第六期材料专业知识竞赛颁奖及答案整理

龙骑士

第六期材料专业知识竞赛主要考察金刚石分析相关知识点，本期优秀学员为：r9arrow、zaqqazlove、cc1122、愁予★べ江天。以下是版主答案及各位优秀学员答案汇总。

第六期问题：近年来金刚石增强铝基复合材料由于人造金刚石的高热导率、低的热膨胀系数和较低的价格从而成为新型电子封装材料的研究热点之一。研究中发现金刚石和铝复合材料的界面常因结合强度低造成整体热导率得不到提高，因此如何改善结合界面提高热导率也是亟待解决的问题。

(1)金刚石和Al的导热机理分别是什么（或者说导热介质）？(4人品)

(2)从导热机理的角度分析热导率的影响因素。(6人品)

(3) 如图1是金刚石颗粒的扫描电镜（SEM）照片。做SEM之前粉末试样要经过哪些处理?(2人品)

(4)SEM一般为何种粒子成像？其成像机理？（4人品）

(5)为改善金刚石表面对Al的润湿性，经常在金刚石表面镀上一层金属膜(Ti)，如图2。请给出可能的表面镀膜的方法。（2人品）

(6) 图3为镀覆Ti金刚石的XRD衍射图谱,请说明X射线进行物相定性分析的原理。（4人品）

图一

图二

图三

参考答案：

(1) 对于金属铝来说，其导热机理主要是电子的相互作用和碰撞，而对于增强相金刚石来说，其内部电子是束缚的，主要通过晶格振动（即声子）来传热。
(2) 声子和电子在传导时如果遇到缺陷会发生散射，从而影响热导率。因此金刚石/铝复合材料的热导率受到金刚石内部缺陷、杂质元素、金刚石与铝基体的界面等等因素的影响，特别是金刚石和铝之间的界面，若结合强度不高，造成电子和声子在界面处都强烈的散射，极大地限制电子和声子的平均自由程，降低材料热导率。
(3)喷碳或喷金，贴导电胶
(4)二次电子。成像原理为：二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，其产额对微区表面的几何形状十分敏感，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大，因此凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大；平面上的SE产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。
(5)化学气相沉积CVD或物理气相沉积PVD（真空微蒸发镀覆）
(6)物相定性分析的原理：X射线在某种晶体上的衍射必然反映出带有晶体特征的特定的衍射花样（衍射位置θ、衍射强度I），而没有两种结晶物质会给出完全相同的衍射花样，所以我们才能根据衍射花样与晶体结构一一对应的关系，来确定某一物相。

优秀学员答案
r9arrow：
(1) 金刚石导热机理是晶格振动导热，即声子导热；Al导热是靠电子导热；
(2) 以声子导热为例，可仿照气体热导率公式写出声子导热机制的热导率：k=1/3·C·v·λ，其中，C为热容，v为声子速度，λ为声子平均自由程。由此可知，温度是最大的影响因素，因为温度很大程度上决定C和λ；此外，合金元素、晶格缺陷、杂质等均会对声子产生散射，影响λ，因为也会影响热导率。
(3) 粉末做SEM分析前，一般要经过清洗、分散处理。
(4) SEM一般以二次电子成像，即在入射电子束作用下样品表面原子的核外电子被轰击出来，二次电子能量较小，对样品表面形貌敏感，因而常用作形貌分析；另一种SEM成像是背散射电子，即入射电子直接被原子核散射回去的电子，背散射电子丰度与原子序数相关，因此可做形貌-成分同步分析；
(5) 比如，CVD？
(6) X射线经过晶格散射，当晶格间距d、衍射角度θ合适时信号得以加强；每种晶体在X射线衍射扫描下可得到特定的d-θ组合结果，由此可进行物相分析 ;

zaqqazlove：
1. 金刚石没有自由电子，它的热传导是靠组成晶体晶格的原子振动来完成，Al有自由电子运动，导热主要靠电子运动。
2.热导率是单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量，反映材料热性能的重要物理量。热导率一般与压力关系不大，但受温度的影响很大。纯金属和大多数液体的热导率随温度的升高而降低（水除外）。固态物料的热导率还与它的含湿量、结构和孔隙度有关，一般含湿量大的物料热导率大。物质的密度大，其热导率通常也较大。金属含杂质时热导率降低，合金的热导率比纯金属低。只要是对电子运动或者晶格振动有影响的因素都会影响热导率的大小。
3.粉末要是有水分的话，先烘干除去水分；若是粉末有磁性也要先除去磁性。然后把导电胶黏在样品座上，把粉末散在上面，然后用洗耳球吹掉没有黏住的粉末，再镀上一层导电胶即可观察了。
4. 一般是二次电子、背散射电子或吸收电子成像，其中二次电子是最主要的成像信号。电子枪发射电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。（这个成像原理确实忘记了，百度出来的）
5.化学气相沉积（CVD），射频溅射（RF），化学镀
6.任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。这些结构参数与X射线的衍射角和衍射强度I有着对应关系，当一束单色X射线照射到某一结晶物质上，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d与X射线入射角之间满足布拉格方程时，就会产生衍射现象。多种结晶物质同时产生衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加——它们相互独立，不会相互干涉。逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。

cc1122：
1)金刚石的内部电子是受到束缚的，主要通过晶格振动导热；金属铝的导热机理主要是电子的相互作用和碰撞。
(2)声子和电子在传导时如果遇到缺陷会发生散射，从而影响热导率。因此金刚石/铝复合材料的热导率受到金刚石内部缺陷、杂质元素、金刚石与铝基体的界面等因素影响，尤其是金刚石和铝之间的界面，若结合强度不高，造成电子和声子在界面处都强烈的散射，极大地限制电子和声子的平均自由程，降低材料热导率。
(3) 喷金，贴导电胶
(4) 二次电子。SEM成像原理为：二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，其产额对微区表面的几何形状十分敏感，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大，因此凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大；平面上的SE产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。
(5) 化学气相沉积CVD
(6) 物相定性分析的原理：X射线在某种晶体上的衍射必然反映出带有晶体特征的特定的衍射花样（衍射位置θ、衍射强度I），而没有两种结晶物质会给出完全相同的衍射花样，所以我们才能根据衍射花样与晶体结构一一对应的关系，来确定某一物相。

愁予★べ江天：
1、铝晶体中是电子导热，即存在温度梯度下，通过电子的无规则运动，自由电子与金属阳离子的碰撞，从一端传到另一端，金刚石的热传导依靠格波的传导，即声子的运动，金刚石纯度相当高，且有稳定的晶格结构，能消除大多数散射作用，具有较高的热导率。
2、影响金属热导率的因素比较多，主要有金属的种类，晶体结构，物理状态，此外温度，湿度，密度也有影响，其中温度影响较大，由于金属是电子导热，温度升高，电子的散射作用增强，热导率降低；对于声子热导率有公式k=1/3·Cv·v·λ，其中，Cv为热容，v为声子速度，λ为声子平均自由程，其中Cv,λ与温度有关，高温下，Cv为一个常数，λ与温度成反比，所以热导率高温下与T的倒数成正比，低温下Cv与T的三次方成正比，λ可以认为与样品长度相比拟，故低温下热导率与T的三次方成正比。
3可以用牙签轻沾一点粉末分散到合适的溶剂中，震荡后或超声分散沾一点到导电胶上即可，最后用洗耳球吹一下，把多余的吹掉....
4一般是二次电子和背散射电子； SEM的依据是电子与物质的相互作用：具体来说，用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射，其中次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构，所以对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；
5真空蒸镀，盐浴镀，真空微蒸发镀，磁控溅射镀等等
6、当一束单色X射线照射到晶体表面，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d与X射线入射角之间满足布拉格方程：2dsin0=λ 时，就会产生衍射现象。X射线定性分析就是通过比较结晶物质的X射线衍射花样来分析待测试样中含有何种或哪几种结晶物质。由于任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。这些结构参数与X射线的衍射角和衍射强度I有着对应关系，结构参数不同则X射线衍射花样也各不相同。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，不存在两种衍射花样完全相同的物质。图3中用表征衍射线位置的晶面间距d和衍射线相对强度I的数据来代表衍射花样，即以晶面间距d为横坐标，衍射相对强度I为纵坐标绘制X射线衍射图谱。目前已知的结晶物质有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的结晶物质进行X射线衍射，获得一套所有结晶物质的标准X射线衍射图谱（即d-I数据），建立成数据库。当对某种材料进行物相分析时，只需要将其X射线衍射图谱与数据库中的标准X射线衍射图谱进行比对，就可以确定材料的物相。此外对于题中的金刚石和钛，因为含量不同，衍射峰的强弱也不同，可以根据这个分析二种物质的成分比例。