, а его вершины называются узлами решётки.

• 
  Слайд 6

  Кристаллографические плоскости

  Любой узел решётки идеального кристалла может быть описан заданием радиус вектора, который записывается в виде трёх чисел – индексов узла [[mnp]] : r = m ∙ а+n ∙ b +р ∙ с Для задания кристаллографической плоскости используют индексы Миллера [h, k, l], которые получаются так: плоскость отсекает на осях отрезки А, В, С А = n1 ∙ а, B = n2 ∙ b, C = n3 ∙ с 1/n1 = h/R 1/n2 = k/R 1/n3 = l/R где R – наименьшее кратное для n1, n2 и n3

• 
  Слайд 7

  Примеры задания плоскостей, диффракция Брэгга

  Дифракционные методы позволяют определить атомарные плоскости в кристалле, то есть узнать его структуру.

• 
  Слайд 8

  Типы кристаллических ячеек и решёток

• 
  Слайд 9

  Кубическая и гексагональная упаковки

  Алмаз Графит (кубическая упаковка) (гексагональная упаковка) Число ближайших соседей (лигандов) у атома называют координационным числом, причём в моноатомной структуре учитываются атомы того же сорта, а в полиатомной – обязательно другого. Координационный полиэдр – геометрия расположения лигандов.

• 
  Слайд 10

  Плотная шаровая упаковка

  Характерна для молекулярных кристаллов. Атомы в ней у выше- и нижележащих слоев располагаются друг между другом, максимально перекрывая пустоты, но так как её обычно формируют крупные ионы, то в пустотах могут располагаться мелкие ионы других атомов структуры. а, б - плотные шаровые слои в - двуслойнаягексогональнаяПШУ (…АВАВАВ…), кристаллы Mg, Be, Ru и Os г - трехслойная кубическая ПШУ (…АВСАВСАВС…), кристаллы Cu, Ag, Au, Ni д - объемноцентрированная кубическая кладка, кристаллы a-Fe, Na, К, Ba, Nb, Та е - простая кубическая кладка ж - стуктураNaCl c плотнейшей упаковкой ионов Cl-, ионы Na+сидят в октаэдрических пустотах

• 
  Слайд 11

  Типы межатомной связи и классификация твердых тел

  Атомные кристаллы. Чаще всего органические. Образуются элементами IV и V групп таблицы Менделеева: Обладают высокой прочностью и имеют высокие точки плавления и сублимации (алмаз, графит). Основная связь в них ковалентная. Она образуется атомами с близкими электроотрицательностями (χ), при этом их валентные электроны создают общее электронное облако – молекулярную орбиталь. Энергия такой связи называется обменной энергией. В ковалентной связи может быть не только 2, но и 4, и 6 электронов, образующих т.н. π-связи. Из-за сильной поляризации молекул может возникнуть и водородная связь (с участием атомов F, O, N, реже Cl, Br, S)

• 
  Слайд 12
  

  Ионные кристаллы. Чаще всего неорганические. Образуется между металлами и галогенами. Ионная связь образуется за счёт перехода электрона от одного атома другому с более высокой χ. Силы взаимодействия между узлами почти кулоновские. Металлические кристаллы. Для металлической связи характерна ионазиция атомов и обобществление валентных электронов, которые беспорядочно, как молекулы газа, движутся по кристаллу (т.н. электронный газ). Молекулярные кристаллы. Связь в них осуществляется силами Ван-дер-Ваальса (остаточные межмолекулярные взаимодействия, слабее даже, чем водородная связь). Возникают между органическими молекулами с π-связью.

• 
  Слайд 13

  Жидкие кристаллы

  Обладают свойствами жидкостей (вязкость) и одновременно кристаллов (упорядочение молекул, анизотропия), существуют в диапазоне ~10˚ Их молекулы имеют вытянутую или дискообразную форму и связаны слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами. нематическая фаза холестерическая фаза смектическая фаза (ориентационный порядок) (слоистая структура) (винтовая структура) Электрическое поле и температура сильно влияют на степень упорядоченности ЖК, поэтому их применяют в оптике для управления прозрачностью и в электротехнике для визуального нахождения горячих точек на микросхемах.

• 
  Слайд 14

  Поликристаллы и аморфные вещества

  Реальные твердые тела – это обычно поликристаллы: состоят из огромного числа кристалликов, произвольно ориентированных и прочно сросшихся между собой. Рекристаллизация – изменение микроструктуры образца и переход его из монокристаллического в поликристаллическое состояние. стекло: Аморфные вещества – имеют ближний порядок (повторяется на расстояниях ~ межатомных), но не имеет дальнего порядка кристаллических структур.

• 
  Слайд 15

  Квазикристаллы

  Квазикристалл – твёрдое тело с симметрией, запрещённой в классической кристаллографии, и наличием дальнего порядка. Наряду с кристаллами обладает дискретной картиной дифракции, чем также отличается от аморфных тел. Впервые наблюдались ДанoмШехтманом в быстроохлаждённом сплаве Al6Mn (названы «шехтманит»), за что в 2011 году ему была присвоена Нобелевская премия. Диффракционная картина с точечной симметрией икосаэдра, невозможной в трёхмерной периодической решётке. кристалл Ag-Al

• 
  Слайд 16

  Дефекты в кристаллах

  Дефектами кристалла называют нарушение идеальной периодичности его решётки. Нульмерные (точечные) дефекты: вакансия, межузлие (собственное, примесное), примесный атом замещения, дефекты Френкеля и Шоттки Одномерные дефекты: скопление точечных дефектов цепочкой, краевые и винтовые дислокации Двумерные дефекты: границы между участками кристалла, повёрнутыми относительно друг друга Трёхмерные дефекты: поры, каналы и трещины в кристалле пузырьки газов, скопления примесей.

• 
  Слайд 17
  

  Плотность дислокаций равна числу дислокационных линий, пересекающих единичную площадку поверхности кристалла. В наиболее совершенных кристаллах кремния и германия она равна 102см‑2. Дефекты влияют на оптические свойства кристалла, его электропроводность, теплопроводность, поляризуемость, магнитные свойства и т.д. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристалла, а их скопления вызывают появление внутренних напряжений и увеличивают хрупкость. Объёмные дефекты снижают пластичность и также влияют на прочность. Искусственное введение примесных атомов при закалке или старении позволяет улучшать физико-механические свойства металлов и сплавов (явления упрочнения). Избавиться от дислокаций и точечных дефектов помогают термический отжиг и метод зонной плавки. Ковка и прокатка, наоборот, генерируют многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Прочность металла таким образом увеличивается, но снижается пластичность.

• 
  Слайд 18

  Рост кристаллов

  Зародыши кристалла возникают вокруг примесей в пересыщенном растворе, пылинок, неровностей на стенках. Дальше они растут вследствие диффузии атомов из окружающей среды: каждый атом «ищет» более удобное место для осаждения, то есть положение с наименьшей поверхностной энергией и максимальным числом молекулярных связей. Рост зерен происходит до их столкновения друг с другом, затем они начинают "высасывать" друг друга. Быстрее всего растут грани с минимальным расстоянием между атомными слоями . Кристалл предпочитает расти по дислокациям (винтовым). Типы технологического роста кристалллов: Рост из раствора за счёт охлаждения/испарения/разницы температур в сосуде Рост за счёт химической реакции в растворе: ACраст + BDраст = АВтв + CDраст Рост из расплава (так растят металлы, полупроводники, оксиды, галогениды) Рост из раствора в расплаве Рост из газовой фазы (обеспечивает высокую чистоту и совершенство структуры)

• 
  Слайд 19

  Деформационные свойства кристаллических тел

  Развитие остаточной деформации в кристалле под воздействием сдвигающей силы: б) упругая деформация, в) пластический сдвиг, г) остаточная деформация. Основной механизм пластического течения кристаллов – сдвигообразование, осуществляется посредством зарождения и перемещения дефектов-дислокаций.

• 
  Слайд 20

  Диффузия в твёрдых телах

  Гетеродиффузия –диффузия чужеродных атомов в кристаллической решётке, может протекать как по вакансиям, так и по междоузлиям . Процесс диффузии описывается двумя законами Фика: 1. Плотность диффузионного потока примеси J пропорциональна градиенту (скорости падения) концентрации примеси (dN/dx): D – коэффициент диффузии, константа вещества. 2. Скорость изменения концентрации с течением времени (dN/dt), зависит от градиента потока частиц (dJ/dx): ЕслиDнезависит от x (вещество однородно), то второй закон упрощается:

• 
  Слайд 21
  

  (для решётки Si) время время а) Диффузия из источника с постоянной поверхностной концентрацией б) Диффузия из тонкого слоя с фиксированным количеством примеси Коэффициент диффузии Dэкспоненциально зависит от температуры вещества, резко увеличиваясь с ее ростом: Q – энергия активации процесса диффузии, R — универсальная газовая постоянная В полулогарифмических координатах lgD(1/Т) зависимость D(T)выражается прямой.

• 
  Слайд 22

  Физические свойства пленок и покрытий

  Тонкие металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки широко применяются в микроэлектронике. Результатом проявления сил молекулярного взаимодействия между подложкой и наносимым слоем является адгезия – сцепление поверхностей разнородных тел. Адгезии, обусловленные ионной связью и металлической (при холодной сварке двух пластичных металлов 1 и 2 с помощью пуансонов П1 и П2): Для образования прочного герметичного соединения металла со стеклом используют диффузионную сварку: при высокой температуре происходит частичное растворение окисла металла и вхождение его в приповерхностные слои стекла. Широко известны также: пайка, склейка, нанесение полимерных защитных покрытий, когда одна из составляющих адгезионной пары наносится в жидкой фазе.

• 
  Слайд 23
  

  Если механические напряжения в пленке достаточно высоки, а сама она не очень тонкая, то подложка может испытывать коробление: Внутренние напряжения возникают в случаях: односторонняя металлизация плат одностороннее нанесение защитных пленок (SiO2 на Si, полимерных покрытий) выращивание эпитаксиальных слоев (рост кристалла на кристалле)