陶瓷晶界和各类固体分界面

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1、陶瓷晶界和各类分界面一、陶瓷晶界陶瓷是一种多成分多晶(或微晶)体系.一般来说，陶瓷的晶界比金属和合金的晶界要宽，结构和成分都相当复杂。除了在上面已介绍过的一般晶界的特性外，还有如下一些特征。（1）陶瓷主要由带电单元(离子)，以离子键为主体而构成。离子晶体中的带电结构单元要影响晶界的稳定性。由氧化物、碳化物和氮化物等形成的陶瓷，它们的离子键在晶界处形成的静电势，对陶瓷的电学、光学等性质会产生重要的影响。静电势强烈地受缺陷类型、杂质和温度的影响。（2）陶瓷中杂质含量明显高于金属和元素半导体，如Si的纯度可达99．9999999％以上，而目前很多陶瓷材料的纯度为96％左右，一般所谓的超纯陶瓷

2、粉体，其纯度也仅为99—99.9％.(3)陶瓷中的少量添加剂(掺杂)对晶粒尺寸与晶界的性质会起到决定性的作用。S.Lartigue和Priester在99．96％纯度的氧化铝中掺入500ppm(重量比)的MgO在1500℃热压烧结，发现掺杂与不掺杂的氧化铝陶瓷的三叉点晶界均有高介电常数的片状P相偏析物，但它们的晶粒大小和晶界性质有明显区别，掺Mg的氧化铝陶瓷晶粒尺寸为0.5-1um。有小的晶粒间空洞，有一定数量的位错线。纯氧化铝陶瓷的晶粒尺寸为10一50um，还有一些异常长大的晶粒，这些晶粒在垂直受压方向上出现较多。S.Lartigue将陶瓷的晶界分为“特殊”晶界(specialGB)

3、和—般晶界（generalGB)二种类型。“特殊”晶界属于重合晶界：小角度晶界、重合位置点阵(CSL)晶界、重合转轴方向(CAD)晶界等，这些都是低能晶界。一般晶界属于接近重合晶界：由失配位错等组成，它的晶界能略大于“特殊”晶界。由扫描电镜分析，掺Mg的氧化铝中的晶界有一半以上是“特殊“晶界，而纯氧化铝中只有10%左右的“特殊”晶界。大部分的晶界是接近或平行于密堆积（0001)面。由失配位错组成的普通晶界(这类晶界在掺Mg的氧化铝中不到10%)，正是由于掺杂Mg氧化铝陶瓷由很多低晶界能的“特殊”晶界所组成，所以这种材料具有很好的稳定性。持别是在高温下，晶粒不会明显增大、晶界也不易移动，

4、所以掺Mg氧化铝陶瓷柱高温时能承受大的压应力.（4）许多陶瓷中点缺陷的形成能甚高(约7eV)，对于这样数值的形成能，即使到1800℃本征点缺陷（热缺陷)浓度才10-9数量级，远低于杂质浓度.（5）在氧化物陶瓷中(特别是由过渡金属氧化物组成的陶瓷)，经常会发生化学计量偏离(主要是形成氧空位所致)，所以陶瓷晶界处的化学计量偏移明显地会受到氧分压和温度的影响。(6)陶瓷晶界处往注有大量杂质凝集，当杂质聚到—定程度，会有新相产生，新相又称为晶界相。Bi2O3、SiO2和Sb2O3等常常在Zno晶界生成晶界相；SiO2和Cr2O3等在锰锌铁氧体中也生成晶界相.杂质在陶瓷晶界的分布如下图所示。二、

5、分界面分界面（interface）是指两个或数个凝集相的交界面。按照此定义，晶粒间界和相界都应算作分界面。但是在目前的许多技术资料中的分界面通常用来指两种不同相间的有规则界面。interface也译为界面或内表面。从工艺角度来看，分界面有：(1)由氧化、腐蚀、粘连等化学作用生成的分界面；(2)由真空淀积(蒸发、溅射)、化学气相沉积、热压、界面扩散等形成的固态结合分界；(3)液相沉积和凝固共生的分解面；(4)熔焊或粘接的分界面等。1、Si-SiO2分界面目前硅的完整性和纯度已达到很高的指标，加上超纯氧和洁净生产条件，出热氧化生成的SiO2纯度很高，故Si-SiO2分界面能做到可控，而且可

6、排除非本征因素，为理论研究提供十分有利的条件。Si-SiO2与器件和电路的性能、成品率、可靠性等都有直接的关系.因此人们非常重视对Si-SiO2分界面的研究，这种界面是日前研究最多、了解最清楚的一种分界面。（1）Si-SiO2分界面的结构Si-SiO2分界面的结构有一下三种模型：(1)三层模型：从Si到Si02不是一个突变层，而是由三层组成。第一层基本上是Si晶体，但存在有较多缺陷；第二层是比较完整的Sio2，厚度约为几个原子距，具有二维晶格结构；第三层（最外层）是非晶态的Sio2网格。(2)迪安(Deal)模型。Si-SiO2的分界面也由三层组成。与(1)的不同之处是，中间的Sio2

7、缺氧较多，有相当数量的不饱和键，第三层也是非晶态的Sio2网格。Deal模型可以解释Mos结构中的很多现象。(3)约翰尼森(Jnhnnessen)模型.本模型认为，Si-SiO2分界面的界面是不平坦的，界面域内有硅夹杂物(硅岛），过渡区的组分是Siox(1＜x＜2)。对于厚度为1000Å的的SiO2膜，不平整度达20Å，硅岛由几个硅原于到几十个硅原子组成，总的过渡区约35Å。John—nessen模型能较好地解释Si-SiO2分界面的许多现象。