半导体材料论文范文

半导体材料论文篇1

【关键词】半导体材料与器件；双语教学；课程内容

0 引言

随着信息时代的发展，对光电子专业类人才的需求也越来越大。大学教育作为培养人才的重要基地，承担了越来越重要的角色；向社会输送高素质的人才，要求对光电子专业课程体系教学不断更新改革，赋予其新时代的内涵。目前，还没有一本合适的教材能满足这个要求。另外，在教学方法上也缺乏行之有效的方法。

1 课程内容的构建

半导体材料与器件这门课，应该涉及到半导体材料与半导体器件两个方面的内容，现有的教材在内容构建上往往偏重半导体材料，或是偏重半导体器件，很少能兼顾两者的材料与器件的平衡。图1为现有邓志杰等编的《半导体材料》的内容构建示意图，明显偏重于材料，对器件部分只做了简单的概述，如图1所示。类似的教材还有杨树人等编的《半导体材料》。由刘思科等编的《半导体物理学》这门课则大篇幅的介绍半导体物理相关的知识，而对半导体材料涉及较少。同样，由Dieter K. Schroder 编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》则大部分内容介绍器件特性，而对材料方面的相关知识介绍很少。同样，佛罗里达大学的Franky So教授编著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》则侧重于器件加工制备，Robert F. Pierret等编著的《Semiconductor Device Fundamentals》则侧重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的内容构建策略，该策略同时兼顾了半导体材料与半导体器件两个方面的内容。该策略结构示意图如图2所示，其内容分半导体材料与半导体器件两个部分，其中半导体材料包含：元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体和有机半导体，半导体器件部分包含三个部分的内容，分别是器件基础、二极管、三极管。

对比图1、图2不难看出，新编排的课程内容更简洁、更全面。其实，现有材料的课程内容编排上有很多的弊端，如知识点内容很相似，交叉重叠性大。如元素半导体，半导体电子材料、半导体光电子材料，在内容上有很大的交叠；非晶、有机和微结构半导体与掺杂半导体有很大的重叠，所以在新方案中将其并入掺杂半导体一章中来讲解，而前者并入到半导体一章中来讲解。可以看出，新方案更合理、简洁明了。

半导体材料与器件这么课程，其内容应该包含经典的无机半导体、新型有机半导体；器件内容应该包含经典的二极管、栅控二极管、三级管、结型场效应晶体管。其中，二极管的两个重要应用，即光伏电池、发光二极管、二极管存储器件，应该作为一个重要的章节进行介绍。

2 课程内容的组织

在课程内容的组织上，按照由易到难、循序渐进的原则，以及材料-性质-器件应用的原则，先编排材料体系，后编排器件体系。材料体系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征掺杂型的p-型材料、n-型材料，以及新型有机半导体材料，包含宽带隙主体材料、窄带隙材料。从材料最基本的物理特性，即电阻切入，围绕电阻的构成因素展开内容，过渡到绝缘体、半导体、导体的概念，以及影响因素，引入到载流子浓度、掺杂、迁移率等概念，即本征的元素半导体向化合型、掺杂型半导体的思路展开。在引入材料的功函数这一概念的基础上，引入接触电阻、界面注入势垒，沿着这一思路自然过渡到肖特基二极管，栅控二极管、三级管等基本的半导体器件等系列概念介绍。该课程内容体系的组织，遵循着从基础性质到上层器件建设的原则，系统性、逻辑性很强，可以说是环环相扣，要求学生在学习的过程中，任何一个章节的内容都不能落下来，以避免给后继的内容学习造成困难。同时，该课程也要求授课老师对课程体系的内容有深刻的理解和清楚的认识，做到思路清晰，讲解有条有理。

3 课程内容的编译

依照双语教学的原则，教材应该采用全英文编写。以往的双语教学经验表明，全英语的教材实施起来很困难，教学效果甚微，甚至比纯母语教学的效果更差。原因很简单，部分学生的外语底子薄，阅读纯英文课本很困难，尤其是专业英语教材，碰到长句、疑难复合句看不懂，专业名词更是不懂，甚至凭借网络翻译也找不到答案。确实，专业名词，尤其是半导体这门课的专业名词的翻译是比较少的。另外，有部分名词是用构词法得到的，词典里根本没有收录。这部分学生常常抱怨，中文都看不懂，还看什么英文啊！结果可想而知，什么都没学到，还不如采用中文版教材教学呢。

鉴于一门新课教材全部用英文编写的困难，可以部分章节采用中文编写，部分章节采用英文编写。对于构成半导体学科的三个基础理论，如肖特基理论、半导体能带理论、半导体导电机理、扩散理论，采用中英文对照的形式，以便于学生理解、掌握知识点。对于半导体特有的五大特性，如整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应，应做详细介绍；对于重要现象的发现，如霍尔效应，可以在教材中添加“知识园地”，以增强学生学习兴趣、掌握知识点。方便学生自学。

对于半导体材料部分，如元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体、有机半导体，可以采用中文的形式撰写。其中，元素半导体这一章内容比较难，涉及到原子在固态堆积中的排列，即晶体类型、晶格、晶胞结构等，用中文撰写更便于学生理解。同时，配合适当晶体结构模型，如经典的正四面体结构、面心立方结构、体心结构、六方体心结构、八面体结构模型，来剖析材料的微观结构特征。并且，这部分内容要求学生有一定的背景知识，如对物质结构这门课有初步的认识。接下来的两章，如化合物半导体、掺杂半导体，可以简化材料凝聚态结构的介绍。因为这两类半导体材料分子堆积结构与元素半导体类似，只是一个衍生结构。所以这两章的内容重点介绍化合方式以及掺杂形式。对于有机半导体，可以借鉴经典的元素半导体理论，所以结构部分可以简化，重在介绍有机半导体材料，包含其组成、特性与经典的制备方法。

对于半导体器件部分，其器件基础应该加以重点介绍，对于常见的半导体器件特性效应加以详细的描述，采用地道的英语教材，如Arizona State University大学的Dieter K. Schroder.编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》里面的第一、二、三、四章部分内容。该教材系统阐述了半导体材料一些基本特性，如电阻率、载流子密度、掺杂、迁移率、公函、接触电阻及界面势垒。重点内容有Schottky barrier diodes，solar cell， bipolar junction transistors， light-emitting diodes， MOSFETs。

4 结论

本文针对半导体材料与器件这门课程的内容建设提出了全新的思路，重新编排了该课程内容，优化了课程内容的内涵，调整了半导体材料与半导体器件这两方面的内容比例，使内容的组织更平衡、更合理，并对课程内容的编译提出了新的思路，采用中英文对照使得知识点的阐述更清楚、母语教学更便捷，这将为电子类专业课程的双语教学提供新的参考。

【参考文献】

[1]龙国智.我国高校双语教学的现状评析[J].教育论丛，2011（2）：173-174.

[2]陈志祥.创新双语教学模式提高教学质量的若干问题探讨[J].教育与现代化，2010（1）：51-55.

半导体材料论文篇2

关键词：材料科学 半导体物理 教学模式 学案导学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0181-02

半导体物理学是以半导体中原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子运动过程为研究对象的学科，是固体物理的一个重要组成部分，凝聚态物理的一个活跃分支[1]。半导体物理学是一门公认的难教、难学的课程，为了提高半导体物理学的教学质量，相关院校的教师们提出了许多有益的建议和有效的方法，如类比学习法[2]、多媒体教学法、市场导向法[3]等。基于提高课堂效率、改善半导体物理学课程的教学效果的目标，作者在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学的教学中，对传统的课堂教学模式进行改革，在半导体物理学的课堂教学中采用“学案导学”教学模式，该文就“学案导学”教学模式在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学课程教学实践作一简述，供同行参考。

1 半导体物理学课程教学模式改革的必要性和迫切性

传统半导体物理学的主要内容包含半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、非平衡载流子及载流子的运动规律、p―n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题以及半导体的光、热、磁、压阻等物理现象[4]。但是近年来半导体物理发展迅猛，新现象、新理论、新的研究领域不断涌现。上世纪50～60年代，属于以固体能带理论、晶格动力学理论、金属―半导体接触理论、p-n结理论和隧道效应理论为主的晶态半导体物理时代；70～80年代则形成半导体超晶格物理、半导体表面物理和非晶态半导体物理三足鼎立的格局；90 年代以后，随着多孔硅、C60以及碳纳米管、纳米团簇、量子线与量子点微结构的兴起，纳米半导体物理的研究开始出现并深化；现在，以GaN为主的第三代半导体、有机聚合物半导体、光子带隙晶体以及自旋电子学的研究，使半导体物理研究进入一个新的里程[5]。

半导体物理学是材料科学工程专业（光伏方向）的核心专业课程，是太阳能电池原理等后续专业课程的基础。它是一门理论性较强同时又和实践密切结合的课程。要透彻学习半导体物理学，既要求有较强的数学功底，熟悉微积分和数理方程；又要求有深厚的物理理论基础，需要原子物理、统计物理、量子力学、固体物理等前置课程作为理论基础。由于材料科学工程（光伏方向）培养目标侧重于培养光伏工程专业技术人才，而不是学术型的研究人才，在课程设置方面有自己的独特要求，学生在学习半导体物理之前，没有系统学习过数学物理方程、量子力学、固体物体、统计物理等专业课程，所以理论基础极其薄弱，这给该门课程的教学带来极大的困难和挑战。而且半导体物理的理论深奥，概念多，公式多，涉及知识范围广，理论推导复杂，沿用“教师讲学生听”的传统课堂教学模式，学生学习兴趣不高，直接的结果就是课程教学质量较低，教学效果不好，学生学习普遍被动。面对发展迅猛的半导体物理和目前教学现状，如果不对“教师讲、学生听”的半导体物理学的课堂教学模式进行改革，难以跟上形势的发展。为此教师要在半导体物理学教学中采用了“学案导学”教学模式。

2 “学案导学”导学教学模式在半导体物理课程教学中的实施过程

“学案导学”教学模式由“学、教、练、评”四个模块构成。“学”，就是学生根据教师出示的教学目标、教学重点、教学难点，通过自学掌握所学内容。“教”，就是教师讲重点、难点、讲思路等。“练”，就是通过课堂训练和课后练习相结合，检验学习效果。“评”，就是通过教师点评方式矫正错误，总结方法，揭示规律。“学案导学”教学模式相对于传统教学模式的改革绝不是一蹴而就的课堂教学形式的简单改变，而是一项复杂的系统工程，包括教学模式的总体目标确定、教学内容的重新构建、导学案的编写、课堂教学过程的实施。

2.1 半导体物理学“学案导学”教学模式总体目标的确定

半导体物理学课堂教学模式创新的总体目标是：以材料科学工程专业（光伏方向）人才培养方案和半导体物理学课程教学大纲依据，以学生为主体，以训练为主线，以培养学生的思维方式、创新精神和实践能力为根本宗旨，倡导自主、合作、探究的新型学习方式，构建自主高效的课堂教学模式；注重学生的主体参与，体现课堂的师生互动和生生互动，关注学生的兴趣、动机、情感和态度，突出学生的思维开发和能力培养；针对学生的不同需求，实行差异化教学，面向全体，分层实施。

2.2 根据人才培养方案构建合理有效的教学内容

半导体物理学的教材种类较多，经典教材包括：黄昆、谢希德主编的《半导体物理》（科学出版社出版）；叶修良主编《半导体物理学》（高等教育出版社出版）；刘恩科、朱秉生主编《半导体物理学》（电子工业出版社出版）。该校教研组经过认真分析，选择刘恩科主编的《半导体物理学》第7版作为教材，该书内容极其丰富，全书共分13章，前五章主要讲解晶体半导体的结构、电子的能带、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子理论等基础知识，第6章讲PN结理论，第7章讲金属和半导体的接触性能、第8章讲半导体的表面理论、第9章讲半导体的异质结构，第10、11、12章讲解半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应，第13章讲解非晶态半导体的结构和性质；该教材理论性很强，有很多繁杂的数学推导，要真正掌握教材所讲内容，需要深厚的数学功底和物理理论功底。该校材料科学工程专业（光伏方向）立足于培养光伏工程的应用型人才，学生理论功底较为薄弱，故我们对理论推导不做过高的要求，但对推导的结果要形成定性的理解。具体要求学生掌握半导体物理学的基本理论、晶体半导体材料的基本结构、半导体材料基本参数的测定方法。根据人才培养方案的要求，我们确定的主要理论教学内容有：（1）半导体中的电子状态；（2）半导体中的杂质和缺陷能级；（3）半导体中载流子的统计分布；（4）半导体的导电性；（5）非平衡载流子理论；（6）PN节；（7）金属和半导体接触；（8）半导体表面理论。对半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应以及非晶态半导体不做要求。在课程实践方面我们开设四个实验：（1）半导体载流子浓度的测定；（2）少数载流子寿命的测量；（3）多晶硅和单晶硅电阻率的测量；（4）PN节正向特性的研究和应用。

2.3 立足学生实际精心编写导学案

“导学案”是我们指导学生自主学习的纲领性文件，对每个教学内容都精心编写了“导学案”。“导学案”主要包括每章节的主要内容、课程重点、课程难点、基本概念、基本要求、思考题等六个方面的内容。以“半导体中的电子状态”为例，我们编写的导学案如下：

2.3.1 本节主要内容

原子中的电子状态：

（1）玻耳的氢原子理论；（2）玻耳氢原子理论的意义；（3）氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径；（4）索末菲对玻耳理论的发展；（5）量子力学对半经典理论的修正；（6）原子能级的简并度。

晶体中的电子状态：

（1）电子共有化运动；（2）电子共有化运动使能级分裂为能带。

半导体硅、锗晶体的能带：

（1）硅、锗原子的电子结构；（2）硅、锗晶体能带的形成；（3）半导体（硅、锗）的能带特点

2.3.2 课程重点

（1）氢原子能级公式，氢原子第一玻耳轨道半径，这两个公式还可用于类氢原子。（今后用到）

（2）量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。

（3）晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动。

（4）半导体（硅、锗）能带的特点：

①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带。

②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。

③导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band），禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。

④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。

课程难点：原子能级的简并度为（2l+1），若记入自旋，简并度为2（2l+1）；注意一点，原子是不能简并的。

基本概念：电子共有化运动是指原子组成晶体后，由于原子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到另一个原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。但须注意，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层中转移。

基本要求：掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式；掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点；掌握硅、锗能带的特点。

思考题：（1）原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同，原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。（2）晶体体积的大小对能级和能带有什么影响。

2.4 以学生为主体组织课堂教学

在每次上课的前一周，我们将下周要学习的内容的导学案印发给学生，人手一份，让学生按照导学案的要求先在课余时间提前预习，对一些基本概念要有初步的理解，对该课内容要形成基本的认识。比如，我们在学习“半导体中的电子状态”这一内容时，要求学生通过预习要清楚：孤立原子中的电子所处的状态是怎样的；晶体中的原子状态又是怎样的；半导体硅、锗的能带有何特点。在课堂教学中我们的教学组织程序是一问、二讨论、三讲解、四总结。一问，是指通过提问，抽取个别同学回答问题，了解学生的自主学习情况。二讨论是指让同学们就教师提出的问题开展自主深入的讨论。例如就晶体中电子的状态这一问题，让学生讨论什么是共有化运动；电子的共有化远动是如何产生的；电子的共有化运动有何特征；电子的共有化运动如何使能级分裂为能带。让学生畅所欲言，充分发表自己的意见，教师认真聆听，发现学生的错误认识，为下一步的讲解做好准备。三讲解是指就三个方面的知识进行讲解，其一是就学生讨论过程中的错误认识和错误观点及时的纠正；其二是对学生不具备的理论知识进行补充讲解，例如学生不具备量子力学基础，就要给学生补充讲解量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方，电子的状态可用四个量子数表示；其三是就难点进行讲解，比如原子能级的简并度，学生理解起来较为困难，就需要教师深入细致地讲解；四总结就是归纳本堂课要掌握的重点知识，那些基本概念必须掌握，那些基本公式必须会应用。

3 “学案导学”教学模式在半导体物理课程教学中有效性的评价

在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的2011级、2012级三个班半导体物理学的教学中，采用“学案导学”教学模式，取得了良好的教学效果。这体现在以下三个方面：一，学生养成了在课前自主学习的良好习惯，在课堂上积极参与讨论，活跃了思维，激发了学生的学习热情；二，学生带着问题上课，澄清了很多模糊的认识，极大地提高了学习效率；三，从考试成绩看，优秀率和合格率大幅度提高，表明学生对半导体物理学的基本理论、对半导体材料的基本特性、对半导体材料参数的测试方法均有较好的掌握。这说明学案导学教学模式在半导体物理学的教学中是成功的。

参考文献

[1] 马，孙一翎，沈为民.“半导体物理”重点课程建设与教学探讨[J].科技信息，2009（5）.

[2] 江锡顺.提高应用型本科院校半导体物理教学质量的方法研究[J].滁州学院学，2011，13（5）.

[3] 汤乃云.微电子专业“半导体物理”教学改革的探索[J].课程教材改革，2012，13（31）.

[4] 刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008.

半导体材料论文篇3

关键词：科研能力；动手能力；实验；预演

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）36-0053-02

一、引言

经过大学四年的学习和锻炼，独立的科学研究能力[1]是大学生应该具备的基本技能之一。这种独立科学研究能力的培养，很多学校是在毕业设计（论文）阶段进行的，通过指导学生独立完成一次具体的科学研究活动，并取得理想的成绩来获得。但在实际教学活动中，由于学生没有先期的知识和技能的积累，一般都存在如下的一些问题：面对一个研究题目，不知如何开始，不知采用何种研究方法；面对纷繁的实验设备，不知道如何选择和使用；面对大量的实验数据和测量图表，不知道如何进行分析和研究，并得到适当的结论。而对实验过程中出现的一些意外事件，如实验偏差、操作失误、环境改变等，更不知道如何解决[2]。因此，在学生开展毕业设计（论文）工作之前，在所教授的相关专业课程中，有意识地补充相关知识，培养相关实验技能，就显得非常重要了。如果能够在专业课讲授过程中，开设综合实验课，预演部分或者全部的科研工作过程，使学生能在综合实验过程中掌握科研工作的要旨[3]，明确科研工作的真正内涵，就可以为将来的科研工作打下坚实的基础。

我们在讲授“信息材料测试与分析”课程过程中，利用进行实验“半导体材料电阻率测量”的机会，拓展介绍了热历史对半导体硅单晶中杂质行为的影响，引导同学探索热历史对硅单晶电阻率和电子寿命的影响[4]，设计了“热历史对半导体硅单晶电阻率影响”的综合实验，指导学生进行数据处理工作，使学生在实验过程中，体验并预演了一次科学研究过程[5]，锻炼培养了学生的动手能力和科研能力。

二、培养科学研究能力的切入点

在电子工业中，约80%的电子材料是硅材料，包括硅单晶和硅多晶，因此，培养学生的科学研究能力就从研究硅材料的性能开始。本文选择基础的性能参数――电阻率，作为研究的目标，开展相应的研究和教学工作。

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，是材料最重要的电学性能。其定义是，某种材料制成的长1米、横截面积1平方毫米导线在常温下（20℃时）的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的单位是欧姆・米（Ω・m或ohmm）。

1.普通材料电阻率的测量方法。由电阻率的定义可以得知，如果能在实验中测量得到确定长度和横截面积材料的电阻，就可以得知该材料的电阻率。对于导电的金属材料确实可以用测量电阻的方法得到材料的电阻率，但对于半导体材料，使用测电阻从而获得材料电阻率的方法，却存在着极大的困难，因为材料电阻的测量通常都是使用直流电路，利用欧姆定律原理，测量出电阻两端的电势降和通过电阻的电流强度计算出材料的电阻。而当半导体材料接入电子回路时，半导体材料的表面和金属导线间存在着较大的接触电阻，该接触电阻远大于半导体材料本身的电阻，此时，通过电子回路测量得到的电阻不是半导体材料的真实电阻。通常情况下，半导体材料电阻率的测量，需要特殊设计的测量仪器。

2.半导体材料电阻率的测量方法。半导体材料电阻率的测量有三种常用的方法：单探针扩展电阻法、两探针法和四探针法。四探针法是操作简单适应性较好的测量方法[6]，得到了广泛的使用。本次实验，就采用了四探针法测量研究所有单晶硅样品的电阻率。共有11组同学进行了该项实验。

3.影响半导体材料电阻率的因素。硅单晶是由多晶硅原料经熔化结晶冷却形成的，由于单晶体在不同的温区停留了不同的时间，晶体的结晶状态、缺陷状态（包括杂质缺陷、结构缺陷、施主受主缺陷等）和最终的物理化学性质，都受到热历史的影响，因此，研究硅单晶的热历史，将硅单晶置于不同的热场条件下，可以达到去除缺陷、改善性能的目的。不同的热处理工艺是改善硅单晶性能的重要手段。

热历史的研究，一般可以分成两种：一是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行急冷处理，保持硅单晶在该温度点时的状态，研究硅单晶在不同温度点的性能。二是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行缓冷处理，研究硅单晶从某一温度点冷却到室温时，性能的变化情况。急冷可以研究硅单晶的高温状态，但高温状态下对硅单晶进行急冷操作，需要较高的实验技能，需要严格的保护措施，适合由专业的人员进行操作，不适合无经验的学生。缓冷研究，可以考察硅单晶在低于某一温区的条件下性能的变化，因为是常温下的操作，比较容易进行，所以，本课程选择常温缓冷条件，研究热历史对硅单晶性能的影响。

三、综合实验的设计

1.总体思想。根据硅单晶在450℃温度停留较长时间后，会产生热施主效应这一事实，考虑新生施主会影响硅单晶中载流子的种类和数量，另外，硅单晶在空气环境中的热处理，会导致单晶内部氧杂质的状态发生改变，也会影响到单晶表面的羊杂质状态，因此，当硅单晶在450℃停留较长时间后，随着热施主的出现和氧杂质状态的变换，单晶硅的导电能力会发生变化，表现为材料电阻率的变化。据此，我们设计了本次综合实验。

2.实验过程。具体目标是：考察450℃条件下热施主效应，此效应可以通过硅单晶电阻率的变化得到验证。具体工艺是：将测量过电阻率（ρ0）的单晶硅片水洗醇洗烘干后，放在石英舟上，放入电阻炉，快速升温（600℃/h）到450℃，保温4小时，断电，自然冷却到室温，测量样品的电阻率。将测过电阻率的样品表面一层（约10微米）研磨掉，再测电阻率。

3.数据研究。选择典型的实验数据，指导学生对四个样品的四组电阻率数据进行分析研究，找出或推测影响材料电阻率变化的可能因素。确定实验数据产生误差的原因，判断实验技能对实验结果影响的程度。

四、结果与讨论

共有11组同学进行了实验，根据对实验过程的监测和实验结果的研究，笔者选择了四组典型的实验数据汇总。然后，按照这些电阻率测量数据，对学生开展科学研究工作进行了指导。

首先让学生根据各自的实验数据，对数据进行描述，热处理前、热处理后和热处理再研磨掉表层后，样品电阻率的变化情况，只进行客观的描述，再将数据汇总。其次，启发学生回忆与450℃阈值相关的载流子的状态，尤其是热施主的相关知识，什么是热施主，热施主产生的物理基础是什么，硅单晶在450℃热处理为什么会产生热施主，热施主的电学效应，等等。第三，选择四组典型数据进行形象化处理，制成图形，再请同学们分析研究这几组数据的异同点。为什么同样的实验条件，实验结果却不完全一致呢？提示他们，影响电阻率的因素，例如样品本身氧含量、样品的清洁程度、样品的厚度（形状因子）、四探针测量仪的适用范围和产生误差的原因等。第四，根据同学们的讨论和推测，进行归纳总结。经过一系列启发、演示和引导后，学生终于理清了实验数据并进行了研究分析，给出了适当的结论，最终完成了实验，达到了本次实验预期的目的。

五、成果

在此次综合实验中，经过一系列的启发、讲解和逻辑推理过程的演示，使学生掌握了科学研究的初步知识，可以对实验数据进行多角度的分析研究，还可以设计进一步的实验，采取多种研究手段对问题进行研究，对结果进行推理和猜测，在反复验证的基础上，才能获得确实的结论，完成科学研究工作，达到科研的目的。

综合实验取得了较明显的效果。第一，让学生复习了相关的载流子、电阻率、电阻率测量、误差分析等知识，从而在理论知识上有了提高。第二，让学生进行了样品制备、清洁处理、电阻率测量、热处理炉操作等实验工作，掌握并提高了实验技能。第三，对实验数据进行的示范性处理和分析，教会了学生如何进行科学研究工作，明白了测试的目的和对测试结果的分析研究方法，为将来的科学研究工作打下了坚实的基础。

参考文献：

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[2]王明权.加强高职学生科研能力的研究与实践[J].中国科技信息，2010，（19）：265-267.

[3]戴波，纪文刚，刘建东，张立新，刘娜.以工程能力培养为主线建构专业人才培养模式[J].高等工程教育研究，2011，（6）：136-140，168.

[4]刘沛津，张俊利，徐英鸽.面向工程型人才培养的电工与电子学课程体系研究[J].教育教学论坛，2013，（25）：206-207.

[5]刘翠红，陈秉岩，王建永.基于学生实践和创新能力培养的实验教学改革[J].科技创新导报，2011，（1）：151-152.

半导体材料论文篇4

摘要：由于能源紧缺，开发利用新能源成为全球聚焦点。一直以来单晶Si电池一直占太阳能电池主导地位，为使太阳能电池的转换率提高，节约制作成本，我们在不断研究新型材料。因此ZnO和CdS两种材料研究热点。本论文主要研究纳米微观下的ZnO，CdS材料，介绍ZnO/CdS纳米异质结的特性。对其针对太阳能的应用进行展望。

1. 引言

ZnO作为一种II-VI族半导体材料，无毒无害，易于制备，在太阳能电池及其它光电器件领域是一种很好的半导体材料。CdS是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体由ⅡB族元素Cd和ⅥA族元素S组成。自然存在的CdS晶体有纤锌矿和闪锌矿两种结构，一种极性半导体。CdS作为最早被人们认知的半导体材料之一，太阳能器件的研究制造中得到了广泛的应用。本论文将ZnO、CdS两种纳米材料作为研究对象。

2.太阳能电池及其应用展望

太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，被广泛推广。太阳能电池一般由硅制成，但其成本高，转换效率低，材料紧缺且含有有毒物质。如何提高太阳光线利用率，采用成本低廉无污染材料，成为主要研究课题。当前的太阳能电池，包括了晶体硅电池、薄膜电池以及其他材料电池。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。薄膜电池又分薄膜太阳能电池和柔性沉底薄膜太阳能电池。其中硅基太阳能电池应用较为广泛，但薄膜太阳能电池具有质量轻、价格低廉、性能良好、工艺制作简单易于大规模生产等特点。因此现如今越来越多的科学家开始研究柔性衬底薄膜太阳能电池。

对于太阳能电池，由于光生载流子将在整个器件内产生，因此要尽量增加太阳光的接触面积，使电子空穴对的分离和收集更有效，从而增加材料的光吸收效率。因此设计了纳米线阵列结构，通过包覆不同的纳米材料。这样使单位面积上的接触面积增大，可以把每一根纳米棒都想象成一个独立的器件，在原基片上直接制成太阳电池，保留电池优秀的光伏效率，提高光电转换效率。如果器件厚度与入射光透射深度相，并且体相少数载流子寿命足够短的情况下，纳米线结构的太阳能电池的优势就更加的明显。

3.ZnO/CdS纳米异质节的特性

ZnO是II-VI族的一种宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV。对紫外光具有强烈的吸收特性，并兼有压电特性和热电特性。ZnO纳米材料在光电转换、传感器、纳米机电系统、场发射器件、纳米激光器等领域均有广阔的应用前景。可利用于紫外光探测器、发光二极管和激光二极管、气敏传感器、制作太阳能电池。

CdS是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体，早在1925年，Huggins就对其价电子分布做了系统的研究。

其制备较为成熟，应用广泛，具有良好的可见光吸收，因此本文选用ZnO和CdS制备纳米异质结。

首先，以FTO薄膜作为衬底，通过磁控溅射溅射一层种晶层，利用水热合成法生长出ZnO均匀分布的纳米线阵列。接着利用三电极沉积法在ZnO纳米线阵列上均匀包覆了一层CdS薄膜，构筑了ZnO/CdS异质结构薄膜材料，如图2可见，CdS分布较为均匀。可以进行异质结阵列的研究。

在研究的过程当中，一般评定光电能量转换效率有三条标准：①高的光吸收性②有效的电荷分离③充分的电荷迁移。

本实验设计了ZnO/CdS纳米核鞘异质结阵列光电器件的实验装置，如图3。分别在FTO和ZnO/CdS纳米异质结表面上引出两个电极，制备原器件。为下一步柔性衬底太阳能电池的实验研究，奠定了基础。

参考文献：

[1] 倪兴元，姚兰芳，沈军等.纳米材料制备技术.北京：化学工业出版社，2007.

[2] 周裁民，杨雄波，许瑞珍.纳米材料的研究现状及发展趋势[J].科技信息，2008，（17）：17-18.

[3] 郑春蕊.太阳能电池吸收层和窗口层材料的制备研究：（硕士学位论文）.西安：西安理工大学，2005.

[4] 张喜田，肖芝燕，张伟力.高质量纳米ZnO薄膜的光致发光特性研究.物理学报.2003，52（3）：740-744.

[5] 杨少鹏，李占峰.ZnO薄层对体异质结有机太阳能电池性能的影响[J].人工晶体学报.2011.589-593

半导体材料论文篇5

关键词：热电材料；Seebeck系数；电导率；热导率

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）17020301

0引言

热电材料又称温差电材料，具有交叉耦合的热电输送性质。利用此性质，可以在固体状态下实现热能与电能的直接相互转化，能够用于热电发电和热电制冷。

为了满足发展的需求，人类对地球上的自然资源进行长期掠夺式的开发和利用，致使部分自然资源接近枯竭，这使得我们将在不久的未来陷入严重的能源危机。此外，矿物能源在燃烧过程中释放的大量碳化物、氮化物、硫化物等有害气体，造成了环境的污染。因此，发展可再生能源和对环境友好的能源转换技术已成为人们日益关注的焦点。其中热电转换技术由于其对环境友好的特点越来越引起材料科学和能源科学界科学家们的重视。

热电转换技术是基于热电材料的效应来实现热能与电能在固体状态下直接相互转换的一项技术，它可以将热能（包括地热、风能、太阳能和工业余热等）转换成电能。

N-型和P-型半导体之间通过电气连接可组成发电器件和制冷装置。利用半导体热电材料制得的发电器和制冷器具有结构简单、装置体积小、无噪音、无污染、无排弃物、可靠性高、无机械传送部件、制造及运行成本低、使用寿命长等对环境友好的优点，在工业废热、可替代能源、国防科技、信息技术和航空航天等领域有很大的应用潜力。目前，在高性能接收器和传感器、人造卫星和太空飞船上等领域已成功运用了热电材料。

1热电材料性能

1.1Seebeck系数

对于半导体热电材料，假设载流子的分布服从经典统计理论，并采用单带模型（驰豫时间近似，态密度具有常规正态分布），则其Seebeck系数可表示为：

α=±kBeξ-γ+52（1）

其中，正负号表示传导类型（空穴或电子）；kB为波尔兹曼常数；ξ为简约费米能级，对于大部分热电材料，其值在-2

Symbol～A@ 5之间；γ为散射因子（包括光学波散射、声学波散射、合金散射、电离杂质散射、载流子散射等）。从式（1）中可知，Seebeck系数主要和材料的晶体结构、化学组分及能带结构密切相关。通常上式可以简化成如下公式：

α=γ-lnn

（2）

式中n表示载流子浓度。由此可见，假如材料的化学组分已确定，则其Seebeck系数随散射因子增大而增大，随载流子浓度升高而减小。

1.2电导率

半导体材料的电导率可表示为：

σ=neμ（3）

式中，n为载流子浓度；μ为载流子迁移率：

n=2（2πm*kBT）32h3F12（ξ）（4）

μ=4e3πγ+32（kBT）γτom*（5）

其中，m*、T、τo分别表示有效质量、绝对温度和驰豫时间。由此可知，材料的电导率与散射因子、有效质量、费米能级等物理参量有关；载流子浓度与有效质量成正相关关系，迁移率则与有效质量成反相关关系。

1.3热导率

半导体热电材料的热传导主要由两部分构成：一部分为载流子热导率kc，一部分为晶格热导率kL。其关系式为：

分别为材料的体积热容、声子平均速度和声子平均自由程。在热电材料的整个热传导过程中，载流子的贡献一般比较小，总热导率主要受晶格热导率的影响。所以常采用增强各种散射机制对声子的散射来降低晶格热导率，从而提高材料的热电性能。

材料的Seebeck系数、电导率和热导率是相互关联的物理量，它们与材料内部的结构，载流子浓度密切相关。图1则是总结了这三个物理量以及功率因子与载流子浓度之间的关系：

2优化热电材料性能的途径

从以上的理论来看，提高热电材料性能的主要途径是：寻找具有较高Seebeck系数的热电材料、提高电导率和降低热导率。据当前的研究进展来看，一般采用以下几种途径：

（1）采用重费米子半导体材料。所谓的重费米子半导体材料是由于这种材料的有效质量比普通的半导体材料更大。目前已发现的有

（2）制备电负性差异较小的化合物材料。材料的电负性差异越小，其迁移率与有效质量之积一般也越大，因此可望具有较高的热电优值。

（3）制备晶体结构中具有较大孔隙的热电材料，并填入质量较大尺寸合适的原子于孔隙中，由于原子在孔隙内可以振动，从而提高材料对声子散射的能力，使晶格热导率明显降低。

（4）采用单胞中含有较大原子数的高对称性复杂晶体结构材料，这种结构对声子的散射能力较强，且具有较大的简并度。可以通过不同材料间形成固溶体或掺杂的办法使材料的晶体结构更复杂，就可以在获得最佳载流子浓度的同时增加点缺陷来对声于散射，进一步降低热导率。

（5）采用平均原子量较大的化合物，因为较大的原子质量可以降低原子的振动频率，从而降低声子热导率。如Bi2Te3基和PbTe基半导体热电材料。

（6）制备超细晶或纳米材料。降低热导率非常有效的方式之一是晶界散射，所以制备亚微米或纳米晶粒尺寸材料可以降低热导率，从而可以提高材料的热电性能。

（7）采用异质结构材料（超晶格材料或梯度热电材料）。如Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料在室温时的ZmT=2.4。所以，这类材料具有潜在的巨大优势。

参考文献

[1]Cadoff J. B.，Miller E.，Thermoelectric Materials and Device[M].New York：Reinhold Publ Corp，1961.

[2]Luan W L，Tu T S.Recent developments of thermoelectric power generation[J].Chin.Sci.Bull，2004，49，（12）：1212.

[3]Gao Min（高敏），Zhang Jingshao （张景韶），D. M. Rowe.Conversion and Application for Difference of Temperature and Electric（温差电转换及其应用）[M].Beijing：Weapon industry publishing company，1996：70.

半导体材料论文篇6

关键词：新能源材料；教学实践；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）22-0182-02

能源危机是当今世界面临的难题，发展清洁、可再生的新能源是当今社会发展面临的一个巨大挑战[1]。培养新能源领域的高新技术人才，已经成为我国高校教育的重要目标之一。我国在2010年将“新能源材料与器件专业”确定为战略性新兴产业相关专业之一[1]。《新能源材料》课程作为新能源及材料类专业的核心课程之一，将为学生今后从事能源材料研发和工作奠定良好的基础。该课程的内容涵盖范围广，需要支撑的基础理论课多，包括大学化学、大学物理、材料科学基础、半导体物理等基础和专业课，是一门涉及到材料科学、化学、物理学、与电子科学等多学科知识交叉的综合课程[2-5]。目前，国内虽然陆续有很多高校开设了新能源相关的专业，但是其课程建设依然滞后。而《新能源材料》课程是新能源专业最重要的专业课程，将这门课建设好具有重要的意义。如何提高《新能源材料》课程的教学效果，培养出在新能源材料领域具有研发和工作能力的技术人才显得尤为重要。基于此，作者根据自己在《新能源材料》课程的教学经验，针对《新能源材料》课程教学中存在的问题，通过对课程知识结构、课程内容、教学理念、教学模式和教学手段进行探讨和实践，提出了切实可行的意见和思考。

一、《新能源材料》课程存在的主要问题

1.教材的选择。新能源材料是一门新兴的学科，这就决定了它不像材料科学与基础、材料工程、材料力学等材料基础学科经过长期的发展和筛选而具经典又权威的教材和参考书。虽然已经有一些新能源材料教材的出版，但由于编者学科背景不一样而导致教材内容和侧重点不一样。近年来，随着各种新能源材料的快速发展，有关于新能源材料的基本理论、制备方法、结构表征、性能测试等不同的方面已取得了显著的进步。然而，已有的新能源材料教材中的知识点更新缓慢，致使最新的研究成果和进展不能及时地补充到教材内容中。为了掌握该领域新能源材料最新的知识和发展趋势，必须加快教材的出版周期，这也是我们全体从事新能源材料研究与教学同仁最为紧迫的一个问题。

2.教学课时与内容不匹配。《新能源材料》课程涉及到的内容涵盖范围非常广，涉及半导体物理学、光化学、电化学等学科，每一章的内容都可以作为单独的研究领域。然而，该课程一般只有32学时。如何在有限的课时内合理安排教学内容，使学生获取更多的理论知识，是该课程教学中的一个难点问题。

3.课程内容跨度大。目前使用的《新能源材料》教材内容丰富，涉及到锂离子电池、太阳能电池、染料电池、生物质能转换材料、储能材料、光催化材和半导体照明发光材料的相关理论知识，这些内容都可以作为单独的领域被研究。对于任课老师来说，其专长一般只涉及到某一个领域，而对于其他领域的认识有限。即使任课老师擅长了某个研究领域，但对于该研究领域所有的理论知识也难于做到面面俱到。比如在太阳电池研究领域，目前该研究方向涉及到硅基P-N节太阳电池、染料敏化纳米晶太阳电池、钙钛矿太阳电池等多个研究方向，而同时掌握了这三种太阳电池相关理论知识的教师较少。因此，《新能源材料》课程内容丰富对于任课教师来讲是一个巨大的挑战。

二、课程教学模式探讨与实践

1.结合培养目标，优化课程内容。我们对材料科学与工程专业的本科生开设了《新能源材料》课程，该课程的学时是32学时。该课程的教学目标是掌握新能源材料基本理论知识，掌握新能源材料制备方法、结构表征、器件制备工艺和性能测试的方法，了解新能源材料最新成果和发展方向。通过对几种《新能源材料》教材的对比与筛选，结合学生专业的实际情况，我们选用吴其胜编写的《新能源材料》为教材[6]。该教材不仅覆盖了目前新能源材料的基本理论知识，包括了锂离子电池材料、金属氢化物镍电池材料、太阳能电池、燃料电池材料、半导体照明发光材料及相变储能材料等新能源材料，同时对这些新能源材料的发展应用前景及趋势进行了说明。

2.教学模式多样化。使用PPT课件流水线式给学生灌溉相关知识，容易使学生产生厌学情绪。在讲到一些重点和难点内容时，适当地使用板书，逐步讲解，可以使学生有更多的时间来接纳和理解知识内容。因此，在教学过程中将传统的板书和多媒体数字教学有机地结合，取长补短，使学生更容易学习到课本上的内容。此外，在教学过程中，积极开展采用以案例分析为背景的教学模式，通过使用丰富的案例地来调动学生的学习兴趣。

3.将科研引入课堂。将科研引入课堂，是培养大学生创新能力非常有效的方法，也是高等教育最显著的特点之一。向学生介绍相关研究课题组的正在进行的研究项目，鼓励学生积极参与到教师的科研中去，培养自己的科研兴趣和能力。实践证明，将科研和教学有机地结合，构建一个立体化的教学模式，能够达到较好的教学效果。例如，在半导体照明发光材料章节中，向学生现场展示荧光粉、LED灯器件，讲解它们的组成、制备工艺以及工作原理。将新能源器件带入课堂，锻炼了他们的观察和分析能力，同时也让学生感觉到学有所用。

半导体材料论文篇7

关键词：光照；电阻率；半导体；光子能量

中图分类号：O611 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0060-02

1 概述

电阻率是半导体材料的重要特性参数之一。微区薄层电阻的均匀性和电学特性受到越来越多的关注，因此这对材料电阻率测量的精度就有了更高的要求。我们通常使用四探针测试仪测量半导体材料的电阻率。造成测试仪测量产生误差的原因有很多方面，如测试环境的影响、探针的问题、测试设备的校准以及被测对象自身的影响等。本文主要分析光照对测量精度的影响。

2 光的吸收

半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有数量级约为105cm-1的吸收系数。吸收系数的大小可以反映半导体材料吸收光能的能力，通常用α来表示。材料吸收光的能力常常与入射光子能量有关。若外界有稳定的一定波长的光照作用在被测硅片表面，半导体材料吸收光辐射能量，从而导致价带中的电子获得足够能量从价带跃迁到导带，在价带中留下空穴，这样在半导体中产生了电子-空穴对，这个过程也被称为本征吸收。要使半导体材料发生本征吸收，入射光子的能量需要满足hν≥Eg的条件，否则电子的跃迁则不能发生。被测硅片样品对不同能量的光子的吸收能力是不同的。图1所示的是硅材料的吸收系数α和入射光子能量hν之间的关系。

3 测试条件

测试所用样品的外延层和衬底之间要有pn结隔离，或者外延层的电阻率要比衬底的电阻率小得多。测试仪探针的导电性能要好，与被测材料的接触电势差要小，同时，探针的位置要固定，防止探针游移。

在测量过程中，电流源提供的电流的相对变化不能超过0.05%。工作电流的选择主要取决于被测样品的电阻率大小。如果选取的工作电流过小，则测量电压的难度将提升；选取较大的工作电流可以测得较高的电压值，这可以提高测量的精确性，但是工作电流过大会使得被测样品发热，样品的电阻率随之发生变化，这又降低了测量的精度。所以为了选取合适的工作电流，需要先获得被测样品的I-V特性关系，根据I-V关系将工作电流控制在线性较好的范围内，这样被测样品的电阻率就不会随着电流的变化有过大变化，测量的精度可以得到保证。

一般来说，对于具有较大电阻率的样品，工作电流要选得小一些，而电阻率较小的样品则工作电流可以选得大一些。而在确保电流和电压有足够测量精度的前提下，工作电流应当尽可能选得小一些。

5 光照对测试结果影响的分析

6 结语

总体而言，随着入射光子能量的增加，硅样品的吸收系数逐渐增大，即表示材料对光子能量较大或频率较大的光吸收能力较强。当入射的光子能量较大，被测硅样品越能吸收入射光的能量，这样则能产生越多的光生载流子，从而使被测样品的电导率升高，电阻率和方块电阻减小，这样就使得电阻率实际的测量值越偏离标称值。当入射光子能量较小或频率较小时，情况则正好相反。另外当入射光频率一定，光强越强产生的光生载流子也越多，也可以使被测样品的实测电阻值小于标称值。正因为在实际测量时，半导体样品不可避免地会处在一定光照条件下，测量过程中光照条件不一样就会使测量电阻率出现的测量误差有所差异。

参考文献

[1] 宗祥福，李川.电子材料实验[M].上海：复旦大学出版社，2004.

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[4] 刘新福，孙以材，刘东升.四探针技术薄层电阻的原理及应用[J].半导体技术，2004，（7）.

半导体材料论文篇8

论文摘要： 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。

1 膜材料的发展

在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

2 膜材料的应用

人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法，反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜，在膜的一边给海水施加高压，使水分子透过渗透膜，达到膜的另一边，而把各种盐类离子留下来，就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能，目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法，是一种清洁高效的绿色方法。

利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水，还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本，有利于我们的生存环境。

膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中，我们会发现在树叶表面，水滴总是呈圆形，是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时，如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂)，农药就能够在叶面铺展，提高杀虫效果，降低农药用量。

更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1]

3 膜材料的分类

近年来，随着成膜技术的飞速发展，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。

薄膜材料种类繁多，应用广泛，目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。 目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。

3.1金刚石薄膜

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔[2]。

近年来，随着科技的发展，人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法，比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜，从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。

金刚石薄膜属于立方晶系，面心立方晶胞，每个晶胞含有8个C原子，每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键，牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小，是优良的绝缘体。

利用它的高导热率，可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层，是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大，可以制成高温工作的二极管，微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓，我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内，化学气相沉积的石墨是热力学稳定相，而金刚石是热力学不稳定相，利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理，将石墨去除，这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。

3.2铁电薄膜

铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展，推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管( FEET)、铁电随机存储器( FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域[3]。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、 铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等，以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点，预言了一种新的C-N化合物b-C3N4，Cohen计算出b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4，具有非常短的共价键结合的C-N化合物，其理论模量为4.27Mbars，接近于金刚石的模量4.43 Mbars.随后，不同的计算方法显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度，不仅如此， b-C3N4还具有一系列特殊的性质，引起了科学界的高度重视，目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质. 转贴于

b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。

3.4半导体薄膜复合材料

20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。

这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。

3.5超晶格薄膜材料

随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。

半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。

3.6多层薄膜材料

多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。

1991年，法国特拉斯.博斯卡大学的Decher首先提出由带正电的聚合物和带负电的聚合物组成两层薄膜材料的设想，由于静电的作用，在一层材料上添加另外一层材料非常容易，此后，多层薄膜的研究工作进展很快。通常，研究人员将带负电的天然衬材如玻璃片等，浸入含有大分子的带正电物质的溶液，然后冲洗、干燥，再采用含有带负电物质的溶液，不断重复上述过程，每一次产生的薄膜材料厚度仅有几钠米或更薄。由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料[4]。

4 展望

迄今，人们已经设计和开发出了多种不同结构和不同功能的薄膜材料，这些材料在化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的潜在应用价值，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。

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