信息光电材料导论考题答案.doc

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表面腐蚀行为不同。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表面极性还会在晶片加工中引起损伤层厚度，表面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原因，也就是促使这种转变的相变驱动力存在的原因。 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。如果晶体－流体的界面面积为Ａ，垂直于界面的位移为,这个过程中系统的吉布斯自由能的降低为，界面上单位面积的驱动力为，于是上述过程中驱动力所作之功为。驱动力所作之功等于系统的吉布斯自由能的降低，即，故有,其中，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，单个原子的体积为，单位体积中的原子数为，故有：，，所以。若流体为亚稳相，,则,表明指向流体，故为生长驱动力。若晶体为亚稳相，,则，指向晶体，故为熔化,升华或溶解驱动力。由于和只相差一个常数，因而也称为相变驱动力。 熔体生长系统： 结晶物质在熔点温度时，熔体与晶体两相呈热力学平衡状态，吉布斯自由能相等：，两相间无相变驱动力。根据吉布斯自由能的定义：。可得：，（为相变潜热） 在熔体发生向晶体的相转变过程中，熔体必须具有一定的过冷度，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。　 所以有：过冷度时，，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。在同温等压条件下，当溶液的浓度时，则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。 平衡时， 生长时，其中为饱和度。所以有：当饱和度，即溶液过饱和时，，晶体就能生长。 理想气相生长系统： 在汽体晶体两相平衡体系中，两相平衡温度为，其相应的饱和蒸气压为。若在相同温度下，当汽相的蒸气压大于时，此时蒸气便处于亚稳态，蒸气有凝固的趋势，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：，其中为体系的熵，为体系的体积。 若将蒸气在不变的条件下，从转变为，则： ，其中，为过饱和度。所以有：当过饱和度，即时，，气体发生到晶体的相变。 五、为什么胚芽必须大于一定的临界尺度才能成为晶核？在一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，则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改变为 上式表示了流体相中出现半径为r的球形晶体所引起的吉布斯自由能的变化。ΔG分为两项。第一项是当流体相中出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，第二项是流体中出现晶体时所引起的界面能的变化，这一项总为正，因为界面总是伴随晶体而出现的。 吉布斯自由能与半径的关系如图。由图中可以看出，当rr*时，晶体长大则ΔG增加，晶体缩小则ΔG减小，故亚稳流体相中半径小于r*的晶体不仅不能存在，而且如果存在了也将自动消失。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、简述非均匀成核的机制及其影响因素。 在外来固体表面上成核是非均匀成核。在基底表面上成核几率比在体系中的自由空间的成核几率来的大，基底表面对成核起到了催化作用。在基底表面上成核，常把基底作为一平面，并将晶核形状作为球冠状，它的表面与基底表面形成浸润角θ，如图 为晶核与流体介质相间的比表面能，为基底与流体介质相间的比表面能，为晶核与基底间的比表面能，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必须满足力学平衡的条件，即： 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 ，此即为球冠状晶核的形成功。 将此式对r求微商，并令 则可求得球冠状晶核的临界曲率半径 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成功 {在相同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