電子信息材料大型實驗實驗指導(dǎo)書（第二版）2009年7月目 錄綜合實驗 1粉體材料制備及性能檢測 ????????? ? ?1實驗1.1高溫固相反應(yīng)法制備熒光粉材料 ..1實驗1.2激光粒度儀法測量粉體材料粒度 ?????????????..??..3實驗1.3電阻法檢測粉體材料粒度性能 ?????????????????5實驗1.4粉體材料比表面積測試?????????????????? ?7實驗 1.5粉體材料綜合性能測試 ??????????????????.?9實驗 1.6粉體材料電泳性能測試 ???????????????????12實驗1.7長余輝熒光粉發(fā)光性能測試 ???????????????? ?14實驗1.8熒光粉溫度猝滅性能測試 ??????????????????..16實驗1.9發(fā)光材料激發(fā)光譜和發(fā)射光譜測試 ????????????.?.?17綜合實驗 2薄膜材料制備及性能測試 ?????????? 20實驗2.1直流磁控濺射制備薄膜材料 ?????????????????..20實驗2.2射頻磁控濺射制備薄膜材料 ???????????????? 22實驗2.3薄膜結(jié)合力性能測試??? ??????????????..? 24實驗2.4薄膜摩擦性能測試????????????????? ?? 24實驗2.5原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜表面形貌?????.????? 25實驗2.6溶膠-凝膠法制備薄膜材料????????????????? 26綜合實驗 3半導(dǎo)體工藝實驗???????..??? ?.? 29實驗3.1硅晶片清洗工藝??????????????????????..29實驗3.2四探針法測量電阻率??????????????????? 31實驗3.3半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)實驗?? ???????????????..? 34實驗3.4熱氧化法制備 SiO2薄膜???????..??????.? ?? 40實驗3.5橢偏法測量SiO2薄膜折射率與厚度????????.????? 43實驗3.6光刻技術(shù)與工藝????????????????????.? 45實驗3.7半導(dǎo)體變溫霍爾效應(yīng)??????????????????.? 47綜合實驗1粉體材料制備及性能檢測實驗1.1高溫固相反應(yīng)制備熒光粉材料一、實驗?zāi)康某醪秸莆崭邷毓滔喾ㄖ苽錈晒夥鄣墓に嚕?.了解影響熒光粉性能的因素；二、實驗原理熒光粉材料是指當(dāng)激發(fā)源（紫外光、陰極射線等）激發(fā)下能產(chǎn)生可見熒光的一類功能材料。熒光粉材料的制備有很多方法，如高溫固相反應(yīng)、燃燒法、溶膠-凝膠法、共沉法，燃燒法和微波輔助加熱等。其中高溫固相反應(yīng)法合成熒光粉材料的合成工藝比較成熟，能保證形成良好的晶體結(jié)構(gòu)，而且適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。高溫固相發(fā)應(yīng)法制備熒光粉樣品包括配料、混料、灼燒還原、破碎、分級等幾個步驟。即將反應(yīng)原料按一定化學(xué)計量比稱量，并加入適量的助熔劑混合均勻，然后在高溫下燒結(jié)合成（或還原），經(jīng)粉碎、過篩得到一定粒度的熒光粉材料。高溫固相反應(yīng)為多種固態(tài)反應(yīng)物參加的多相固態(tài)反應(yīng)，反應(yīng)的進行通過高溫下各種離子之間的互擴散、遷移來完成。擴散的推動力是晶體中的缺陷和各種離子化學(xué)勢，擴散的外部條件是溫度和反應(yīng)物之間的充分接觸。因此反應(yīng)之前應(yīng)將反應(yīng)物研磨至很碎的細顆粒，并使它們混合均勻，以期使反應(yīng)物之間有最大的接觸面積和最短的擴散距離。高的灼燒溫度使為了加快反應(yīng)物離子的遷移速率。值得注意的是，即使將反應(yīng)物碾碎至10μm，其中仍含有一萬個晶胞，另一種反應(yīng)物離子需要擴散遷移通過一萬個晶胞才能反應(yīng)。為了促進高溫固相反應(yīng)，使之容易進行，可采用在反應(yīng)物中加入助溶劑。助熔劑熔點較低，在高溫下熔融，可以提供一個半流動的環(huán)境，有利于反應(yīng)物之間的互擴散，有利于產(chǎn)物的晶化。本實驗以Y2O3:Eu紅色熒光粉材料做為實驗對象， Y2O3:Eu稀土紅色熒光粉在254nm紫外光激發(fā)下發(fā)光效率高、色品純正，主要應(yīng)用于緊湊型熒光燈、CCFL熒光燈中。三、實驗設(shè)備及材料實驗設(shè)備：高溫箱式爐、電子天平、混料瓶、剛玉坩堝、研缽和尼龍網(wǎng)篩等。實驗藥品：氧化釔（Y2O3），氧化銪（Eu2O3）和碳酸鋰（Li2CO3）。1四、實驗內(nèi)容及步驟1．配料。根據(jù)熒光粉的分子式，計算出各原料組分的重量；用天平分別稱取相應(yīng)重量的藥品，放入混料瓶中；在稱取高純藥品時，注意不能造成藥品的污染。每種藥品所用的藥匙不能混用；每稱取一次，更換一張稱量紙；2．混料。用手搖混料瓶一小時以上，盡量使其混合均勻。混合效果將影響到最終性能。3．高溫合成。將混合均勻的生料裝入剛玉坩堝，放入高溫箱式爐中，在 1200～1300℃灼燒2～3小時。裝料時不能太猛烈，以免生料粉末飛揚；4．破碎，過篩分級。將燒成的熒光粉粉塊用研缽壓碎，過 100目尼龍網(wǎng)篩。整個制備過程中，應(yīng)避免接觸金屬器皿。四、實驗報告要求1.記錄Y2O3:Eu熒光粉的制備過程，并根據(jù)自己的體會 簡述注意事項；根據(jù)所制樣品的性能，分析制備過程中存在的問題。五、思考題1，為什么熒光粉粉碎后，發(fā)光性能會下降？2，怎樣使原料混合更加均勻？六、參考資料1．無機光致發(fā)光發(fā)光材料，張中太，張俊英主編，化學(xué)工業(yè)出版社， 2005。2．發(fā)光學(xué)與發(fā)光材料，徐敘瑢，蘇勉曾主編，化學(xué)工業(yè)出版社， 2004。附：配料表分子式）23Y2O3Eu2O3Li2CO3（Y0.930.0720g（Y0.94Eu）2O20gEuO（Y0.95Eu0.05）2O320g（Y0.96Eu0.04）2O320g（Y0.97Eu）2O20g0.033（Y0.98Eu）2O20g0.023（Y0.99Eu0.01）2O320g注：助熔劑Li2CO3按總重量外加1％wt。2實驗1.2 激光粒度儀法測量粉體材料粒度一、實驗?zāi)康?．掌握使用激光粒度儀測試粉末粒徑的方法。2．了解激光粒度法測試粉末粒徑的基本原理及常見粒徑的表示方法。二、實驗原理粒度是粉末材料的重要指標(biāo)之一。例如對熒光粉來說，粒度會顯著影響熒光粉的亮度，而且根據(jù)具體應(yīng)用的不同要求熒光粉具有一定的粒度大小和粒度分布。隨著技術(shù)發(fā)展，人們對粒度分析的需要不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的技術(shù)和測量儀器。例如電阻法，沉降法和激光粒度儀法，其中激光粒度儀測量速度快，重復(fù)性好，是目前較為流行的測量方法。激光粒度儀的的儀器工作原理如下圖所示， 通過測量顆粒群的散射譜，來分析其粒度分布。儀器主要由主機和計算機兩部分構(gòu)成，主機內(nèi)含光學(xué)系統(tǒng)、樣品分散及循環(huán)系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)。來自He-Ne激光器的激光束經(jīng)擴束、濾波、匯聚后照射到測量區(qū)，測量區(qū)的待測顆粒散射入射激光產(chǎn)生散射譜。散射譜的強度和空間分布與待測顆粒的粒度大小和分布有關(guān)，并被位于傅里葉透鏡后焦面上的光電探測陣列所接受，轉(zhuǎn)換成電信號后經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換由通信口送入計算機，進行反演運算和數(shù)據(jù)處理后，即可給出被測顆粒群的大小、分布等參數(shù)。三、實驗設(shè)備及材料Winner2000型激光粒度儀，待測粉末樣品，電子天平，去離子水和量筒等。四、實驗內(nèi)容與步驟打開主機電源，預(yù)熱15min；打開電腦，打開測試軟件；根據(jù)待測樣品的粒度，調(diào)整測試范圍（硬件調(diào)整及軟件設(shè)定），本儀器測試范圍分為三檔；3觀察激光束光斑，正常的光斑應(yīng)是圓形，若光斑形狀不規(guī)則，則需調(diào)整光電探測陣列，直至光斑為圓形；儀器正常后，關(guān)排水鍵，往樣品池中加入去離子水，裝滿至樣品池的2/3處為宜；開循環(huán)泵，排氣泡，可多次開關(guān)循環(huán)泵；新建測試文件，進行背景測試，若背景正常，可繼續(xù)進行樣品測試，若不正常則需根據(jù)使用說明書中的故障排除方法進行故障排除；開攪拌，開超聲器，用小藥匙往樣品池中加入適量待測樣品，以濃度為1.0～2.0為宜；開始測量，待測試結(jié)果趨于穩(wěn)定后，點擊記錄數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理，取平均值；測試結(jié)束，保存數(shù)據(jù)，關(guān)循環(huán)泵，關(guān)超聲器，關(guān)攪拌器，開排水閥；測試結(jié)束后，必須馬上清洗儀器，加入去離子水沖洗4～5遍以上，直至前次測試的樣品完全洗凈，方可進行下一樣品的測試；所有樣品測試完畢后，清洗儀器及操作臺，倒廢液，關(guān)閉儀器。注意事項：請勿直視激光束，避免灼傷眼睛！不得觸碰光路中的透鏡、反光鏡等光學(xué)元件！粒徑超過300μm的樣品不得在此儀器上進行測試！樣品池中無液體或液體較少時，不得開循環(huán)！若需清洗樣品窗、循環(huán)泵等，必須嚴(yán)格按照使用說明書進行！五、實驗報告要求記錄測試過程及測試參數(shù)。六、思考題1，測試中為什么要控制待測樣品在分散劑中的濃度， 并攪拌和超聲分散？2，從所測粒徑分布曲線你可得到哪些信息？ D50代表什么意義？七、參考資料1．粉體材料科學(xué)與工程 ----實驗技術(shù)原理與應(yīng)用， 廖寄喬編著，中南大學(xué)出版社，2001。4實驗1.3電阻法檢測粉體材料粒度性能一、實驗?zāi)康?．熟悉電阻法測試粉體粒度的基本原理。2．掌握電阻法測試粉體粒度的基本方法。二、實驗原理電阻法又稱庫爾特法。這種測試粉體粒度的方法是根據(jù)顆粒在通過一個小微孔的瞬間，占據(jù)了小微孔中的部分空間而排開了小微孔中的導(dǎo)電液體，使小微孔兩端的電阻發(fā)生變化的原理測試粒度分布的。孔兩端電阻的大小與顆粒的體積成正比。當(dāng)不同粒徑大小的顆粒連續(xù)通過小微孔時，小微孔的兩端將連續(xù)產(chǎn)生不同大小的電阻信號，通過計算機對這些電阻信號進行處理就可以得到粒度分布了。用庫爾特法進行粒度測試所用的介質(zhì)通常是導(dǎo)電性能較好的生理鹽水。圖1庫爾特式粒度儀結(jié)構(gòu)示意圖儀器的裝置如圖1所示。小孔管浸泡在電解液中。小孔管內(nèi)外各有一個電極，電流可以通過孔管壁上的小圓孔從陽極流到陰極。小孔管內(nèi)部處于負壓狀態(tài)，因此管外的液體將流動到管內(nèi)。測量時將顆粒分散到液體中，顆粒就跟著液體一起流動。當(dāng)其經(jīng)過小孔時，小孔的橫截面積變小，兩電極之間的電阻增大電壓升高，產(chǎn)生一個電壓脈沖。當(dāng)電源是恒流源時，可以證明在一定的范圍內(nèi)脈沖的峰值正比于顆粒體積，儀器只要準(zhǔn)確測出每一個脈沖的峰值，即可得出各顆粒的大小，統(tǒng)計出粒度的分布。三、實驗設(shè)備及材料庫爾特式粒度儀，燒杯，超生分散器，微孔濾膜，吸管，氯化鈉（ NaCl）5和待測樣品等。四、實驗內(nèi)容及步驟配置電解液（0.9%的NaCl溶液）；打開粒度儀、示波器及超聲波清洗器電源；檢測儀器，確保沒有堵孔等故障，如有故障則根據(jù)說明書中的相應(yīng)方法進行排除；4. 用新配置的電解液及標(biāo)準(zhǔn)粒子對儀器進行標(biāo)定（當(dāng)儀器使用超過 2個月或更換不同的電解液時）；用新配的電解液將攪拌器、電極、樣品杯及小孔管進行沖洗；將少量樣品放入一定量的電解液中，然后放入超聲清洗其中進行分散，分散時間一般為2分鐘；將分散好的樣品液放上測試臺，調(diào)整好測試臺高度、樣品杯、電極及攪拌器的位置；打開測試程序進行測試；記錄測試數(shù)據(jù)；測試完一個樣品后，取下樣品杯，用電解液將樣品杯、電極、攪拌器及小孔管沖洗干凈；重復(fù)前面所述步驟進行下一個試樣的測試；測試完畢后，純凈水將樣品杯、攪拌器、電極及小孔管沖洗干凈；在樣品杯中加入純凈水，放上樣品臺，將電極及小孔管浸泡在水中；關(guān)閉電源；清理儀器及操作臺。注意事項：請測試人員嚴(yán)格按照指定步驟操作，以免造成儀器損壞！選擇合適孔徑的小孔管進行測試有利于提高測量準(zhǔn)確度！粒徑超過小孔管孔徑的樣品不得進行測試！測試結(jié)束后，必須清理儀器及操作臺，處理廢液！五、實驗報告要求詳細記錄實驗步驟，實驗現(xiàn)象和測試結(jié)果。分析測試結(jié)果，準(zhǔn)確描述出所測6樣品的粒度大小和分布。六、思考題1，電阻法與激光法測粒度有何不同？2，同樣樣品分別用激光法和電阻法測試，結(jié)果有何不同？分析其原因。七、參考資料1，粉體材料科學(xué)與工程 ----實驗技術(shù)原理與應(yīng)用， 廖寄喬編著，中南大學(xué)出版社，2001。實驗1.4 粉體材料比表面積測試一、實驗?zāi)康?．了解比表面積測試基本原理。2．掌握比表面積測試方法 。二、實驗原理固體比表面積是指單位質(zhì)量固體的總表面積。多孔物質(zhì)或固體粉末的比表面積是用于評價他們的活性、吸附、催化等多種性能的重要物理屬性。氣體吸附法是測試比表面積的常用方法，其基本原理是依據(jù)氣體在固體表面的吸附規(guī)律。氮吸附比表面儀是在氣相色譜原理的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，以氦氣作為載氣，氮氣為被吸附氣體，二者按一定的比例（N2:He＝1:4）通入樣品管，當(dāng)樣品管浸入液氮（－196℃）時，混合氣中的氮氣被樣品物理吸附，直至飽和，隨后在樣品管回復(fù)至室溫的過程中，樣品吸附的氮氣全部解析出來，此時混合氣體中氮氣的比例將發(fā)生變化。而各種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同，氦的熱導(dǎo)系數(shù)比氮要大得多。氮、氦氣體比例的變化導(dǎo)致傳感器與匹配電阻所構(gòu)成的電橋中二輸出端電位失去平衡，計算機通過采樣板將它記錄下來得到一個近似于正態(tài)分布的電位—時間曲線，稱為解吸峰。對解吸峰曲線進行積分得到它的面積，通過已知樣品和未知樣品的解析峰面積、樣品重量、已知標(biāo)樣的比表面積之間的函數(shù)關(guān)系就可以計算出待測樣品的比表面積。三、實驗設(shè)備及材料實驗設(shè)備：JW-004型全自動比表面積分析儀，烘箱，液氮保溫杯，電子天平，U型樣品管等。7實驗材料：待測樣品，比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品，液氮，高純氮氣和高純氧氣等。四、實驗內(nèi)容及步驟準(zhǔn)備樣品及液氮；稱量樣品。把樣品裝入洗干凈的樣品管內(nèi)，用天平稱準(zhǔn)重量，然后放入烘箱內(nèi)進行烘干，根據(jù)樣品要求處理一定時間后取出樣品管，重新稱量樣品的重量；安裝樣品管。把儀器上的樣品管銅接頭取下來，分別套在樣品管的兩邊，再在樣品管的兩邊各套上兩個密封圈（密封圈離樣品管頂端0.4cm），然后把銅接頭接上儀器的樣品管固定接頭，擰緊；通氣。分別檢查純氮氣和純氦氣氣瓶的分壓閥，如果分壓閥是關(guān)閉的，就可以打開氧氣表的總閥，然后打開分壓閥，調(diào)節(jié)分壓閥的氧氣表到0.2Mpa，此時打開數(shù)顯流量表的電源開關(guān)，數(shù)顯流量表開始顯示流量；打開儀器及計算機，設(shè)置測試參數(shù)；調(diào)整儀器的進氣比例。根據(jù)數(shù)顯流量表顯示的流量輸入軟件計算出實際的p/po，然后通過數(shù)顯流量表下部的氮氣流量調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)氮氣和氦氣的比例，使進入儀器的氣體比例為p/po=0.2；把液氮倒入保溫杯中，在液氮表面離保溫杯頂端將近10mm時停止，要保證每個保溫杯的液氮面是一樣高的。把液氮保溫杯從左至右或者從右到左順次正確的放在升降托盤上，不要讓樣品管碰到保溫杯壁上；把升降開關(guān)打到向右的位置，升降臺將升起保溫杯，當(dāng)樣品管完全浸入后，升降臺會自動停止，把保溫杯按順序升上去，等保溫杯停穩(wěn)之后點擊“吸附開始”，樣品開始吸附；被測樣品吸附氮氣達平衡后，氣體氛圍恢復(fù)為進氣狀態(tài)，傳感器恢復(fù)平衡，數(shù)顯讀數(shù)變?yōu)?，此時點擊“吸附完成”，然后通過儀器面板上的細調(diào)把數(shù)顯調(diào)節(jié)到0；升溫解吸。被測樣品吸附平衡之后，即可開始升溫解吸。解吸應(yīng)從第一位置（即標(biāo)樣樣品）開始依次對被測樣品進行升溫解吸，順序不可顛倒（一定要按照輸入樣品質(zhì)量的順序開始解吸）。把標(biāo)準(zhǔn)樣品位置升降旋鈕轉(zhuǎn)向左到下降的位置，標(biāo)樣液氮保溫杯自動降下來，停穩(wěn)后數(shù)兩秒開始點擊“脫附開始”，主機8就進入解吸階段。當(dāng)數(shù)顯顯示為 0時，表明標(biāo)準(zhǔn)樣品解吸完成，這時可以把臨近標(biāo)準(zhǔn)樣品的待測樣品（也就是一號待測樣品）的液氮保溫杯降下來，當(dāng)數(shù)顯再次回到 0時，表示此樣品解吸完畢，可以進行下一個樣品的測試。依次操作升降旋鈕，重復(fù)上述過程，直至每個被測樣品解吸完成時， 最后一個樣品的比表面積的積分值不再發(fā)生變化，可以點擊“脫附完成”圖標(biāo)，軟件已經(jīng)自動顯示被測樣品的比表面積；記錄數(shù)據(jù)，結(jié)束測試；關(guān)閉儀器，取出樣品，清理操作臺。注意事項：在打開儀器電源前，必須保證氣路中有氮/氬氣體流通！取用液氮時，請務(wù)必小心，以免凍傷！裝取樣品及裝樣品管時，請小心操作，避免損壞樣品管！測試前，樣品必須進行干燥，否則將導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確！請注意待測樣品的粒度，若難以放入樣品管底部的樣品不得進行測試！五、實驗報告要求記錄測試過程及測試參數(shù)。六、思考題1．影響粉體材料比表面積性能的因素有哪些？七、參考資料1．粉體材料科學(xué)與工程 ----實驗技術(shù)原理與應(yīng)用， 廖寄喬編著，中南大學(xué)出版社，2001。實驗1.5粉體材料綜合性能測試（松裝密度，振實密度，安息角等）一、實驗?zāi)康?．熟悉粉體材料松裝密度、振實密度、安息角等參數(shù)的基本含義。2．掌握粉體材料松裝密度、振實密度、安息角等參數(shù)的測試方法。二、實驗原理粉體無論在流動狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)， 都是一種兩相并存的體系。顆粒本身的特性及顆粒之間的相互摩擦?xí)a(chǎn)生一些特殊流動特性，研究這些特性對粉體加9工、輸送、包裝、存儲等方面的工作具有重要意義。表征粉體流動特性的主要參數(shù)如下：振實密度：將粉體裝填在特定容器中，對容器進行振動，從而破壞粉體中的空隙，使粉體處于緊密填充狀態(tài)后的密度。通過測量振實密度可知粉體的流動性和空隙率等數(shù)據(jù)。松裝密度：粉體在特定容器中處于自然狀態(tài)下的密度。該參數(shù)對存儲容器和包裝袋的設(shè)計很重要。休止角：粉體堆積層的自由表面在靜平衡狀態(tài)下，與水平面形成的最大角度，又稱安息角或自然坡度角。休止角與粉體的流動性密切相關(guān)。崩潰角：各測量休止角的堆積粉體以一定的沖擊，使其表面崩潰后圓錐體的底角。平板角：將埋在粉體的平板向上垂直提起，粉體在平板上自由平面（斜面）和平板之間夾角與受振動后夾角的平均值。平板角越小，粉體流動性越強。分散度：粉體在空氣中分散的難易程度。測量方法是10g粉體試樣從一定高度落下后，測量料盤外實驗占試樣總量的百分數(shù)。通過以上參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測量，可計算出以下參數(shù)：差角：休止角與崩潰角之差。差角越大，粉體的流動性與噴流性越強。壓縮度：振實密度與松裝密度之差與振實密度之比。壓縮度越小，粉體的流動性越好?？障堵剩悍垠w中空隙占整個粉體體積的百分比。 空隙率因粉體的形狀、排列結(jié)構(gòu)、粒徑等因素的不同而變化。三、實驗設(shè)備及材料BT-1000型粉體特性測試儀及附件，電子天平，烘箱，待測粉體材料等。四、實驗內(nèi)容及步驟1.休止角、崩潰角測定。 A）放置休止角試樣臺，使試樣臺上平面處于水平狀態(tài)；b）加料，關(guān)上儀器前門，打開儀器電源和振動篩開關(guān)，用小勺在加料口徐徐加料，物料通過篩網(wǎng)，灑落在試樣臺上，形成椎體； c）當(dāng)試樣落滿試樣臺并呈對稱的圓錐體后，停止加料，關(guān)閉振動篩電源，利用測角器測試休止角，記錄結(jié)果；d）輕輕提起試樣臺中軸的崩潰角振子到距頂部 10cm的高度，然后使10其自由落下，使試樣臺物料受到震動，如此三次，測試每次的休止角，其平均值即為崩潰角；2.平板角的測試。a）將升降臺上放好托盤，平板深入托盤中，將待測樣品徐徐灑落托盤直至埋沒平板； b）輕輕扭動升降臺旋鈕使托盤高度緩緩降低，與平板脫離，這時測角器測定三處留在平板上粉體所形成角度，取平均值 s1；c）用錘下落一次，沖擊平板，再用測角器測定三處留在平板上粉體所形成角度， 取平均值 s2。平板角為 s1和 s2的平均值；3.分散度的測試。a）將分散度卸料控制器拉到右端并卡住，關(guān)閉料斗； b）用天平稱取試樣 10g，通過漏斗把試樣均勻加入分散度入料漏斗； c）將小料盤至于分散度測定筒正下方的分散度測定室內(nèi)的定位圈內(nèi)， 關(guān)上抽屜，然后瞬間開啟卸料閥，使試樣通過分散度筒自由落下； d）稱量殘留于料盤的粉末，記為 m，按下式計算分散度：分散度 Ds=（10-m）/10 100%；4.松裝密度測定。a）將透明套筒與密度容器連接好； b）將減震器、接料盤、通用松裝密度墊環(huán)、密度容器、出料口漏斗安裝好。打開振動篩開關(guān)，在振動篩上加料，使樣品通過篩網(wǎng)、出料口灑落到密度容器，當(dāng)充滿容器后停止加料； c)取出密度容器，用毛刷將外面的粉掃出干凈，用天平稱取容器和粉體的總重量 G；d）實驗三次，設(shè)平均總重量為G’,容器的重量為G1（事先稱量好），利用下式計算松裝密度：a=（G’-G1）/100；5.振實密度測定。a）將透明套筒與密度容器連接好； b）將振實密度用升降頂棒和密度組件安裝好，在振動篩上加料，使其充滿密度容器；c）當(dāng)試樣高度達到透明套筒中央時停止加料，打開振動電機開關(guān)，直至粉面不再繼續(xù)下降，然后取出透明套筒，用刮刀刮平，并用毛刷將容器外面的粉輕輕掃除干凈，用天平稱取容器和粉體的總重量G；d）測試三次，設(shè)平均總重量為G’,容器的重量為G1（事先稱量好），利用下式計算松裝密度：p=（G’-G1）/100；6.測試結(jié)束，清理儀器及操作臺。注意事項：酸堿等腐蝕性樣品不得進行測試！每測完一個樣品后，必須首先清理振動篩、測試室等處殘留的粉體，避免導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確！11測試前，樣品必須干燥，否則將導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確！五、實驗報告要求。記錄實驗操作步驟和測試結(jié)果，給出所測粉體休止角、平板角、分散度、振實密度和松裝密度。由以上測試結(jié)果計算粉體的差角、壓縮度。六、思考題1．由測試結(jié)果計算粉體的空隙率。2．粉體的流動性與那些因素有關(guān)？粉體的流動性和休止角有什么關(guān)系？七、參考資料1．粉體材料科學(xué)與工程 ----實驗技術(shù)原理與應(yīng)用， 廖寄喬編著，中南大學(xué)出版社，2001。實驗1.6粉體材料電泳性能測試一、實驗?zāi)康?．了解固體顆粒表面荷電性質(zhì)。2．掌握分散體系顆粒固-液界面電性（Zeta電位）的測定方法。二、實驗原理固體在溶液中的荷電性質(zhì)，實際上影響著固體表面性質(zhì)和固液界面區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)及其進行的速度。當(dāng)固體與液體接觸時，固體表面的荷電現(xiàn)象是普遍存在的，它導(dǎo)致固液界面的液體一側(cè)帶著相反電荷，這種界面電荷影響著周圍介質(zhì)的分布，與界面電荷極性相反的電荷固體被吸向界面，相同的帶電粒子則排離表面。同時，離子的熱運動又使它們混合在一起，因此在界面上形成一個擴散雙電層。固體在溶液中構(gòu)成雙電層的原因包括外加電場，電離作用，離子交換作用和離子吸附等因素。根據(jù)擴散雙電層模型，可將固體附近的區(qū)域分為兩部分。緊靠固體表面的第一部分牢固的吸附在固體表面，形成內(nèi)部緊密層，或簡稱Stern層，電位從固體表面到Stern層的外表面，線性降低。外層就是擴散層，由溶劑化的離子構(gòu)成，不隨分散固體一起運動。當(dāng)固體分散在液體內(nèi)做相對流動時，Stern層相對固體顆粒是不會移動的，它隨著固體表面一起移動。由于溶劑的影響，一般來說顆粒與液體的剪切面并不與Stern層的邊界重合，而是稍微靠外面一點，因此可以將12擴散層分為不切變層和流動層兩部分。剪切面（滑動面）上的電位稱為 Zeta電位，它在電動運動的切變中顯示出來，所以又稱動電電位。其表示式如下：ζ=Kuηε其中u為膠體的電泳淌度，即單位電場下的電泳速度，K 為與膠體形狀有關(guān)一常數(shù)，ε和η分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和粘度。ZETA電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。ZETA電位的測量使我們能夠詳細了解分散機理，它對靜電分散控制至關(guān)重要。對于釀造、陶瓷、制藥、藥品、礦物處理和水處理等各個行業(yè)，ZETA電位是極其重要的參數(shù)。三、實驗設(shè)備及材料JS94H2型微電泳儀，超聲分散器，PH 計，粘度計，計算機，分散液，待測樣品等。四、實驗內(nèi)容及步驟1．量取50ml 10-4M的NaCl溶液，置于100ml燒杯中，稱取1mg待測樣品粉末投入上述溶液，用超聲波分散器分散兩分鐘， 用pH計測定pH值，留作待測量品。2．開啟微電泳儀，打開測試軟件。用去離子水沖洗電泳杯和十字標(biāo)，將被測樣品注入電泳杯，插入十字標(biāo)后洗滌數(shù)次，并讓十字標(biāo)充分濕潤；3．取0.5－1ml樣品分散液，注入電泳杯，傾斜電泳杯，緩緩插入十字標(biāo)（注意前后），擦拭干電泳杯外壁，將電泳杯平穩(wěn)放入樣品槽，輕按到底。調(diào)節(jié)上下及前后旋鈕，使十字標(biāo)清晰出現(xiàn)在畫面中央。4．用去離子水沖洗電泳杯和電極，將被測樣品注入電泳杯，插入電極后洗滌數(shù)次，并讓電極裝置充分濕潤；取 0.5ml樣品注入電泳杯，傾斜電泳杯，緩緩插入電極裝置，不要產(chǎn)生氣泡（有氣泡時用手指輕彈電泳杯，將氣泡趕出） 。擦拭干電泳杯外壁，將電泳杯平穩(wěn)放入樣品槽，輕按到底，切忌重壓，連上電極連線。5．點按活動圖像，按啟動，圖像上顆粒會隨電極的切換左右移動，使用快捷鍵（A、Q、Z、X）調(diào)節(jié)，使待測顆粒處于紅色取景框內(nèi)，立刻按存盤，程序?qū)⒔厝D像供分析計算時使用。6．存盤完成后，等待 10秒，按分析程序進入分析界面。點擊開始按鈕，輸13入正確的文件名，系統(tǒng)將調(diào)出相應(yīng)圖像和數(shù)據(jù)。分析區(qū)#1、#2 是兩張顆粒運動灰度圖像，分析區(qū)#3 是#1、#2圖像相減。顆粒運動軌跡較明顯時，可作為定標(biāo)時參考。分析圖像時，首先用鼠標(biāo)在分析區(qū)#1 內(nèi)確認一個顆粒，在數(shù)據(jù)區(qū)顆粒0A位置將顯示其位置數(shù)據(jù)。然后在在分析區(qū)#2 中確認同一顆粒，在 0B位置將顯示位置數(shù)據(jù)。依此類推，可獲得多組數(shù)據(jù)。然后點擊繼續(xù)按鈕，系統(tǒng)將調(diào)出第二組圖像，用戶用同樣方法可再獲得多組數(shù)據(jù)。按存盤，輸入顆粒電荷。確認后系統(tǒng)將自動計算結(jié)果。7．運行js94print.exe 程序，調(diào)入剛才保存的文件，即可得出Zeta電位并打印8．測定后的電泳杯和十字標(biāo)，電極用去離子水反復(fù)沖洗干凈。五、實驗報告要求詳細記錄實驗操作步驟、實驗參數(shù)和測試結(jié)果。六、思考題1．影響粉末樣品Zeta電位的因素有哪些？實驗1.7長余輝熒光粉發(fā)光性能測試一、實驗?zāi)康?．了解長余輝發(fā)光基本機理2．熟悉長余輝熒光粉發(fā)光性能的測試原理及方法；二、實驗原理長余輝發(fā)光材料是一類吸收了激發(fā)光能并儲存起來，在激發(fā)光停止后，再把儲存的能量以光的形式釋放出來，并可持續(xù)幾個甚至幾十個小時的發(fā)光材料。關(guān)于長余輝發(fā)光的機理人們還沒有徹底理解，可定性以圖1解釋。用一定照度的光度激發(fā)長余輝材料，電子被激發(fā)態(tài)，一部分激發(fā)電子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)并伴隨著光輻射， 還會有部分激發(fā)態(tài)電子被束縛在淺陷阱能級。當(dāng)激發(fā)光停止后這些束縛的電子會在熱擾動左右下被釋放， 返回基態(tài)與空14穴復(fù)合發(fā)光。余輝的時間長短和強度高低與材料的陷阱能級的深淺有很大關(guān)系。圖2PR-305熒光余輝亮度測量原理圖余輝亮度的測試如圖2所示，激發(fā)光源在計算機控制下，照射熒光粉樣品，同時，計算機不斷測量樣品表面的激發(fā)光照度。到達預(yù)置的激發(fā)時間后，激發(fā)光源關(guān)閉，等待一定時間后，計算機開始連續(xù)不斷測量余輝亮度，并畫出余輝亮度衰減曲線，到達設(shè)定的測量時間或最小亮度閾值時，停止采樣，從而獲得該熒光粉樣品的余輝亮度衰減曲線和余輝時間等參數(shù)。三、實驗設(shè)備及材料PR-305熒光余輝亮度測試儀，樣品槽，待測樣品等。四、實驗內(nèi)容及步驟1．打開測試儀器及計算機軟件，輸入樣品信息；2．將過篩好的長余輝熒光粉裝入樣品槽，用載波片壓平。將樣品支架壓下，將裝好熒光粉樣品的樣品槽安裝在支架中央，并松開手讓支架彈起，此時樣品槽四周的凸起與支架上端的孔槽應(yīng)緊密接觸，以免漏光；3。開始測量。使用照度為1000lx的激發(fā)光照射10分鐘，激發(fā)結(jié)束后光電探測器高壓自動打開，再經(jīng)過預(yù)置的等待時間后，開始測量余輝亮度。分別記錄10秒和10分鐘時刻的亮度值。五、實驗報告要求記錄測試過程及測試條件，包括激發(fā)照度、負高壓值等參數(shù)。附：長余輝熒光粉性能表分子式 熒光粉外觀10 秒亮度10 分鐘亮度注：熒光粉外觀檢查包括粉色均勻性，是否有白點等。15六、思考題1．你能想出提高長余輝熒光粉余輝亮度和余輝時間的措施嗎？七、參考資料1．蓄光型發(fā)光材料及其制品，肖志國，化學(xué)工業(yè)出版社，2002。2．無機光致發(fā)光發(fā)光材料，張中太，張俊英主編，化學(xué)工業(yè)出版社， 2005。實驗1.8 熒光粉溫度猝滅性能測試一、實驗?zāi)康?．掌握熒光粉發(fā)光亮度隨溫度變化特性的測試方法。2．了解熒光粉溫度猝滅的基本原理。二、實驗原理光致發(fā)光的基本過程可以利用位形坐標(biāo)圖來解釋，如圖 1所示。位形坐標(biāo)圖表示的是吸收中心的能量 E隨位形坐標(biāo)R的函數(shù)曲線，R是在材料原子或基團振動過程中的一個結(jié)構(gòu)參數(shù)。我們考慮一拋物線型的位形坐標(biāo)圖，在激發(fā)光的作用下，吸收中心的電子由基態(tài)a1躍遷至激發(fā)態(tài)a2，這就是光的吸收。激發(fā)態(tài)的電子處于高能量狀態(tài)，其最終會返回基態(tài)，同時也會將多余的能量釋放掉。如果將能量差以光的形式釋放，這就是發(fā)光，也稱為輻射躍遷；如果能量轉(zhuǎn)換為熱消散在晶格內(nèi)，即通過發(fā)射聲子的形式釋放，稱為非輻射躍遷。發(fā)光材料的發(fā)光性能會受到溫度的影響， 有些材料在低溫下發(fā)光，但室溫下就不發(fā)光了，一些材料在室溫下發(fā)光，但隨溫度升高，發(fā)光強度降低，升高到一定溫度后就不發(fā)光了，這就是發(fā)光的溫度猝滅。溫度猝滅可以有圖 2的位形坐標(biāo)圖來解釋。如果溫度足夠高的話，激發(fā)態(tài)能級的振動幅度增大，弛豫激發(fā)態(tài)可能會達到兩個拋物線的交點。 通過交叉點，發(fā)光體系可能以非輻射方式直接返回基態(tài)， 激發(fā)態(tài)以熱的形式完全散發(fā)在晶16格內(nèi)，從而不再發(fā)光。可見，非輻射躍遷在溫度猝滅過程起主導(dǎo)作用。三、實驗設(shè)備及材料實驗設(shè)備：亮度測試儀，激發(fā)光源，電阻加熱熱臺，程序控溫儀等。實驗材料：標(biāo)樣（商用YAG:Ce3+熒光粉），自制YAG:Ce3+熒光粉，調(diào)零用BaSO4粉末）。四、實驗內(nèi)容及步驟1．裝樣。分別將標(biāo)樣，BaSO4和自制的熒光粉粉末裝入不銹鋼樣品盤。2．開啟亮度測試儀，依次將裝有BaSO4粉末和標(biāo)樣的托盤放入測試腔，標(biāo)定測試的零點亮度，并將標(biāo)樣的亮度標(biāo)定為100，不同溫度下測試樣品的亮度以此為基準(zhǔn)。3．將測試樣品盤放入樣品室，啟動加熱電源，開始加熱，測定從室溫到1500C之間不同溫度下樣品亮度。4．重復(fù)2-3步驟，再測試兩次。五、實驗報告要求詳細記錄實驗的操作步驟、相關(guān)參數(shù)和測試結(jié)果，繪制亮度隨溫度的變化曲線，分析曲線形成原因。六、思考題1．熒光粉實際應(yīng)用中，工作溫度會明顯高于室溫，因此導(dǎo)致熒光粉亮度的下降甚至發(fā)生溫度猝滅，什么措施可以改變這種狀況？2．熒光粉隨溫度升高，在一定的溫度范圍內(nèi)（低于猝滅溫度）發(fā)光亮度可能提高，從發(fā)光的基本過程解釋其形成原因。實驗1.9發(fā)光材料激發(fā)光譜和發(fā)射光譜測試一、實驗?zāi)康?．掌握光致發(fā)光的基本過程，掌握激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的基本含義。2．掌握發(fā)光材料發(fā)射光譜和激發(fā)光譜的測試方法。二、實驗原理發(fā)光是指材料吸收外來能量后所發(fā)出總輻射中超過熱輻射的部分。 發(fā)光材料的發(fā)光需要外界能量的激發(fā)，根據(jù)激發(fā)方式不同發(fā)光方式可以分為光致發(fā)光、 陰17極射線發(fā)光、電致發(fā)光、x射線及高能粒子發(fā)光等。以光致發(fā)光為例，其基本過程如圖1所示。當(dāng)用激發(fā)光照射某些物質(zhì)時，處于基態(tài)的分子吸收激發(fā)光發(fā)生躍遷，達到激發(fā)態(tài)，這些激發(fā)態(tài)經(jīng)過弛豫過程損失一部分能量后，以無輻射躍遷回到激發(fā)態(tài)的低振動能級，再從此能級返回基態(tài)，此過程中多余的能量以光子的形式釋放。激發(fā)光譜和發(fā)射光譜是表征發(fā)光材料兩個重要的性能指標(biāo)。 激發(fā)光譜是指發(fā)光材料在不同波長激發(fā)下，該材料的某一波長的發(fā)光譜線的強度與激發(fā)波長的關(guān)系。激發(fā)光譜反映了不同波長的光激發(fā)材料的效果。 根據(jù)激發(fā)光譜可以確定使該材料發(fā)光所需的激發(fā)光的波長范圍，并可以確定某發(fā)射譜線強度最大時的最佳激發(fā)波長。激發(fā)光譜對分析材料的發(fā)光過程也具有重要意義。 發(fā)射光譜是指在某一特定波長激發(fā)下，所發(fā)射的不同波長的光的強度或能量分布。 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜通常采用熒光分光光度計進行測量。其基本結(jié)構(gòu)包括光源，單色器，試樣室，單色器和探測器。常用光源為氙燈，單色器多為光柵，探測器主要用光點倍增管。熒光分光光度計工作原理：由光源氙弧燈發(fā)出的光通過切光器使其變成斷續(xù)之光以及激發(fā)光單色器變成單色光，此光即為熒光物質(zhì)的激發(fā)光，被測的熒光物質(zhì)在激發(fā)光照射下所發(fā)出的熒光，經(jīng)過單色器變成單色熒光后照射于測樣品用的光電倍增管上，由其所發(fā)生的光電流經(jīng)過放大器放大輸至記錄儀，激發(fā)光單色器和熒光單色器的光柵均由電動機帶動的凸輪所控制，當(dāng)測繪熒光發(fā)射光譜時，將激發(fā)光單色器的光柵，固定在最適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光波長處，而讓熒光單色器凸輪轉(zhuǎn)動，將各波長的熒光強度訊號輸出至記錄儀上，所記錄的光譜即發(fā)射光譜，簡稱熒光光譜。當(dāng)測繪熒光激發(fā)光譜時，將熒光單色器的光柵固定在最適當(dāng)?shù)臒晒獠ㄩL處，只讓激發(fā)光單色口的凸輪轉(zhuǎn)動，將各波長的激發(fā)光的強度訊號輸出至記錄儀，18所記錄的光譜即激發(fā)光譜。三、實驗設(shè)備及材料SPR-960熒光粉激發(fā)光譜測試儀，激發(fā)燈盒、計算機、標(biāo)準(zhǔn)燈盒和燈盒電源。四、實驗內(nèi)容及步驟1．裝樣。將測試樣品裝入樣品槽，放入樣品室。2．開啟激發(fā)光譜測試儀電源，余熱氙燈。余熱指示燈滅后，調(diào)節(jié)氙燈電流為300mA。3．打開測試軟件，點擊“激發(fā)光譜”按鈕，輸入相應(yīng)得激發(fā)監(jiān)控波長，測試激發(fā)光譜。測試結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)。4．點擊“發(fā)射光譜”按鈕，輸入相應(yīng)得發(fā)射監(jiān)控波長，測試發(fā)射光譜，保存數(shù)據(jù)。5．測試結(jié)束后，關(guān)閉測試軟件，關(guān)閉光譜測試儀，關(guān)閉電腦。五、實驗報告要求詳細記錄實驗的操作步驟、相關(guān)參數(shù)，保存測試，繪制發(fā)射光譜和激發(fā)光譜。六、思考題1．你所測試的熒光粉，激發(fā)波長范圍是多少，屬于什么波段？最佳激發(fā)波長是多少，屬于什么波段。發(fā)射峰值波長是多少，為什么顏色的光？2．由激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，你可以得到關(guān)于熒光粉的什么信息？你所測試的熒光粉可以應(yīng)用在什么領(lǐng)域，為什么？七、參考資料1．無機光致發(fā)光發(fā)光材料，張中太，張俊英主編，化學(xué)工業(yè)出版社， 2005。19綜合實驗2薄膜材料制備及性能測試實驗2.1 直流磁控濺射制備薄膜材料一、實驗?zāi)康模?．掌握直流磁控濺射原理；2．了解直流磁控濺射操作技術(shù)；二、實驗原理1．濺射原理當(dāng)載能離子與固體表面相互作用的過程中， 將發(fā)生載能離子的能量和動量向固體表面原子轉(zhuǎn)移；當(dāng)表面原子獲得足夠大的動能而脫離基體表面， 從而產(chǎn)生表面原子的濺射。濺射法沉積薄膜指離子轟擊物體， 使其飛濺，讓飛濺的原子落到所需基片上形成薄膜。直流濺射在低氣壓條件下，在兩電極之間施加一定的直流電壓，氣體將發(fā)生電離現(xiàn)象。電離產(chǎn)生的離子在電場作用下，向陰極遷移，并轟擊陰極表面，產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象為直流濺射反應(yīng)濺射一些化合物材料的濺射率很低， 或不易獲得。為了獲得這些化合物薄膜，通常采用濺射單質(zhì)材料的同時，向沉積室通入一定的反應(yīng)氣體， 從而獲得相應(yīng)的化合物薄膜。這種沉積方法稱為反應(yīng)濺射。三、實驗內(nèi)容與步驟：沉積參數(shù)：溫度400℃；Ar流量：30sccm,N2流量：1sccm/20sccm；工作壓強0.5Pa；功率200W；偏壓為-60V，時間1小時。1．開機前準(zhǔn)備工作開動循環(huán)水，檢查水壓是否足夠大，水壓控制器是否起作用，保證各水路暢通。(2)檢查總供電電源配線是否完好，底線是否接好，所有儀表電源開關(guān)全部處于關(guān)閉狀態(tài)。(3)檢查分子泵、機械泵油是否注到標(biāo)線處(4)檢查系統(tǒng)所有閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài)。2．裝樣先將樣品清洗干凈后放在樣品托上后，將樣品托、靶材放入真空室。203．開機啟動總電源確認所有電源開關(guān)都在關(guān)閉狀態(tài)后， 按下總電源開關(guān)，此時電源三相指示燈全亮，供電正常。磁控濺射室抽真空(2.1)啟動機械泵按下機械泵開關(guān)，機械泵指示燈亮，此時機械泵工作，在打開 V3旁抽閥開關(guān)，機械泵對磁控濺射室進行抽氣。打開熱偶真空計進行測量。(2.2)啟動分子泵先打開分子泵總電源開關(guān)，當(dāng)真空計顯示達到 20Pa時，關(guān)閉旁抽閥V3，打開電磁閥，然后打開分子泵啟動按鈕，其電源控制面板上顯示速率， 分子泵開始工作。這時打開閘板閥對磁控濺射室抽氣。約 8分鐘，速率顯示為600時，分子泵進入正常工作狀態(tài)。打開電離真空計，測量高真空，待其達到 10-3pa.進入工作磁控濺射鍍膜待本底真空達到實驗所預(yù)期要求后，加熱樣品臺到濺射溫度后，略微關(guān)小閘板閥。向磁控濺射室充氣關(guān)閉電離真空計，打開進氣截止閥V2，此時抽取管路中的氣體，然后打開進氣閥V4(N2)、V5(Ar),再打開MFC質(zhì)量流量計電源，通過流量計充入工作氣體，并設(shè)定工作氣體的流量。通過適量。調(diào)節(jié)閘板閥關(guān)閉的大小調(diào)節(jié)濺射工作壓強至0.5Pa。直流磁控濺射確保磁控靶由靶擋板遮蔽后，按下直流電源開關(guān)，磁控靶的陰極應(yīng)出現(xiàn)輝光放電，電壓表和電流表將有一個小的指示。這時可以順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，使電流和電壓的沉積達到所需功率200W。偏壓為-60V。通過調(diào)節(jié)樣品臺、樣品擋板和靶擋板位置，使濺射原子沉積在樣品表面。停止濺射鍍膜達到沉積所需時間后，關(guān)閉直流電源，關(guān)閉 MFC質(zhì)量流量計。然后關(guān)閉磁21控濺射室進氣截止閥 V1和V2，全開閘辦閥，使磁控濺射室用分子泵直接抽氣，進入高真空狀態(tài)。4．停機。關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)所有閥門，系統(tǒng)保持真空。先關(guān)閉各路儀表電源，然后關(guān)閉分子泵、電磁閥、機械泵、總電源以及所有水路。5．取出樣品。待樣品溫度低于 60度，取出樣品。四、思考題1．在機械泵工作情況下，同時打開旁抽閥和閘板閥會出現(xiàn)什么情況？2．如工作中突然由于停電或停水造成停機，應(yīng)如何操作？實驗3.2 射頻磁控濺射制備薄膜材料一、實驗?zāi)康模赫莆丈漕l磁控濺射原理；了解直流磁控濺射操作技術(shù)；二、實驗原理當(dāng)直流濺射沉積絕緣性材料時，絕緣層表面不斷積累電荷，產(chǎn)生的電場與外加電壓抵消，直流輝光放電不能持續(xù)進行。如果在兩電極之間施加交流電壓，氣體電離后，電子在電極間來回振蕩以維持氣體放電。由于電子和離子的質(zhì)量不同，電子隨外加交流電場遷移的速度大于離子，因此電極表面始終積累一定數(shù)量的負電荷，電極處于負電位（即陰極） ，正離子受陰極的吸引，轟擊電極產(chǎn)生濺射作用。當(dāng)使用的交流電壓為 13.56MHz的射頻頻率，這類濺射稱為射頻濺射。三、實驗內(nèi)容與步驟：沉積參數(shù)：溫度400℃；Ar流量：30sccm；工作壓強0.5Pa；功率200W；偏壓為0V/-30V，時間1小時。1．開機前準(zhǔn)備工作開動循環(huán)水，檢查水壓是否足夠大，水壓控制器是否起作用，保證各水路暢通。(2)檢查總供電電源配線是否完好，底線是否接好，所有儀表電源開關(guān)全部處于關(guān)閉狀態(tài)。(3)檢查分子泵、機械泵油是否注到標(biāo)線處(4)檢查系統(tǒng)所有閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài)。222．裝樣先將樣品清洗干凈后放在樣品托上后，將樣品托、靶材放入真空室。3．開機啟動總電源確認所有電源開關(guān)都在關(guān)閉狀態(tài)后， 按下總電源開關(guān)，此時電源三相指示燈全亮，供電正常。磁控濺射室抽真空啟動機械泵按下機械泵開關(guān)，機械泵指示燈亮，此時機械泵工作，在打開 V3旁抽閥開關(guān)，機械泵對磁控濺射室進行抽氣。打開熱偶真空計進行測量。啟動分子泵先打開分子泵總電源開關(guān)，當(dāng)真空計顯示達到 20Pa時，關(guān)閉旁抽閥V3，打開電磁閥，然后打開分子泵啟動按鈕，其電源控制面板上顯示速率， 分子泵開始工作。這時打開閘板閥對磁控濺射室抽氣。約 8分鐘，速率顯示為600時，分子泵進入正常工作狀態(tài)。打開電離真空計，測量高真空，待其達到 10-3pa.4．磁控濺射鍍膜(4.1)待本底真空達到實驗所預(yù)期要求后，加熱樣品臺到濺射溫度 400℃，稍關(guān)閉閘板閥。(4.2)向磁控濺射室充氣，Ar流量：30sccm,N2流量：1sccm。通過適量調(diào)節(jié)閘板閥關(guān)閉的大小調(diào)節(jié)濺射工作壓強至 3-5Pa。(4.3)射頻磁控濺射。開啟燈絲開關(guān)，預(yù)熱 5分鐘。開啟板壓開關(guān)，緩緩調(diào)節(jié)板壓到500V，然后仿佛調(diào)節(jié)匹配電容 C1和C2，直至反應(yīng)室起輝。調(diào)節(jié)板壓到所需功率至200W，隨時調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)使反射功率接近 0。在調(diào)解工作壓強至 0.5Pa.偏壓為0V/-30V。通過調(diào)節(jié)樣品臺、樣品擋板和靶擋板位置，使濺射原子沉積在樣品表面。5．停止濺射鍍膜。樣品溫度低于 60度，取出樣品。四、思考題1．射頻濺射加偏壓和直流濺射中加偏壓，有什么不同現(xiàn)象，原因是什么？23實驗2.3 薄膜結(jié)合力性能測試一、實驗?zāi)康模?．掌握薄膜/涂層結(jié)合力評價原理和方法；2．了解劃痕儀操作技術(shù)。二、實驗原理：任何薄膜要發(fā)揮其功能的前提是附著強度的高低。附著強度不高的薄膜 ,談?wù)撈渌|(zhì)量指標(biāo)是沒有意義的，因此涂層附著強度薄膜性能的重要指標(biāo)。劃痕試驗用具有光滑園錐頂尖的劃針 ,在逐漸增加載荷下刻劃涂層表面 ,直至涂層被破壞,涂層破壞時所加的載荷稱為臨界載荷 ,并以此作為涂層與基體附著強度的度量。三、實驗步驟內(nèi)容：測量不同參數(shù)下氮化鈦的結(jié)合力打開儀器控制箱電源，此時控制箱電源燈亮。預(yù)熱五分鐘調(diào)整載荷零點：主控箱預(yù)熱后，逆時針旋動主機加載螺桿，使加載梁前端離開載荷傳感器球支點。調(diào)整儀器控制箱載荷調(diào)零旋鈕，使屏幕主控窗口右上方載荷文本框中數(shù)值顯示為“0”，然后再順時針旋轉(zhuǎn)加載螺桿使載荷文本框中數(shù)值顯示為“0.01”，此時劃痕壓頭剛好觸及試樣表面。按設(shè)定的加載速率50N/min和劃痕速度4mm/min。點擊測量按鈕，計算機控制系統(tǒng)同時啟動連續(xù)加載和被測樣品平移。獲得劃痕過程中變化的載荷值和樣品表面涂層破損剝落時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并顯示聲發(fā)射信號與載荷變化的對應(yīng)曲線。保存曲線，判斷臨界載荷，用體視顯微鏡觀察確認。四、思考題1．實驗中如發(fā)現(xiàn)曲線上出現(xiàn)異常信號，如何辨認其反應(yīng)的信息？實驗2.4 薄膜摩擦性能測試一、實驗?zāi)康模赫莆漳Σ翆W(xué)評價原理和方法，了解球盤式磨損儀操作技術(shù)。二、實驗原理24在一般的體塊材料磨損過程中，兩摩擦副常常面面接觸或線面接觸。但是，由于樣品安裝的原因，這種理想的接觸狀態(tài)需通過一段時的磨合才能達到。這種磨損試驗方式不適合薄膜材料，因此采用球形摩擦副和薄膜樣品以點面接觸的方式進行試驗。一定載荷下，球形摩擦副在薄膜表面沿圓形軌跡摩擦運動，同時測量摩擦系數(shù)。三、實驗內(nèi)容和步驟：測量不同參數(shù)下氮化鈦的摩擦學(xué)性能打開儀器控制箱電源，預(yù)熱十五分鐘。將試驗樣品放置樣品平臺中心位置上，主控箱預(yù)熱后，調(diào)整儀器控制箱摩擦系數(shù)調(diào)整旋鈕使屏幕主控窗口左方摩擦系數(shù)文本框中數(shù)值顯示為“0.0”。選擇好栓盤或球盤壓頭，安裝到壓頭頂桿上，固定好鎖緊鏍母。根據(jù)試樣高度旋轉(zhuǎn)升降支架調(diào)整螺母，觀察水平儀，使加載橫梁平行。調(diào)整加載橫梁重量平衡滑塊，使加載橫梁處于平衡位置，固定好平衡滑塊鏍母。蓋上真空罩，啟動運行程序。用鼠標(biāo)左鍵單擊【新建】按鈕，彈出參數(shù)輸入窗口，輸入試驗日期，樣品號，加載量，轉(zhuǎn)速等試驗參數(shù)。其中載荷為5N,轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，時間60分鐘(6)試驗參數(shù)輸入完成后，用鼠標(biāo)單擊 【開始試驗】按鈕，返回主控窗體。主控窗體相應(yīng)的文本框中的參數(shù)也立即改為新輸入的參數(shù)。坐標(biāo)值也隨之改變。磨損停止后，保存實驗曲線，取下試驗涂層樣品和磨球，分析觀察。四、思考題1．體塊材料摩擦試驗的載荷范圍是多少，與球盤式磨損的載荷范圍相比有什么不同，原因是什么？實驗2.5 原子力顯微鏡（ AFM）觀察薄膜表面形貌一、實驗?zāi)康模赫莆招蚊睞FM觀察原理和方法，了解 AFM設(shè)備操作技術(shù)。二、實驗原理：原子之間隨之距離不同，相應(yīng)產(chǎn)生大小方向不同的作用力，統(tǒng)稱為原子力。25由于原子力的作用，尖端極其尖銳（5－10nm）的探針，在樣品表面滑動過程中，隨樣品表面形貌上下起伏。如探針安裝在微懸臂梁的自由端， 采用激光法測量微懸臂梁的撓動，即可獲得樣品表面的形貌信息。三、實驗內(nèi)容和步驟：觀測TiN薄膜的表面形貌AFM儀器開機。依次打開計算機電源，機箱低壓電源，高壓電源，激光器電源等。樣品—探針進給。提供粗調(diào)和細調(diào)兩種進給機構(gòu)，先用粗調(diào)機構(gòu)進樣至離探針約1mm左右，再用細調(diào)機構(gòu)進樣，直至進入反饋狀態(tài)。進入反饋狀態(tài)后，控制系統(tǒng)會自動調(diào)整和保持樣品與探針之間的間距。樣品掃描。運行掃描程序，根據(jù)需要設(shè)置掃描參數(shù)。進入掃描工作狀態(tài)。圖象顯示與存儲。掃描過程自動進行。圖像以逐行掃描、逐行顯示的方式顯示?？筛鶕?jù)需要改變掃描區(qū)域和掃描范圍。對于滿意的圖像，隨時將圖像捕獲存儲。退出掃描和關(guān)機。按“退出”鍵退出掃描程序。然后依次關(guān)閉高壓電源、激光器電源、低壓電源等。四、思考題1．還有那些設(shè)備也能觀察材料表面三維形貌，原理有何不同？實驗2.6溶膠-凝膠法制備薄膜材料一、實驗?zāi)康牧私馊苣z-凝膠法制備薄膜的基本原理。掌握旋涂法制備薄膜的具體方法。二、實驗原理溶膠-凝膠法基本過程是一些易水解的金屬化合物（金屬醇鹽或無機鹽）在某種有機溶劑中與水發(fā)生作用。通過水解縮聚反應(yīng)形成凝膠膜，再通過熱分解，去除凝膠中殘余的有機物和水分， 最后通過熱處理形成所需要的結(jié)晶膜。 一般的工藝流程如下圖所示。26溶膠-凝膠法制備薄膜的工藝流程圖其中溶膠形成凝膠的水解和縮聚反應(yīng)如下：M(OR)n+xH2O→(RO)n-xM-(OH)x+xROH ( 水解反應(yīng))-M-OH+OH-M→M-O-M-+H2O （脫水縮聚反應(yīng)）-M-OH+RO-M→M-O-M+ROH （脫醇縮聚反應(yīng)）這里M代表金屬離子，R代表烷烴基。溶膠-凝膠技術(shù)由于各組分在溶液或溶膠中徹底混和，達到分子級接觸，因而具有微區(qū)組分高度均勻，化學(xué)計量比準(zhǔn)確，易于摻雜及低溫下獲得高熔點化合物的優(yōu)點；另外溶膠-凝膠技術(shù)設(shè)備簡單，成本低，易于大面積成膜，適于工業(yè)化。溶膠-凝膠技術(shù)除了用來制備光學(xué)透鏡，梯度折射率玻璃等塊狀材料外，也可用來制備纖維材料和粉末材料，還可用來制備薄膜和涂層，此為其最有前途的應(yīng)用之一。鐵電薄膜是一類重要的功能材料，具有鐵電，壓電，介電，熱釋電，電光，聲光、光折變和非線性光學(xué)效應(yīng)等特點，在微電子，光電子領(lǐng)域獲得廣泛使用。本實驗中采用溶膠-凝膠法制備BaTiO3薄膜，具體沉積薄膜方法為旋涂法（又稱甩膠法）。三、實驗設(shè)備及材料實驗儀器：電子天平，磁力攪拌器，數(shù)字式酸度計，甩膠機，凈化操作臺，快速熱退火處理設(shè)備，玻璃儀器。實驗藥品：醋酸鋇（分析純），鈦酸丁酯（化學(xué)醇），冰乙酸（分析純），乙二醇甲醚（分析純），硅片等。四、實驗內(nèi)容及步驟1．溶液配制（1）計算配制10ml，0.3mol/l的BaTiO3前體溶液所需的醋酸鋇和鈦酸丁酯的27用量，精確到小數(shù)點后 4位。2）用已稱量的稱量瓶，在電子天平上準(zhǔn)確稱取所需的鈦酸丁酯，可略微偏離計算值，然后根據(jù)鈦酸丁酯的準(zhǔn)確稱量值，算出實際所需的醋酸鋇重量。3）用已稱量的燒杯，在電子天平上準(zhǔn)確稱取所需醋酸鋇重量。4）用量筒將2ml冰乙酸加入上面燒杯，燒杯放在磁力攪拌器上攪拌，直至醋酸鋇完全溶解。再將4ml乙二醇甲醚甲醇倒入裝有鈦酸丁酯的稱量瓶內(nèi)， 攪拌混合均勻。然后，將鈦酸丁酯溶液緩慢加入醋酸鋇溶液，攪拌混合均勻。最后將燒杯中的溶液加乙二醇甲醚配至 10ml，攪勻，然后用玻璃漏斗過濾。（5）測試所配溶液 PH值。2．甩膠法制膜（1）開凈化操作臺電源，開通風(fēng)電源，開甩膠機電源，調(diào)整轉(zhuǎn)速為 3000rpm，甩膠時間為20s。（）用鑷子將清洗好的硅片放在甩膠頭上，開真空泵，用滴管將2-3滴溶液滴2在基片上，溶液鋪滿基片表面，啟動電源進行甩膠，甩好的基片在熱臺（ 250oC）上烘烤 5min。然后利用設(shè)定好的快速熱處理升溫曲線，在快速熱退火處理設(shè)備內(nèi)進行退火。3）重復(fù)甩膠和熱處理步驟3次，獲得一定厚度的BaTiO3薄膜。4）在顯微鏡下觀察薄膜表面。五、實驗報告要求詳細記錄實驗的操作步驟、相關(guān)參數(shù)和 PH值等測試結(jié)果。詳細記錄實驗過程出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，分析這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。六、思考題1．本實驗中，你所實際配制的溶液濃度是多少？2．前提溶液中，冰乙酸起什么作用，為什么控制溶液的 PH值。3．溶液放置一段時間，粘度有何變化？這一變化說明什么？28綜合實驗3半導(dǎo)體工藝實驗實驗3.1 硅晶片清洗工藝一、實驗?zāi)康恼莆展杈囊话闱逑垂こ塘私馇逑催^程的基本原理二、實驗原理在硅晶片的制備、包裝和運輸過程中，由于物理或化學(xué)吸附作用，晶片表面會受到金屬離子、有機物、灰塵和顆粒等的玷污。因此，必須對半導(dǎo)體晶片進行嚴(yán)格的清洗（通常要求在高潔凈環(huán)境下），接著才能在晶片表面制備電路。特別是隨著集成電路集成度的飛速提高，對清洗工藝提出了更高的要求。RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法是 l965年由Kern和Puotinen等人在著名的RCA實驗室首創(chuàng)的，并由此而得名。RCA是一種典型的、至今仍為最普遍使用的濕式化學(xué)清洗法，其工藝步驟如下圖所示：圖一 半導(dǎo)體晶片清洗工藝示意圖NH4OH/H2O2/H2O溶液一般簡稱 SC-1，也稱為堿性清洗劑。其主要作用是去除晶片表面的有機物、部分金屬離（原）子和顆粒沾污。強氧化劑 H2O2氧化有機物和Au、Ag、Cu、Ni、Zn、Cd、Co、Cr等金屬，在晶片表面生成的氧化物層，然后這些氧化物被 NH4OH腐蝕，同時H2O2又在Si表面生成新的氧化物。不斷重復(fù)以上過程，從而達到去除有機物，部分金屬離（原）子和顆粒沾污的目的。HCl/H2O2/H2O溶液一般簡稱SC-2溶液，也稱酸性清洗液。其主要作用是去29除堿金屬離子和在SC-1溶液中生成難溶氫氧化物的金屬離子如Al3+，3+和Mg2+Fe等。三、實驗設(shè)備及材料1．實驗器材：電阻加熱爐，石英燒杯，石棉網(wǎng)，鑷子等。2．試劑：氨水（NH4OH），鹽酸（HCl），氫氟酸（HF）,雙氧水（H2O2），去離子水。四、實驗內(nèi)容及步驟1．按照圖一所給配方，配制酸性和堿性清洗劑。堿性清洗劑可按 1：1：5配置，其中稱取 NH4OH5ml。酸性清洗劑稱取 HCl5ml。2．將硅片放入石英燒杯中，光滑面向上。加入堿性清洗劑，在電爐上加熱至沸騰。沸騰5分鐘后，關(guān)閉電源，將殘余溶液倒入廢液缸，用去離子淋洗石英燒杯和硅片三遍。3．將酸性清洗劑倒入石英燒杯中，重復(fù)上面的步驟，進行酸洗。4．將去離子水倒入石英燒杯中，重復(fù)煮沸步驟兩遍，每次 3分鐘。5．最后將清洗干凈的晶片放入盛有新鮮去離子水的燒杯內(nèi)，密封保存，待后續(xù)試驗使用。五、實驗報告要求詳細記錄實驗的操作步驟和相關(guān)參數(shù)， 記錄清洗前后硅晶片表面的變化 （包括清潔度，對水吸附性）。六、思考題1．硅片為什么必須進行清洗？堿、酸性清洗劑各起什么作用？2．清洗前后，水在硅晶片表面的吸附情況有什么變化？為什么？七、參考資料1．JamesD.Plimmer,MichaelD.Deal,PeterB.Griffin，SiliconVLSITechnology:Fundamentals,PracticeandModeling,PreticeHallInc.2000.2.闕端麟，陳修治，硅材料科學(xué)與技術(shù)，浙江大學(xué)出版社， 2000。30實驗3.2四探針法測量電阻率一、實驗?zāi)康?．了解四探針測量電阻率的基本原理。2．掌握四探針測量電阻率的實驗方法。二、實驗原理電阻率作為自由載流子濃度和遷移率的函數(shù)，是決定半導(dǎo)體材料電學(xué)特性的重要參數(shù)，它直接影響器件的電學(xué)性能，因此在設(shè)計與制造半導(dǎo)體器件時必須獲得有關(guān)電阻率的可靠數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體材料電阻率的測量方法有多種，目前應(yīng)用最廣泛的是四探針法和擴展電阻法。四探針法是目前檢測半導(dǎo)體材料電阻率的主要方法，其優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作方便，測量精度高，對樣品的形狀無嚴(yán)格要求，適合在生產(chǎn)中應(yīng)用。對半無窮大均勻電阻率樣品，由點電流源產(chǎn)生的電力線具有球?qū)ΨQ性，即等勢面為一系列以點點源為中心的半球面。若樣品的電阻率為ρ，樣品電流為I，則在離點電流源距離r處的電流密度為J為：J=I（1）2πr2又根據(jù)J=σE=E（2）ρ上式中E為r的函數(shù)，由（1）和（2），得：E=Iρ（3）2πr2根據(jù)電勢與電場強度的關(guān)系，且取r為無窮遠處的電勢為零，則r處電勢V(r)：V(r)=v(r)dV=-rEdr=-Iρ2dr=Iρ（4）r1∫∫2π∫2πr0∞∞r(nóng)如果我們設(shè)定電流由探針流入樣品時的方向為正，當(dāng)電流由探針流出時，在r處形成的電勢V(r):V(r)=-Iρ(5)2πr直線型四探針法是將四探針等距排列，并以一定的壓力垂直壓在一塊相對于探針間距為半無窮大均勻電阻率的樣品上，相鄰探針間距為S，如圖2所示。探針2處的電勢V2是處于探針1的點電流源+I和處于探針4的點電流源-I貢獻之31和，即：Iρ11（6）V2=2(-2)πSS同理，探針3處的電勢V3為Iρ11（7）V3=2(2-)πSS探針2，3之間的電勢差V23為：IρV23=V2-V3=2（8）πS由此得出樣品的電阻率為：ρ=2πSV23（9）I上式對尺寸為相對于探針間距為半無窮大樣品成立。 對于不滿足半無窮大的樣品，需引進修正因子 C，則樣品的電阻率為：ρ=2πSV231（10）IC以上是四探針方法測量電阻的基本原理，實際中不同廠家生產(chǎn)的儀器，尺寸修正方法和因子可能不同。實際使用中嚴(yán)格按照，設(shè)備制造商提供的測試方法進行測試。三、實驗設(shè)備及材料RTS-8四探針測試儀，不同電阻率和導(dǎo)電類型的硅片，鑷子等。四、實驗內(nèi)容及步驟1）開啟四探針測試儀電源開關(guān)，預(yù)熱約 10分鐘。2）測量樣品直徑和厚度。3）計算測試電流。根據(jù)公式I=F（D/S）×F（W/S）×W×Fsp×10n計算出測試電流。其中D為樣品直徑單位為 mmS為平均探針間距，為 1mmW為樣品厚度，單位為 mmFsp為探針間距修正系數(shù)，本實驗中為 1F（D/S）為樣品直徑修正因子，當(dāng) D趨于無窮大時，F(xiàn)（D/S）=4.532，有32限直徑下可查儀器旁邊表 1。注意測試點在不同位置，直徑修正因子不同。F（W/S）樣品厚度修正因子。當(dāng)W/S<0.4時，F(xiàn)（W/S）=1；W/S>0.4,F（W/S）值可查儀器旁邊表 2。4）估計所測樣品電阻率范圍，按附表 1選擇合適的電流量程對樣品進行測量，按下k1到k6開關(guān)選擇量程。無法估計時，先以 “10μA”量程進行測量，以測量值為估計值按附表 1選擇量程。5）放置樣品，慢慢壓下探針，直至主機顯示電流數(shù)值，表明樣品與探針接通。調(diào)節(jié)電位器W1和W2，使儀器顯示的電流值與步驟 3）中計算值一致。按“K8”鍵選擇“ρ”，按“K7”鍵選擇“ρ”，儀器直接顯示測試結(jié)果。6）按“k9”鍵進行反向測量，正反向測量的平均值即為此點實際值。7）按以上步驟，分別測試同一硅片中心、半徑中點和邊緣的電阻率。注：計算結(jié)果和顯示值一致僅考慮有效數(shù)字，可不考慮小數(shù)點位置。例如計算結(jié)果為2.849，則顯示器顯示的電流數(shù)設(shè)為2849；如計算結(jié)果為0.996，則顯示器顯示的電流數(shù)設(shè)為996。讀出測試結(jié)果時要注意單位。五、實驗報告要求詳細記錄實驗的操作步驟、計算步驟、相關(guān)參數(shù)、計算和測試結(jié)果。六、思考題1．試列出你所認為的影響四探針法測量精度的影響因素，為什么？2．溫度和光照會對半導(dǎo)體材料的電阻率有何影響？七、參考資料1．宗祥福，李川，電子材料試驗，復(fù)旦大學(xué)出版社， 2004。2.孫恒慧，包宗命，半導(dǎo)體物理實驗，高等教育出版社， 1985。附表一：電阻率測試時電流量程選擇表（推薦）電阻率（Ω*cm）電流量程<0.03100mA0.03-0.310mA0.3-301mA30-300μ100A300-3000μ10A>30001μA33實驗3.3半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)實驗一、實驗?zāi)康?．了解半導(dǎo)體中霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生原理，霍爾系數(shù)表達式的推導(dǎo)。2．掌握霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測量方法。3．通過測量數(shù)據(jù)的處理判別樣品的導(dǎo)電類型，計算室溫下所測半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)、電導(dǎo)率、載流子濃度和霍爾遷移率。二、實驗原理霍爾效應(yīng)的測量是研究半導(dǎo)體性質(zhì)的重要實驗方法。利用霍爾效應(yīng)，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和載流子濃度，利用霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的聯(lián)合測量，可以用來研究半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制(本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電)和散射機制(晶格散射和雜質(zhì)散射)，進一步確定半導(dǎo)體的遷移率、禁帶寬度、雜質(zhì)電離能等基本參數(shù)。測量霍爾系數(shù)隨溫度的變化，可以確定半導(dǎo)體的禁帶寬度、雜質(zhì)電離能及遷移率的溫度特性。1．霍爾效應(yīng)和霍爾系數(shù)霍爾效應(yīng)是一種電流磁效應(yīng)（如圖一）當(dāng)半導(dǎo)體樣品通以電流Is，并加一垂直于電流的磁場B，則在樣品兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢差UH，這種現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”，UH稱為霍爾電壓，UH=RH=

RHISBdUHdIsB

（1）（2）RH叫做霍爾系數(shù)，d為樣品厚度。對于 P型半導(dǎo)體樣品，34R=1（3）Hqp式中q為空穴電荷電量，p為半導(dǎo)體載流子空穴濃度。對于 n型半導(dǎo)體樣品，R=-1（4）Hqn式中為n電子濃度?？紤]到載流子速度的統(tǒng)計分布以及載流子在運動中受到散射等因素的影響。在霍爾系數(shù)的表達式中還應(yīng)引入霍爾因子A，則（3）（4）修正為p型半導(dǎo)體樣品：R=A（5）Hqpn型半導(dǎo)體樣品：R=-A（6）HqnA的大小與散射機理及能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。在弱磁場（一般為 200mT）條件下，對球形等能面的非簡并半導(dǎo)體，在較高溫度（晶格散射起主要作用）情況下，A=1.18，在較低的溫度（電離雜質(zhì)散射起主要作用）情況下， A=1.93，對于高載流子濃度的簡并半導(dǎo)體以及強磁場條件 A=1。對于電子、空穴混合導(dǎo)電的情況，在計算 RH時應(yīng)同時考慮兩種載流子在磁場偏轉(zhuǎn)下偏轉(zhuǎn)的效果。對于球形等能面的半導(dǎo)體材料，可以證明：RH=A(p-nb2)（7）2q(p+nb)式中b=Un、U分別為電子和空穴的遷移率，A為霍爾因子，A的Up，Upn大小與散射機理及能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。從霍爾系數(shù)的表達式可以看出：由 RH的符號可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，正為P型，負為N型。由RH的大小可確定載流子濃度，還可以結(jié)合測得的電導(dǎo)率算出如下的霍爾遷移率 μHμH=|RH|σ（8）對于P型半導(dǎo)體μ，對于N型半導(dǎo)體μ=μNH=μPH霍爾系數(shù)RH可以在實驗中測量出來，表達式為RH=UHd（9）IsB35式中UH、Is、d，B分別為霍爾電勢、樣品電流、樣品厚度和磁感應(yīng)強度。單位分別為伏特（V）、安培（A），米（m）和特斯拉（T）。但為與文獻數(shù)據(jù)相對應(yīng)，一般所取單位為UH 伏（V）、Is毫安（mA）、d厘米（cm）、B高斯（Gs）、則霍爾系數(shù)RH的單位為厘米3/庫侖（cm3/C）。但實際測量時，往往伴隨著各種熱磁效應(yīng)所產(chǎn)生的電位疊加在測量值 UH上，引起測量誤差。為了消除熱磁效應(yīng)帶來的測量誤差， 可采用改變流過樣品的電流方向及磁場方向予以消除。2．半導(dǎo)體電導(dǎo)率在半導(dǎo)體中若有兩種載流子同時存在，其電導(dǎo)率 σ為σ=qpμP+qnμn （10）實驗中電導(dǎo)率σ可由下式計算出σ=1= I?l （11）Uσ?ab式中為ρ電阻率，I為流過樣品的電流，Uσ、l分別為兩測量點間的電壓降和長度，a為樣品寬度，d為樣品厚度。3．霍爾系數(shù)與溫度的關(guān)系對于電子、空穴混合導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料，霍爾系數(shù)可以表示如下：(2)RH=Ap-nb（7）()2qp+nb式中b=UpUn，Up、Un分別為電子和空穴的遷移率，A為霍爾因子，A的大小與散射機理及能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖二36RH與載流子濃度之間有反比關(guān)系，而半導(dǎo)體中的載流子不管來自于本征激發(fā)或者雜質(zhì)電離，都顯著受到溫度的影響。因此當(dāng)溫度改變時，載流子濃度發(fā)生變化，RH也隨之變化。圖 1是RH隨溫度T變化的關(guān)系圖。圖中縱坐標(biāo)為 RH的絕對值，曲線Ａ、Ｂ分別表示 n型和p型半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)隨溫度的變化曲線。下面簡要地討論曲線 B：雜質(zhì)電離飽和區(qū)。在曲線（ａ）段，所有的雜質(zhì)都已電離，載流子濃度保持不變。p型半導(dǎo)體中p>>n，（1）式中nb2可忽略，可簡化為11RH=A=A>0qpqNA式中NＡ為受主雜質(zhì)濃度。溫度逐漸升高，價帶上的電子開始激發(fā)到導(dǎo)帶，由于μn＞μp，所以ｂ＞1，當(dāng)溫度升到使p＝nb2時，RH＝0，出現(xiàn)了圖中（b）段。溫度再升高時，更多的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，p＜nｂ2而使RH＜0，（7）式中分母增大，RH減小，將會達到一個負的極值[圖中（c）點]。此時價帶的空穴數(shù)p＝n＋NA，將它代入（7）式，并對n求微商，可以得到當(dāng)n=NA（12）b'-1時，RH達到極值RHM：RH=A1=A1(13)qpqNA由此式可見，當(dāng)測得 RHM和雜質(zhì)電離飽和區(qū)的 RH，就可定出b’的大小。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達本征范圍時，半導(dǎo)體中載流子濃度大大超過受主雜質(zhì)濃度，所以RH隨溫度上升而呈指數(shù)下降， RH則由本征載流子濃度 Nｉ來決定，此時雜質(zhì)含量不同或雜質(zhì)類型不同的曲線都將趨聚在一起，見圖中（ d）段。4．半導(dǎo)體的電導(dǎo)率在半導(dǎo)體中若有兩種載流子同時存在，則其電導(dǎo)率σ為p＋qnμn（10）σ＝qpμ37圖三實驗得出σ與溫度T的關(guān)系曲線如圖 2。現(xiàn)以p型半導(dǎo)體為例分析：（1）低溫區(qū)。在低溫區(qū)雜質(zhì)部分電離，雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子濃度隨溫度升高而增加，而且μp在低溫下主要取決于雜質(zhì)散射，它也隨溫度升高而增加。因此，σ隨T的增加而增加，見圖的ａ段。室溫附近。此時，雜質(zhì)已全部電離，載流子濃度基本不變，這時晶格散射起主要作用，使μp隨T的升高而下降，導(dǎo)致σ隨T的升高而下降，見圖的ｂ段。（2）高溫區(qū)。在這區(qū)域中，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度隨溫度升高而指數(shù)地劇增，遠遠超過μp的下降作用，致使σ隨T而迅速增加，見圖的ｃ段。三、實驗設(shè)備及材料變溫霍爾實驗儀，磁場控制電源，恒溫器，電磁鐵等。四、實驗內(nèi)容及步驟1．常溫下測量霍爾系數(shù) RH和電導(dǎo)率σ1）打開電腦、霍爾效應(yīng)實驗儀（I）及磁場測量和控制系統(tǒng)（II）電源開關(guān)。（以下簡稱I或II）（如《II》電流有輸出，則按一下《I》復(fù)位開關(guān)，使電流輸出為零。）2）將霍爾效應(yīng)實驗儀（I），<樣品電流方式>撥至“自動”，<測量方式>撥至“動態(tài)”，將II〈換向轉(zhuǎn)換開關(guān)〉撥至“自動”。按一下《I》復(fù)位開關(guān)，電流有輸出，調(diào)節(jié)《II》電位器，至電流為一定電流值同時測量磁場強度。（亦可將II開關(guān)撥至手動，調(diào)節(jié)電流將磁場固定在一定值，一般為 200mT即2000GS）。3）將測量樣品桿放入電磁鐵磁場中（對好位置） 。384）打開電腦桌面HT648型變溫霍爾效應(yīng)控制程序，進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，選擇電壓曲線。如沒有進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，則按一下《 I》復(fù)位開關(guān)后進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。記錄磁場電流正反向的霍爾電壓 V3、V4、V5、V6。記錄測試所得霍爾電壓和霍耳系數(shù)數(shù)值。5）將《I》<測量選擇>撥至σ，記錄電流正反向的電壓 V1、V2。記錄所測得樣品的電導(dǎo)率。2．變溫霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率測試1）開始步驟如上1）到3）。2）重新進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。（電壓曲線）3）調(diào)節(jié)〈溫度設(shè)定〉至最大（向右旋到底），系統(tǒng)自動記錄隨溫度變化的霍爾電壓，并自動進行電流和磁場換向。4）到加熱指示燈滅，退出數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，保存霍爾系數(shù) RH文件。調(diào)節(jié)〈溫度設(shè)定〉至最?。ㄏ蜃笮降祝?）將《I》<測量選擇>撥至“σ”。6）待溫度冷卻到室溫，重新進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。7）調(diào)節(jié)〈溫度設(shè)定〉至最大。當(dāng)溫度基本不變或加熱指示燈滅，退出數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。保存電導(dǎo)率 σ文件。五、實驗報告要求1．詳細記錄實驗的操作步驟、相關(guān)參數(shù)和結(jié)果。2．根據(jù)室溫下測得的電壓數(shù)值計算霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率，并與軟件測試獲得的結(jié)果比較。3．判斷所測試半導(dǎo)體單晶為 n型還是p型。4．計算樣品的載流子濃度和霍爾遷移率。5．根據(jù)實驗結(jié)果繪出霍爾系數(shù)，電導(dǎo)率，載流子濃度和霍爾遷移率隨溫度的變化曲線，解釋曲線形成原因。六、思考題1．分別以ｐ型、n型半導(dǎo)體樣品為例，說明如何確定霍爾電場的方向。2．霍爾系數(shù)的定義及其數(shù)學(xué)表達式是什么？估計一下金屬和半導(dǎo)體材料那個霍爾系數(shù)大。393．解釋圖二 中曲線A的形成原因。4．霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的機理有何不同？七、參考資料1．宗祥福，李川，電子材料試驗，復(fù)旦大學(xué)出版社，2004。劉恩科、朱秉升、羅晉生，半導(dǎo)體物理學(xué)，國防工業(yè)出版社，1994。實驗3.4 熱氧化法制備 SiO2薄膜一、實驗?zāi)康?．掌握熱氧化法制備 SiO2薄膜的基本方法2．了解熱氧化法制備 SiO2薄膜的基本原理二、實驗原理在微電子工業(yè)