概要信息：

材料表面与界面 
第三节 晶粒间界 
第三节        晶粒间界 
第三节 晶粒间界 
3.1 晶界的主要种类 
(1) 堆积层错 
      原子堆积排列 
 
B 
C 
六方最紧密堆积 
面心立方最紧密堆积 
第三节 晶粒间界 
原子堆积排列层错 
• 层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍
是密排的。 
…  ABCA|…CABCABC…   (b) 
 
…  ABCACBCABC…  (c) 
第三节 晶粒间界 
Cu-Zn-Al martensite 
第三节 晶粒间界 
•层错的畸变区（交界区）约为一个原子层的尺
度，界面能也较小。 
•密堆原子层的表面能变化不大。 
     在原子密堆积的晶体(如Au，Al等)中容易产生
层错。 
• 层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半
导体单晶器件中，层错对器件性能影响很大。 
第三节 晶粒间界 
(2) 双晶界面 
• 单晶体中存在一个界面，如具有对称面作用，
即产生界面两侧原子排列互相对称，称双晶界
面(孪生晶界)。  
共格双晶界 
非共格双晶界 
第三节 晶粒间界 
diamond 
第三节 晶粒间界 
(3) 小角度晶界 
• 两个晶粒交界处晶向(如[111]等)之间的夹角，称
晶界角。晶界角小于10o的晶界称小角度晶界 
• 晶界中原子排列可以通过位错方式过渡。 
第三节 晶粒间界 
晶界 
第三节 晶粒间界 
(4) 大角度晶界 
• 晶界角大于10o以上的晶界称大角度晶界。 
• 晶界中的原子排列可用下列方式说明不同角度
与原子排列有序性的关系 
第三节 晶粒间界 
•不同晶界的差别 
 
 
 
 
 
 
 
 
晶界类型 界面原子排列特征 界面涉及
范围 
界面两侧原
子排列取向 相同特征 
层错 有序 一个原子层 相同 
一个原子层 共格双晶界
面 
不相同但呈
镜像对称 有序 
有位错等缺
陷、量少 
不相同但呈
镜像对称 
几个原子层 非共格双晶
界面 
有位错等缺
陷、量多 不相同 >几个原子层 小角度晶界 
两侧具
有相同
的晶相 
有大量缺陷、甚
至原子排列无序 
不相同 大 大角度晶界 
第三节 晶粒间界 
3.2  相界 
• 在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为
相界。 
    相界种类:  
(1) 共格相界 
• 两相具有相同或相似的晶格结构, 晶格常数相当接
近。（形成的条件） 
• 在相界面附近的原子可以通过间距调整，使两侧
的原子排列保持一定的相位关系。（界面上原子
排列的特征） 
第三节 晶粒间界 
如钴在450℃由面心密积转变为六角密积： 
 
                 面心            六方 
   …  ABCABCAB  ABAB …  
第三节 晶粒间界 
(2) 准共格相界面 
• 两相具有相同或相似的晶体结构, 晶格常数差
别小于10％。 
• 在相界面附近的原子可以通过收缩或扩张等方
式，使两侧的原子排列保持一定的相位关系。 
•晶格常数差别增大，交界
处原子的收缩或扩张程度
增大，弹性畸变过于严重, 
则相界结构不稳定，而失
去准共格特征。 
第三节 晶粒间界 
• α-Fe2O3/ γ- Fe2O3多相体系：  
   α相→类刚玉结构 
   γ相→尖晶石结构 
• 在界面区域(存在一个过渡区)： 
  原子排列逐渐地从类刚玉结构,
转变成尖晶石结构。 
  过渡区中形成一个新相(晶界相)，
它既非α- Fe2O3相又非γ- Fe2O3相。 
(3) 非共格相界 
•不同晶体结构（结构和常数相差较大）的相界。 
第三节 晶粒间界 
3.3 多晶体中的晶粒分布和晶界 
   考察多颗晶体体系中，晶界相互间的关系。 
第三节 晶粒间界 
(1) 多晶体中晶粒的形态 
• 在多晶体中体系应该满足：(a)充塞空间条件，
即晶粒应完整无缺地充满整个空间；(b) 晶界面
自由能极小的条件。 
•从满足上述二个条件下，
二维截面图上，二个晶粒相
交或三个以上晶粒交于一点
的情况是不稳定的。即三个
晶粒交于一点是最稳定的。 
第三节 晶粒间界 
  多相体系： 
• 从界面能角度，依据晶界与相界的平衡可以判
断出多相颗粒形态。 
• α、β两相共存的多晶材料，其晶界和相界表面
能平衡关系为： 
2
cos2 ϕγγ αβαα =
第三节 晶粒间界 
• γαβ> γαα，晶界面角ϕ就大于120o。 (β相就在晶界处形成
孤立的袋状第二相。 ) 
• γαα/γαβ 值介于1和1.73之间， ϕ就介于60o与120 o之间。(β
相就在三叉点交角处沿晶粒交线部分地渗进去。) 
• γαα/γαβ大于1.73, ϕ就小于60o。( β相就稳定地沿着各个晶
粒棱长方向延伸。在三叉点处形成三角棱柱体。) 
• γαα/γαβ等于或大于2时，ϕ＝0。(平衡时各晶粒的表面完全
被第二相所隔开 。) 
•当相界能γαβ与
晶界能γαα 比值
不同时, 会出现
如下多相颗粒
分布情况。 
第三节 晶粒间界 
多晶α-Al2O3的抛光截面 
 
• 在二维截面图，理论上晶界是不产生弯曲的，因
为只有直线界面能最小。 
• 实际的晶界会存在弯曲的晶界。但只要动力学条
件的允许，弯曲的晶界会沿着曲率中心运动，变
成平直晶界。 
第三节 晶粒间界 
(2) 晶界的一般特征 
     这里讨论的“晶界”是泛指的晶粒间的界面 
• 多晶体中的晶界大都是大角度晶界 
• 为了尽可能形成低能晶界，在晶界过渡区中 
     (a) 通过改变晶格常数大小，使两边原子得到
匹配 
     (b) 形成一定数目的失配位错，使其两边原子
获得匹配 
        即尽可能通过原子有序排列的过渡 
第三节 晶粒间界 
（a）晶界的结构 
     晶界是一个过渡区，
是缺陷的密集地区。 
Zr/ZrN 界面 
SnO2 + 1.00% CoO + 
0.035%Nb2O5 ＋
0.30%La2O3 
第三节 晶粒间界 
（b）晶界的成分 
• 晶界结构比晶体内疏松，杂质原子容易在此发
生聚集。 
• 在一些材料中杂质含量可以低到10～100ppm，
但在晶界中杂质的含量由于偏析可高达1～5at
％。 
• 有时晶界杂质的偏析会对晶体的一些性质（如
耐蚀性，蠕变、脆性和电学性能等）起关键性
的作用。 
第三节 晶粒间界 
晶界异组成存在的方式 
• 晶界偏析层  由偏析的杂质离子所形成的层。
偏析层厚度由20埃至1微米。 
•  层状析出物  杂质作为另外的结晶相在晶界析
出，并以层状或包裹形式存在于晶界中。 
•  粒状析出物 杂质作为另外的结晶相在晶界析
出，并以呈粒状存在于晶界中。 
   氧化锆陶瓷界
面成分 
SnO2 + 1.00% CoO + 
0.035%Nb2O5 ＋
0.30%La2O3 
掺Lu氧化铝陶瓷 
第三节 晶粒间界 
（c）晶界电荷 
• 对于许多离子晶体来说，它的结构单元是带电
的，因此缺陷也带电。为此在晶界处会带电。 
• 例如在MgO多晶材料中，如有高价杂质离子存
在，则晶界带负电，如Al2O3中有MnO时，晶
界带正电。 
• 由于晶界电荷的存在，有时会形成晶界空间电
荷区、晶界态和陷阱，直接影响到材料的电学、
光学和磁学等性能。 
第三节 晶粒间界 
(3) 陶瓷的晶界 
• 陶瓷是多成分、多晶体系，晶界是陶瓷重要微
观结构特征之一。 
• 陶瓷晶界特征 
第三节 晶粒间界 
• 在材料中晶界效应的利用 
电性质 
形成晶界高电阻层 
片式陶瓷电容器 
BaTiO3 
片式陶瓷电容器BaTiO3 
+ 
－ 
晶界要高阻 
第三节 晶粒间界 
• 在材料中晶界效应的利用 
形成晶界势垒 
电性质 
形成晶界高电阻层 
片式陶瓷电容器 
BaTiO3 
PTC热敏电阻 
PTC热敏电阻 
晶界电阻(势垒)随温度变化所致 
第三节 晶粒间界 
• 在材料中晶界效应的利用 
光性质 
形成晶界扩散 
电性质 
形成晶界高电阻层 
形成晶界电势 
片式陶瓷电容器 
BaTiO3 
PTC热敏电阻 
WO3电致变色薄膜 
WO3电致变色薄膜 
第三节 晶粒间界 
• 在材料中晶界效应的利用 
电性质 
光性质 
形成晶界高电阻层 
形成晶界电势 
形成晶界扩散 
片式陶瓷电容器 
BaTiO3 
PTC热敏电阻 
WO3电致变色薄膜 
控制晶粒生长 透明氧化铝陶瓷 
 透明氧化铝陶瓷 
致密、晶界干净、能抑制
晶粒长大 
第三节 晶粒间界 
• 在材料中晶界效应的利用 
机械性质 高韧性Si3N4陶瓷 控制晶界内棒状颗粒形成 
电性质 
光性质 
形成晶界高电阻层 
形成晶界电势 
形成晶界扩散 
片式陶瓷电容器 
BaTiO3 
PTC热敏电阻 
WO3电致变色薄膜 
控制晶粒生长 透明氧化铝陶瓷 
高韧性Si3N4陶瓷 
 
第四节 分界面 
第四节    分界面 
    分界面是指两个或数个凝集相的交界面。 
    与前述的界面差别：具有宏观二维尺寸条件下层
与层间的界面。 
通常分界面有： 
由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表
面层的界面) 
由薄膜与基板间的界面 
块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面  
关注的区域 
第四节 分界面 
4.1  Si-SiO2 分界面 
    集成电路基板---单晶硅 
• Si-SiO2分界面的作用：电路中含有许多和多种半
导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠SiO2。 
• 形成过程：硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄
层，从而存在着Si-SiO2分界面。 
• Si-SiO2分界面质量：状况与器件、电路的性能、
成品率、可靠性等都有直接的关系。 
第四节 分界面 
Si-SiO2分界面的结构 
• 层模型： 
• 迪安模型： 
• 约翰尼森模型 
较多缺陷晶态Si结构 
具有完整二维SiO2
晶格结构，厚度约
为几个原子距 
非晶态SiO2的结构 
SiO2 层中缺氧较
多，不饱和键多 
界面域内有硅夹杂
物（硅岛） 
第四节 分界面 
4.2  金属薄膜间的分界面 
• 薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属
薄膜材料(导电带)。 
• 导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗
氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。 
• 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，
故采用多层金属薄膜结构。 
第四节 分界面 
双层导电带 
• Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。 
• Cr与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导
电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比
较理想导电带作用。 
• 缺点： 
       Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻
增加；或生成Cr2O3，使附着性能下降。 
第四节 分界面 
4.3  金属-非金属分界面  
• 金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面
层，金属和陶瓷间封接界面。 
• 分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。 
 (1) 金属-非金属交界面的结构 
• Ni/MgO的分界面： 
 界面过渡区厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存
在。 
 金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面
能的减小，如[001]MgO//[021]Ni。 
Cu/Al2O3界面 
Ag/Mn3O4界面 
Mn3O4(110) 
Ag(110) 
Cu/MnO界面 
第四节 分界面 
(2) 镜象作用与金属-非金属界面
的附着力 
• 金属与非金属界面附着力的来
源有两种： 
     机械咬合作用 
    金属-非金属间发生了键合
作用 
• 键合作用： 
       化学键力 
       Van der wasls色散力 
       镜象作用力 
第四节 分界面 
(a）产生镜象作用的条件 
•  金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常
大(金属εr=∞，氧化物εr≈10)。 
• 非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面
中易形成带电的缺陷和杂质。 
第四节 分界面 
• 带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从
产生一个附加界面能Eim(镜象作用能)。 
•ε1和ε2为两边的介电常数分别为。ε1中存在电荷Q
距界面的距离为a。 
•当金属ε2→∞, Eim是负值，能降低界面能，故产生
吸引力。 






+
−






=
21
21
1
2
4 εε
εε
ε a
QEim
第四节 分界面 
• 镜象作用力来源： 
 化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化 
 离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生
吸引作用。 
• 从物理意义来说, 镜象作用反映了电荷对可极
化媒质的稳定性程度。 
• 在a=2Å 时，镜象作用力仍能产生效力。距离
进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子
云重叠而产生巨大的排斥力。  
第四节 分界面 
（b）金属-非金属界面的附着 
• 没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，
镜象作用对附着力可起着关键作用。 
• NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈电
中性，故当与金属接触时, 不会有明显的镜象
作用，附着力的来源主要是Van der waals作用。 
• NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离
子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如
金属和NiO（110）面的附着力为1.33Jm-2, 几
乎是（100）面的 1倍。 
    晶面上正负离子排列方式不同，会影响镜像力。 
第四节 分界面 
• 水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表面生成
一层厚于40Å 的氧化硅，就能完全润湿。并且
随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。 
   随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷)也相应
增加。经过估算，只要在表面层下有1013/cm2
量级的电荷密度，就能够完全润湿水。 
   晶面上缺陷程度不同，会影响镜像力。 
第四节 分界面 
4.5 金属-聚合物分界面 
• 大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，
其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。 
• 聚合物优点是：εr为3～4(高速电路中采用), 可
以通过光刻(形成~1µm细线), 适合高速电路和
高密度封装。 
• 金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏
松, 大分子卷曲, 原子排列无序。两者在物化性
能上差别较大。因此，金属-聚合物分界面状
态对使用性能影响很大。 
第四节 分界面 
• Cu/聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成
Cu/PI界面时，许多Cu原子迁移到PI中去，在
靠近PI一侧聚结，还会穿透PI到一定深度。这
表明Cu之间的结合能大于Cu和PI间的作用能，
Cu和PI间不会发生明显的化学反应。 
• Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均匀，没有发
现Cr穿进PI中生成聚合体等情况，这表明Cr
与Pl发生了化学反应，阻止Cr往PI中扩散，Cr
与PI中链段反应形成Cr-聚合物络合体。 
• 金属与聚合物的反应程度决定金属-聚合物界
面的结构。有穿透特性可增加附着力，但不利
于作为绝缘性能。