信息光电材料导论考题答案.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑信息光电材料导论考题答案 一、阐述III-V化合物半导体晶体的极性对其性质的影响 1主要解理面不是{111}而是{110} 2对一些特定腐蚀剂的外观腐蚀行为不同B面电负性大，化学活性强，更易于氧化，对于含氧化剂的腐蚀剂腐蚀速度：B面＞A 面 3对晶体生长的影响 对晶体生长的影响 B面易生长出单晶，晶体位错密度较低面，对杂质的引入，补偿等都有影响 ， 4外观极性还会在晶片加工中引起损伤层厚度，外观完整性等方面存在差异 三、简述不同体系的相变驱动力 答：在汽相生长系统中的过饱合蒸汽、熔体生长系统中的过冷熔体以及溶液生长系统中的过饱合溶液都是亚稳相，而这些系统中的晶体是稳定相亚稳相的吉布斯自由能较稳定相高，是亚稳相能够转变为稳定相的理由，也就是促使这种转变的相变驱动力存在的理由 晶体生长过程实际上是晶体－流体界面向流体中的推移过程假设晶体－流体的界面面积为Ａ，垂直于界面的位移为?x,这个过程中系统的吉布斯自由能的降低为?G，界面上单位面积的驱动力为f，于是上述过程中驱动力所作之功为f?A??x驱动力所作之功等于系统的吉布斯自由能的降低，即fA?x???G，故有f???G/?v,其中?v?A??x，是上述过程中生长的晶体体积。

生长驱动力在数值上等于生长单位体积的晶体所引起的系统的吉布斯自由能的降低负号表示界面向流体中位移引起系统自由能降低 若单个原子由亚稳流体转变为晶体所引起吉布斯自由能的降低为?g，单个原子的体积为?，单位体积中的原子数为N，故有：?G?N??g，v?N??，所以f???g/?若流体为亚稳相，?g?0,那么f?0,说明f指向流体，故f为生长驱动力若晶体为亚稳相，?g?0,那么f?0，指向晶体，故f为熔化,升华或溶解驱动力由于?g和f只相差一个常数，因而也?g称为相变驱动力 熔体生长系统： 结晶物质在熔点温度Tm时，熔体与晶体两相呈热力学平衡状态，吉布斯自由能G相等： Gm(Tm)?Gc(Tm)，两相间无相变驱动力根据吉布斯自由能的定义：G?H?TS可 得：?G??Hm?Tm?S?0，?H?Tm?S??Lm（Lm为相变潜热） 在熔体发生向晶体的相转变过程中，熔体务必具有确定的过冷度?T?Tm?T，T为熔体的实际温度，这时熔体处于亚稳状态，两相自由能不等，存在相变驱动力 ?G?Gc(T)?Gm(T)??H?(Tm??T)?S??Hm?Tm?S??T?S??T?S???TTmLm所以有：过冷度?T?0时，?G?0??g?0?f?0，熔体发生到晶体的相变。

稀溶液生长系统： 在溶液和晶体两相平衡体系中，溶液的饱和浓度为x0在同温等压条件下，当溶液的 s浓度xs?x0时，那么xs为过饱和溶液的浓度，此时溶液处于亚稳态当晶体处于亚稳态的 溶液中时，晶体就长生 s平衡时G(T)?G0(T)?RTlnx0， sxs?x0生长时?G?G(T)?G(T)??RTlns??RTln?，其中??为饱和度sx0x0csxs所以有：当饱和度??0，即溶液过饱和时，?G?0??g?0?f?0，晶体就能生长 梦想气相生长系统： 在汽体晶体两相平衡体系中，两相平衡温度为T0，其相应的饱和蒸气压为P0若在一致温度T0下，当汽相的蒸气压P大于P0时，此时蒸气便处于亚稳态，蒸气有凝固的趋势， P为过饱和蒸气的蒸气压 吉布斯自由能的微分表达式可表示为：dG??SdT?VdP，其中S为体系的熵，V为 体系的体积 若将蒸气在T0不变的条件下，从P0转变为P，那么： ?G?Gc(T)?Gv(T)??dG??VdP??cPvP0P0PRTPdP??RTln??RTln?，其PP0中??P?P0，为过饱和度。

所以有：当过饱和度??0，即P?P0时，P0?G?0??g?0?f?0，气体发生到晶体的相变 五、为什么胚芽务必大于确定的临界尺度才能成为晶核？ 在确定的过饱和度或者过冷度下，只当晶体胚芽的半径大于某临界半径时晶体才能存在，才能自发地成长具有临界半径的晶体称为晶核 亚稳流体相中地单个原子或分子转变为稳定相（晶体）中的原子或分子，所引起的吉布斯自由能的降低为Δg若晶体中的原子体积或分子体积为Ω，晶体和流体的界面能为σ，那么在亚稳流体相中形成一半径为r的球状晶体所引起的吉布斯自由能的变更为 43?r?G?3??g?4?r2?? 上式表示了流体相中展现半径为r的球形晶体所引起的吉布斯自由能的变化ΔG分为两 项第一项为哪一项当流体相中展现了晶体时所引起的体自由能的变化，晶体从流体中生长时流体相为亚稳相，Δg为负，其次项是流体中展现晶体时所引起的界面能的变化，这一项总为正，由于界面总是伴随晶体而展现的 吉布斯自由能与半径的关系如图由图中可以看出，当rr*时，随着晶体长大，ΔG减小，故半径大于r*的晶体都能自发地长大 六、简述非平匀成核的机制及其影响因素。

在外来固体外观上成核是非平匀成核在基底外观上成核几率比在体系中的自由空间的成核几率来的大，基底外观对成核起到了催化作用在基底外观上成核，常把基底作为一平面，并将晶核外形作为球冠状，它的外观与基底外观形成浸润角θ，如图 ?mn为晶核与流体介质相间的比外观能，?ms为基底与流体介质相间的比外观能，?sn为晶 核与基底间的比外观能，r为球冠状晶核的曲率半径由图可知，球冠状晶核的界面能务必得志力学平衡的条件，即：?mncos???sm??sn cos???sm??sn ?mn当球冠状晶核在基底上形成后，体系的吉布斯自由能的变化为 4?r3?G(r)?[?gv?4?r2?mn](2?cos?)(1?cos?)2/4，此即为球冠状晶核的形告成 3?将此式对r求微商，并令 ?G(r)?0 ?r那么可求得球冠状晶核的临界曲率半径rc??2?mn? ?gv把临界曲率半径带入到吉布斯自由能表达式中可求得形成临界晶核所需要的形告成 33316??2?mn(2?cos?)(1?cos?)216??2?mn2?3cos??cos3?16??2?mn?Gc(rc)??????f(?)222443?gv3?gv3?gv {在一致相变驱动力的条件下，对于在自由空间所产生的球状晶核和在外来基底平面上所产生的晶核相比，两者的临界晶核半径rc的大小理应是一样的。

当球状晶核形成时，该体系 16??2?mn中的吉布斯自由能的变化，亦即临界晶核的形告成为?Gc? 23?gv因此可以得到?Gc(rc)??Gcf(?)} 当??180?，cosθ＝－1时，?Gc(rc)??Gc，流体介质与基底介质是完全不浸润的，基底对成核不起任何催化作用 3 当??0?，cosθ＝1时，?Gc(rc)?0，介质与基底是完全浸润的，即在基底平面上形成晶核所需要的形告成为零 当0???180?，?1?cos??1，这意味着在基底平面上形成晶核时所需要的形告成小于在自由空间形成球状晶核所需要的形告成从这里可以看出，不溶性固体基底平面的存在直接影响晶核的比外观能，从而影响到晶核的形成 除了现成的固体杂质作为基底来促进成核外非平匀成核还受大量因素的影响梦想平整的衬底是难以制备的，衬底上往往存在一些外观凹陷，如磨料引起的刻痕、印痕以及微裂缝等，这些外观凹陷对非平匀成核的影响是特别明显的，往往凹角处优先成核此外，界面失配，各种外加力场（如电场、磁场、辐射场以及超声波等）对晶核形成均有影响作用 七、简述光滑界面的生长动力学过程 晶体生长动力学的研究内容是基于分子微观运动规律，寻求晶体生长速率与其生长驱动力之间的有机联系。

晶体生长机制取决于相界面布局晶体的最终形态是由晶体各晶面的相对生长速率所抉择的外界条件（如杂质、温度、溶液浓度等）能变更晶体的形态 晶体从汽相中生长、或从溶液中生长，当其生长界面为原子级光滑面时，原子或分子被吸附到界面上，被吸附的原子通过分散聚集而形成二维晶核，二维晶核一旦展现，体系就增加了棱边能，此棱边能的效应与三维晶核中界面能效应类似，它构成了二维晶核的热力学势垒因此，只有当二维晶核尺寸达成临界大小时才能自发地生长当二维晶核台阶形成之后，在生长驱动力的作用下，台阶沿面运动，扫过整个晶面 设一个二维临界晶核的台阶扫过整个晶面所需要的时间是ts，光滑面连续两次成核的周期tn, 当tn>>ts时，说明二维晶核形成后，在新的二维晶核再次形成以前，连续两次在二维晶核形成之后，有足够的时间让该晶核的台阶扫过整个晶面，于是下一次二维晶核将在新的晶面上形成，这时每隔时间tn，晶面就生长一层原子或分子层这种生长方式称为单二维晶核生长 当tnC1>C0,，当晶体生长时，包围生长界面的溶液形成厚度为？？？的分散层，在此层的溶液浓度发生急剧的变化，有浓度C下降为C1，仅存在分散作用，当C1与C0之差越大，结晶物质进入晶格的回响速率也越大。

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