第1章 电子材料概论  
电子材料是当前材料科学的一个重要方面；电子材料品种繁多，用途广泛，涉及面宽，是制作电子元器件和集成电路等的基础，也是获得高性能、高可靠先进电子元器件的保证。电子材料除用于制作电子元器件与集成电路外，还广泛用于印制电路板和微波电路、封装用材料、电信电缆和光纤、各种显示器及显示板，以及各种控制和显示仪表等。本章就电子材料的重要性与分类、无机电子材料、电子材料的表面与界面和电子材料的发展动向等作概貌性的介绍。
1.1 电子材料的分类与特点
1.1.1 电子材料在国民经济中的地位  
人类社会发展的历史证明，材料既是人类赖以生存、发展和征服自然的物质基础，又是人类社会发展的先导；它是人类进步的里程碑。
电子材料是指与电子工业有关的、在电子学与微电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路的物质基础。人类已进入信息社会，材料、能源和信息技术，是当前国际公认的新科技革命的三大支柱。电子材料处于材料科学与工程的最前沿，其优劣直接影响电子产品的质量，与电子工业的经济效益有密切关系。一个国家的电子材料的品种、数量和质量，已成为衡量该国科学技术、国民经济水平和军事国防力量的主要标志。
1.1.2 电子材料的分类
电子产品已经渗透到科研、生产、国防和生活等各个方面，品种五花八门，所需的直接材料和配套材料都数以万计。电子材料种类繁多，用途广泛，可以从不同的角度对其进行分类；世界各国和不同的科学家对电子材料的分类方法不尽相同。本节按照目前常用的方法来对电子材料进行分类。
1. 按电子材料的用途分类
从应用的角度，通常把电子材料分为结构电子材料和功能电子材料两大类。能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质(强度、硬度及韧性等)稳定的一类材料称结构电子材料。随着科学技术的发展，现已开发出适应高新科技要求的、性能优异的、能在各种严酷条件(高温、高压、高腐蚀)下使用的结构材料。结构电子材料在电子元器件中主要用来制作外壳、基片、框架、散热片、加固和封装等。
功能电子材料是指除强度性能外，还有其特殊功能，如能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的材料；在应用中，主要是用其功能而不是机械力学性能。例如，太阳能电池具有将太阳能(光、热能)转换为电能的功能。一般来说，功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的电、磁、光、热、压力、气氛等各种“刺激”，可以有选择性地做出反应。在电子元器件和集成电路领域中，通常功能电子材料被加工成一定的形状，配以必要的连接，使之具有将各种形态的能量互相转换的功能。可以认为，没有众多功能材料的出现，就不可能有现代电子科学技术的发展。
2. 按组成分类
从化学作用的角度，可以将电子材料分为无机电子材料和有机(高分子材料)电子材料两大类。无机材料又可分为金属材料(以金属键结合)和非金属材料(硅等元素半导体、金属的氧化物、碳化物、氮化物等，它们以离子键和共价键结合)。有机电子材料主要是由碳、氢、氧、氮、氯、氟等组成的高分子材料，大部分是以共价键和分子键结合。本书主要讨论无机电子材料。
3. 按材料的物理性质和应用领域分类
根据材料的物理性质，可将电子材料分为导电材料、超导材料、半导体材料、绝缘材料、压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等。根据电子材料在制作元器件和集成电路中的应用领域，又可分为微电子材料(锗、硅、砷化镓等制作半导体器件与电路的材料)、电阻器材料、电容器材料、磁性材料、光电子材料、压电材料、电声材料、敏感吸波材料和封装材料等。
4. 按发展进程分类
传统电子材料与先进电子材料则是另外一种分类方法。传统电子材料是指已能规模生产，价格一般较低，在工业应用上已有较长期使用的经验和数据。先进电子材料则指具有优异的性能的高科技产品，正在企图商业化或研制之中，具有一定的保密性。
以上划分方法有一定的相对性： 先进材料解密后，开始商业化及大量生产并积累了足够的经验之后，就成为了传统材料；但也有一些传统电子材料，采用特殊高科技工艺加工后，具有了新的、更优良的性能，就成为先进电子材料了。
1.1.3 电子材料的环境要求
电子材料除了具有电、磁、光、热、压力等特性外，制作成元器件和电路之后，还应具备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣环境。由于电子产品已进入国民经济、国防和民用等领域，这就要求电子产品能在不同的环境下性能稳定，工作正常。目前对电子材料的环境要求越来越严格，主要表现在以下几个方面。
1. 温度
电子产品一般要在-55～+125℃范围内使用；若到宇宙空间使用时，低温会延伸到-190℃或接近绝对零度(-273℃)；在汽车电子中，工作温度可达500～700℃；在反应堆中工作温度可高达700℃甚至到1200℃. 
2. 压力
电子产品一般在一个大气压下工作，但也有的处于真空中；而用于宇宙系统设备中真空度为1×10-13Torr。但在海洋中，水深每增加10m压强增加一个大气压，在海洋深处压力可达上千大气压。由于压力的改变，会引起电子材料耐压强度下降、密封外壳变形和散热效率降低、器件性能劣化等现象。
3. 湿度
温带地区相对湿度平均为(65～75)%RH，沙漠地区则不高于5%RH；而靠近海洋、湖泊的地区，湿度经常可达饱和状态(100%RH)。测量中发现，在相对湿度为(65～80)%RH的空气中，物体上水膜的厚度为0.001～0.1μm；而在100RH%湿度下，水膜厚度可达几十微米，对电子材料造成不良影响。水分还会引起一些电子材料(特别是化工材料)的尺寸变化，绝缘性能下降，发生击穿和短路等现象。
4. 环境中的化学颗粒及尘埃
工业区的空气中往往含有多种成分的酸、碱、盐等颗粒，这些颗粒能腐蚀电子材料，降低绝缘电阻和击穿电压。海面及沿海地区空气中的盐雾含量一般为2～5mm3/m3，这会在材料的表面覆盖一层导电层，使材料表面的漏电导增加，并能引起材料腐蚀和加速材料的老化。空气中的尘埃含量一般为20～60mm3/m3，沉积在材料表面会使水汽凝结，降低介电性能。
5. 霉菌和昆虫
在温度25～35℃、相对湿度超过70%RH、缺少日光照射的阴暗地区，霉菌和昆虫容易大量繁殖，造成电子材料介电特性的下降，器件或包封材料的腐蚀和损坏。
6. 辐射
太阳中的紫外线，潮湿条件下的日光照射，都能引起材料的氧化；雷雨时产生的臭氧以及宇宙空间的γ、β等高能粒子的辐射等，都会使电子材料蜕化、变质或分解。
7. 机械因素
运载环境中的机械因素是指冲击、振动和离心力等。在坦克、舰艇、飞机、火箭、卫星等运载工具上，振动频率的范围为10～2000Hz，有时还可高达5000Hz。在一定条件下，电子产品可能会和运载工具发生共振，导致振幅增大10～15倍，冲击加速度增大到100～200g，甚至达到500g。这些机械的作用将会降低材料的耐疲劳强度和加速元器件老化。
以上这些环境因素对结构电子材料与功能电子材料来说，都是需要考虑的，为了适应这些要求，对电子材料要有全面认识，要结合材料的成分、工艺条件和材料的结构与性能间的关系进行全方位研究。
1.1.4 电子材料与元器件1. 电子材料对元器件和集成电路发展的促进作用  在电子设备系统中，元器件与集成电路是其中的关键，为了保证电子设备系统的先进性和高可靠性，高性能和高质量的元器件与电路是必不可少的；而这些高质量、高性能的元器件，必须由优质的电子材料来保证。生产与科研不断向元器件提出更高性能、更高的可靠性等要求，这就成为促使电子材料的开发研制的动力。而一旦出现某种新型先进的电子材料，可能使电子元器件迅猛发展，并带来社会的进步。
半导体材料锗、硅和砷化镓的出现，带来的半导体器件、集成电路的迅猛发展，并促使人类进入信息社会，是一个众所周知的例子。
无源元件电阻器的发展也是如此。如每当出现一种新的电阻材料，接着就出现一种新型的电阻器。早期的电阻是由炭黑、石墨和树脂混合后压制成的实芯电阻器。这种电阻器耐热性能差，精度不高，满足不了电子设备对大功率和耐高温的要求。因此当研制出一种耐热和阻值精度方面比实芯电阻高的合金电阻材料后，就出现了线绕电阻器。线绕电阻器虽然在耐热和阻值精度方面比实芯电阻有了明显的提高，但其阻值不能做得很高。于是又研制出阻值范围大、精度高、稳定性好的碳膜和金属膜电阻材料，出现了碳膜和金属膜电阻器。此后为了进一步提高工件温度，研制出金属氧化膜和硅碳膜电阻材料。为了减轻元件的重量，缩小尺寸，又研制出一些新型薄膜和厚膜电阻材料，从而开发出高集成化薄膜电阻器和片式电阻器。
在电容器、磁性器件、光电器件等方面也有十分类似的情况。
2. 功能电子材料与结构电子材料在电子元器件中的作用
电子元器件中的性能主要由其中的功能材料来决定。但是，有时结构材料对电子元器件的性能的影响也很突出。例如用于汽车喷油系统的温度传感器，它在高温、还原性气体、强烈振动等恶劣环境下工作，除电阻体本身要求有良好的高温热敏性能外，包封材料将是决定这类温度传感器的寿命和稳定性的关键因素。
在厚膜浆料和多层布线中的介质浆料中的有机载体，它们可以控制浆料的流变、触变性质，对电路图形和线条宽度、可叠加的层数、电路性能等起着决定性作用。
由此可以看出，在电子元器件和电路中，除了需要考虑功能(敏感)材料的稳定性外，还需考虑包封材料与环境的相互作用、包封材料与功能材料界面间的相互作用和热膨胀系数润湿性的匹配性等方面的问题。
在设计和使用电子材料时，在确定材料成分的同时，还必须充分注意到材料的表面和界面、材料结构与性能、工艺与结构间的关系，这是一个系统工程的问题，为此，我们在这一章中除了讨论电子材料的一般性能外，还简要地讨论了材料的表面与界面等问题。
1.2 无机电子材料
无机电子材料大部分是由原子或小分子组成的固态材料。固体有一定的形状和体积，通常根据组成固体的原子、离子或分子在空间的排列是否有周期性和对称性，将它们分为晶体和非晶体两大类。本节对无机固体材料的晶体特征、分类、原子堆积和固溶体等材料的基本概念作简要介绍。
1.2.1 晶体的特征
晶体的主要特征是： ①有规则的外形(自范性);  ②均匀性(一般情况晶体的性质与晶体的取样位置无关);  ③解离性； ④固定的熔点； ⑤各向异性。这些特征都反映了晶体中原子排列的对称性和周期性。
1. 空间点阵、晶胞和晶面的表示
在研究晶体结构时，通常将原子(分子、离子)中的一些位置(如重心等)抽象成一些点，这些点的集合称点阵；由于晶体是三维结构，所以称空间点阵。晶体的对称性反映了其中原子排列的周期性与对称性。
因为晶体中原子排列具有周期性，因此可以选出一个最小单位，由它作上下、左右、前后的移动，可以得到整个空间点阵，这个最小单位称晶胞。晶胞的尺寸用a1、a2、a3(或a、b、c)表示，称它们为晶格常数。通常将点阵上加上一个空间坐标，此坐标的原点在点阵上的某一点上。这个坐标系一般不是直角坐标，而且其基本单元的长度a1、a2、a3(或a、b、c)不一定相等。根据a1、a2、a3间的夹角和长度关系，从对称性的角度，可将晶体分为7个晶系，它们间有以下关系，见表1.2.1. 表1.2.1 七类晶系的特性名  称晶格常数夹  角必须确定的参数三斜系a≠b≠cα≠β≠γa,b,c,α,β,γ单斜系a≠b≠cα=β=90. ≠γa,b,c,β正交系a≠b≠cα=β=γ=90. a,b,c六角系a=b≠cα=β=90. ,γ=120. a,c正方系a=b≠cα=β=γ=90. a,c三角系a=b=cα=β=γ≠90. a,α立方系a=b=cα=β=γ=90. a  由不同位置原子组成的平面称晶面；原子的线列方向称晶向。由于晶体的各向异性，不同晶面和晶向的性质不同，所以有必要将它们表示出来。下面为讨论方便，我们以正交晶系(晶胞尺寸为a、b、c)为例来说明晶面的表示方法。
选出晶面族中不经过原点的晶面，确定它在各坐标轴上的截距ra、sb、tc，取倒数比后整数化：1r∶1s∶1t=h∶k∶l(1.2.1)  h、k、l可用来表示该晶面，以(hkl)表之；hkl称面指数，又称密勒指数。必须指出，由于晶体的周期性，表示的晶面和晶向并非一个，而是一族(它们彼此平行)。所以密勒指数h、k、l表示的是一族晶面。
由于存在对称性，晶体中的某些体晶面，它们的性质相同。如立方晶系中的(100)、(010)、(001)以及与它们平行的(100)、(010)、(001)，一般可以表示为{100}晶面族。
密勒指数较小的晶面的原子密度大，表面能小，它们经常暴露在外面。在立方晶系中，常见的晶面有(100)、(110)和(111)等。图1.2.1所示为立方结构中的主要晶面的晶面指数。
图1.2.1 立方结构中的晶面指数
2. 无机晶体的分类
物质能以晶态存在的原因是由于组成晶体的原子、离子或分子之间的相互作用。在一个稳定的晶体中存在着两类作用力： 吸引力和排斥力。吸引力把原子、离子或分子结合在一起，防止它们分散；排斥力阻止它们无限接近，只有这样，才使晶体保持一定的形状和体积。
组成晶体的吸引力的来源是各种键力，它们是离子键、共价键、金属键、范德瓦尔斯键和氢键。排斥力的来源有两种，它们是同性电荷间的库仑斥力(主要是原子核之间的排斥力)，和由于相邻原子的电子云重叠由泡利原理引起的斥力。排斥力只有在距离很短时才起作用，这种力称短程力。
通常可以按照组成晶体时原子间的作用力(常称为键力)，将无机晶体分为离子晶体、金属晶体、共价晶体(原子晶体)、分子晶体和氢键晶体等五类。
1) 离子晶体
当电负性小的原子(金属)与负电性大的原子(非金属)接近时，发生价电子转移，前者给出电子成为正离子，后者获得电子成为负离子，通常两者都会具有满壳层结构。正负离子由库仑引力而接近(又称马德隆势)，当它们之间到一定距离后，由于闭合壳层电子云重叠而产生短程排斥力，当吸引力与排斥力平衡时就形成稳定的结构。由离子键结合的晶体称离子晶体。IA族(锂、钠、钾)和VIA族(氟、氯、溴)等一价离子所生成的化合物，均为典型的离子晶体。
离子的大小通常以离子半径来表示，这表示离子的电子云分布的主要范围。在离子晶体中，一个离子的电子云的分布除了决定于本身的电子结构外(如1s22s22p1、1s22s22p2、…)，还和周围相反电荷的离子数有关。一个原子(离子)周围最近邻原子(离子)的数目称配位数(CN)。对于同一种离子来说，其配位数为8时的离子半径比配位数6的大3%～5%；配位数为12时，则增大8%～10%；若配位数从6变为4，则离子半径减小4%～6%。离子半径随配位数变化的原因是由于异性电荷的吸引。因此，在引用原子半径或离子半径的数据时应考虑到它的配位数。离子的相对大小除决定于配位数外，也与晶体的结构有关。
离子晶体导电性能差，热膨胀系数小，熔点高，硬度高，大多数离子晶体对可见光是透明的。
2) 金属晶体
元素周期表中I、II族和IIIb族元素，由于负电性小，易于失去电子，当这些原子组成晶体时，原子都可以提供电子，形成电子的公有化，金属原子则成为带正电的原子实(离子芯)；金属的结合就是由于原子实和电子云间的互作用。以上称胶冻模型。金属结合力的定量计算要用到量子力学。
因为价电子在金属内是均匀分布(公有化)的，对纯金属而言，它们的原子大小相同，所以可能形成紧密堆积结构，实际上大多数金属的确如此。对于作这种紧密堆积的材料，可能表现出良好的延展性，所以许多金属在断裂之前，能延展40%～60%. 
在金属中由于电子公有化，所以有良好的电导和热导，并对各种波长光波都产生强烈的吸收和反射，所以产生特有的金属光泽。
钠、钾等碱金属在结合时主要通过外壳层s电子间的键合，键能较低，所以强度和熔点都比较低，性质活泼。过渡金属除有s电子参加键合外，还有d电子，键能高，所以强度和熔点都很高。
金属材料在电子元器件中主要用作电极、引线、外壳、散热片和封装材料等。
3) 共价晶体
当电负性较大的IVB、VB、VIB、VIIB等族元素相遇，彼此难于失去电子，但又易于获得电子，这时比较可能的方式是共有电子，这样就形成了共价键。
金刚石是典型的共价键结合，它是sp3轨道杂化以后形成的。sp3电子云的分布集中在四面体中心向四个顶角方向，所以共价键有方向性；在每个价键处只能有两个自旋相反的电子来配对，不允许第三个电子再在那里出现，故共价键有饱和性。
原子间以共价键为主组成的晶体称共价晶体。Ge、Si是典型的元素共价晶体；SiC、GaAs等为化合物共价晶体。
以共价键结合的晶体都较坚硬，强度高，熔点也高，导电性能差。微电子中常用的元素半导体材料Ga、Si和化合物半导体GaAs、SbIn等是共价晶体；还有很大一部分用于高温和抗恶劣环境的先进电子材料，如金刚石(C)、BN、SiC等也是共价结合。
4) 分子晶体
分子晶体靠范德瓦尔斯力结合。范德瓦尔斯力是一种电矩间的作用力，其大小正比于距离d的负7次方，一般称此为长程力。这是由于原子或分子的电矩(也可能由外界诱导产生的电矩)，相互间会发生耦合作用，当它们作有规则排列时，处于低能状态，所以，原子或分子间存在一种引力，这种力就是范德瓦尔斯力。它的强度远小于前面三种键力，但在其他键力不存在时，它能使原子或分子结合成晶体。
由范德瓦尔斯力结合成的晶体称分子晶体，许多有机物晶体都是分子晶体。范德瓦尔斯键没有发生电子转移或电荷重新分布，所以键的强度比较弱，为此分子晶体的强度和熔点都很低。范德瓦尔斯力对悬浮在流体中粒子的流动性(如厚膜浆料流变性)、挤压、喷射成型和其他塑性形变等有很大的影响。
5) 氢键晶体
由于氢原子很小，又易失去电子，当它与某一原子形成共价键后，带正电的氢核就暴露在一边，这时它可以与另一个电负性大的和原子半径较小的原子结合，这种结合力称氢键。氢最容易与氧、氟、氮、氯等形成氢键。氢键晶体熔点低、硬度小，在相当多的有机材料中氢键起重要作用。
前面讨论的五种结合方式，是一种理想化和极端的情况。实际的晶体中可能同时存在几种键力。例如，范德瓦尔斯键可能在任何晶体中都存在，但是因为它很弱，所以有其他键力存在的场合，可以将它忽略，但并非所有场合都可如此处理。
石墨由碳元素C组成，碳的电子组态是1s22s22p2；在组成石墨晶体时，有一个电子公有，另外三个电子形成sp2杂化，形成层状结构，sp2杂化的石墨层之间则由范德瓦尔斯键结合。因此石墨由金属键、共价键和范德瓦尔斯键三种键构成。石墨的高电导、高热导和金属光泽由金属键(公有电子)提供；高熔点由共价键提供；石墨的松、软、滑则是范德瓦尔斯键的结果。
由于组成晶体的原子(离子)尺寸及电负性不等，即使是典型的离子晶体，其中仍可有部分的共价键成分。根据同样的理由，共价晶体中也可能有部分离子键。例如，GaAS中离子键的成分为6%, InSb为8%, GaP为29%，而在AlN中离子键高达43%。许多陶瓷材料也是离子键和共价键的结合。如CaSO4，硫氧间共价结合形成SO4，钙给出两个价电子给SO4后钙成为正离子，再通过正负离子键结合成CaSO4晶体。
3. 密堆积与空隙
在讨论空间点阵时，我们将原子或分子用一个点来代表，从晶格结构图上看，似乎晶体中很“空”。实际上在形成晶体时，原子或分子彼此要尽可能靠拢，缩小它们占据的空间，以减小自由能，所以原子或分子有作密堆积的趋势。自然界中的许多金属晶体，它们就是由金属元素原子作等球堆积而成。
作密堆积时，密排层每个原子靠紧，它们的近邻CN=6，第一层可称A层，第二层在第一层三个原子中间的空隙上安放一个，也可形成密排层B层，第三层有两种放法： ①原子排列与第一层一样，这样排列为ABABAB…，形成六方密堆(hexagonal close packed, hcp)，如Co、Be、Cd、Mg、Zn、Ti等金属就具有这种结构； ②密堆积层上的空隙(空洞)有两种形状，如果第三层放在A层和B层的公共空隙处而形成C层，于是就成为ABCABCABC…的排列，形成一种面立方密堆(face center cubic, fcc), Ca、Cu、Ni、Ag、Pd、Pt等金属均为fcc结构。六方密堆与立方密堆的排列如图1.2.2所示。在室温下，约有90%以上的金属具有面心密积、六方密堆和体心结构。
图1.2.2 两种密堆积
(a) 六方密堆; (b) 立方密堆
hcp和fcc等密堆积的配位数都是12，原子的空间占有率为74%，余下的26%为空隙。
在等球堆积中有两种空隙： 一种是由四个球包围的四面体空隙；另一种为由第一层三个球(原子)与第三层三个球形成的八面体空隙，平均每个原子周围有一个八面体空隙和两个四面体空隙。
实际的晶体可以看作一些一定尺寸(原子半径或离子半径)的硬球的堆积： 尺寸大的原子或离子尽量靠近，为了使自由能最小，通常它们作最紧密堆积(面心密堆积fcc，或六角密堆积hcp)；在形成密堆积后，还存在四面体空位(空隙)和八面体空位，一些小尺寸的原子或离子就进入这些空位。对于不等半径球作密堆积时，空隙的形状和数量就比较复杂，需根据情况作具体分析。
一般来说，负离子半径比正离子半径要大，所以在离子晶体中，通常由负离子作密堆积，正离子占据其中的空隙。如NaCl中，Cl离子形成面心密积(fcc), Na占据八面体空隙；在许多金属氧化物中，大都是氧离子作密堆积，金属离子根据它们的离子半径的大小去占据四面体空隙或八面体空隙。如MgO、MnO、FeO、NiO、SrO、CaO、BaO、CdO等氧化物均为氯化钠结构，这时氧离子作面心密积，金属离子占据八面体空隙。对于UO2、ZrO2、CeO2等氧化物，U、Zr、Ce等离子只占一半的八面体空隙，而四面体空隙则全部是空的。在AB2O4尖晶石结构中，也是氧作面心密积，正离子B只填充八面体空隙的一半(2个), A离子填充四面体空隙的1/8(1个). 
通过上面讨论可以看到，晶体中原子(离子)排列时还是存在有较多空隙，这为原子或离子迁移、扩散运动等留下了足够的空间。原子的密堆积的概念，有益于我们理解电子材料的性质、工艺和环境等对电子材料的影响等。
1.2.2 同构晶体和多晶型转变1. 同构晶体和同形性  两种晶体AB与A′B′，在晶体结构中，如果A原子的位置和A′对应，B原子的位置和B′对应，这种晶体称同构晶体。例如NaCl、MgO和TiN，它们都具有食盐(NaCl)结构，Na+、Mg2+、Ti4+均在同一种点阵位置，Cl-、O2-、N3-位于另一种等同位置(实际上是由Cl-、O2-、N3-等离子组成的面心密堆积，Na+、Mg2+、Ti4+位于八面体空隙中)。同构类型晶体的化学结构式也相同(晶胞中的原子数也一样)，它以最早发现的材料命名，如NaCl结构、CsCl结构、α-Fe结构等。
同构晶体只表明晶体中原子(离子)排列相同，并不意味着这些晶体中的键的性质都一样。如果一系列晶体是同构，而且键合方式相同，则称为是同形的。与陶瓷材料关系最密切的同形性晶体，是一些具有菱六面体结构的碳酸盐 MCO3；这里M=Ca, Cd, Mg, Zn, Fe或Mn等金属元素。在这些晶体中，菱六面体的顶角只有1. ～2. 的差别。同形性晶体的物理性质都非常接近。
2. 多晶型和多晶型转变
在一定温度及压力下，晶体有一种固定结构，处于稳定状态。当外界温度、压力发生变化时，晶体中原子间的距离与原子振动情况发生了变动，致使原来的结构不再是稳定结构，它将转变至另一种结构，这一过程称相变。
具有同一化学组成，却有不同结构的材料叫多晶型(也有资料称此为同质异相)；从某一晶体结构变成另一种结构的转变称多晶型转变。
多晶型转变在陶瓷材料中经常遇到，往往会影响到器件的质量和成品率。例如在室温下稳定的氧化锆(ZrO2)是单斜晶型，在1100℃左右转变成四方晶型；这样的转变会带来很大的体积变化，ZrO2晶体内部产生很大的内应力，致使氧化锆强度大为减小，有时甚至会开裂成碎片。ZrO2是一种重要的结构材料和功能材料，主要用作陶瓷发动机、燃料电池和氧传感器。在使用中，经常发生材料从常温到高温(实际工作条件)的情况，将会反复地发生以上的相变，导致其强度下降，使ZrO2无法获得实际应用。目前已在ZrO2中加入一定数量的MgO、CaO、Y2O3等用来阻止相变的发生，这样ZrO2可在更宽的温度范围内应用。
SiO2、SiC、C、Si3N4、TiO2、ZnS、CaTiO、BaTiO3、Al2SiO5、FeS和As3O5 等均为多晶型材料。多晶型转变有以下两种类型。
1) 位移型转变
在位移型转变时，相变通过原子移动，产生形变和键角的改变，但键并不断裂(电子云不作重新分布)。位移型转变一般在特定的温度下迅速发生，这是一种可逆过程。
金属中马氏体转变、BaTiO3从四方到立方转变以及ZrO2的四方至单斜转变等转变均为位移型转变。位移型转变在硅酸盐陶瓷材料中非常普遍，高温硅酸盐相一般具有较高的对称性、较大的比容和热容量，结构也较为开放。
2) 重构型转变
 重构型转变时，会发生某些键断裂，并形成新键，导致新结构发生，这种转变比位移型转变需要更大的能量，所以说这是一个明显的激活过程，它的转变速率很小，为此其高温结构可通过迅速降温，而将它保留在低温。从热力学上看，在低温下，高温相是一种亚稳定相；但从动力学上看，它可以长期存在(如玻璃也是一种亚稳定相). 
在电子陶瓷生产中，往往会遇到多晶型和多晶型转换，多晶型转变时经常会产生应力，而且低温相与高温相的性质有很大差别。所以在选用材料时，工作人员必须查阅相图，确定该材料在烧结或工作温度下，是否存在多型性，是否会发生急剧收缩、在什么温度下收缩，是否需要用到材料的高温相等，以确保产品的性能与可靠性。
1.2.3 固溶体
研究发现，许多同形性晶体，它们之间在固相时可以互溶，非常类似于酒精和水或盐在水中的互溶和溶解。固态条件下，在一种组分内溶解了其他组分而形成的均匀的晶态固体称固溶体。在固溶体中，含量高的组分称溶剂或主晶，其他组分称溶质。溶质的溶入，并不改变溶剂的晶体结构，但是与构成固溶体的纯成分比较，固溶体在组成、结构和性能上发生了变化。例如，α-Al2O3晶体中含0.5%～2%(原子分数)Cr2O3后形成的固溶体为红宝石，是固体激光器材料，而α-Al2O3晶体则无激光特性，但这两种材料都具有刚玉结构。
1. 固溶体的类型
按照固溶度是否有限，可将固溶体分成有限固溶体和连续固溶体两类。如C在γ-Fe中的最大固溶度(原子分数)为2.0%，只能形成有限固溶体；而Cu和Ni可无限互溶。Cu和Ni所形成的固溶体的成分，可以由纯组元Cu连续变化至纯组元Ni，是连续固溶体的典型例子。Ge-Si合金和很多III-V族化合半导体固溶体等也是连续固溶体。显然只有两组元的晶体结构相同时，才有可能成为连续固溶体。
按照溶质原子在固溶体点阵中存在的位置，还可将固溶体分为三类(见图1.2.3):  一类是置换固溶体，溶质原子取代了溶剂原子在点阵中的位置； 另一类是间隙固溶体，溶质原子填入溶剂点阵的间隙位置；还有一类固溶体，通常是以化合物为基的，其特征是在点阵中某一类原子处出现空缺，使它的成分偏离于理想化学比，这一类固溶体称为缺位固溶体。
此外，按照原子在固溶体晶格中排列是否有序，还可将固溶体分成有序固溶体和无序固溶体，如图1.2.3(a)和(b)所示。
图1.2.3 固溶体的类型
(a) 置换有序固溶体; (b) 置换无序固溶体; (c) 间隙无序固溶体; (d) 缺位固溶体
2. 置换(替代)固溶体
在固溶体中，溶质原子替代了溶剂原子位置时，称置换固溶体，置换固溶体又称替代固溶体。这时溶质原子占据了晶格中的某些溶剂原子格点的位置。合金材料中有很大一部分是替代固溶体；在陶瓷材料中也经常存在替代固溶体。
形成固溶体时，只有当原子的尺寸和电负性相接近时，它们间才可以形成如水和酒精那样无限互溶，这种固溶体称无限固溶体(连续固溶体)；否则，当溶解到一定程度后就不能再溶，这时溶质原子就从溶剂中分离(偏析)出来，这种固溶体称有限固溶体。
金属间的互溶度由原子尺寸和电负性两个因素决定，若原子半径接近电负性又相当，则可以无限溶解。如Cu-Ni、Cu-Pd、Cu-Au、Ag-Au、Pd-Au、Pd-Ag等，它们都可以形成无限固溶体。
对于离子键同形性晶体和共价键同形性晶体，易形成固溶体。MgO和FeO均具有NaCl结构，Fe2+离子无序地取代Mg2+离子，固溶体可写成Mg1-xFexO，其中x=0～1，是一种无限固溶体。
MgO-CaO系中MgO中可以溶解少量CaO, CaO中也可以溶入少量MgO，但正离子间的互溶是有限的，所以是有限固溶体。MgO-Al2O3系也是有限固溶体；而CaO与BaO则不能形成固溶体，它们只能形成混合物。
3. 影响替代固溶体溶解度的因素
1) 离子大小
形成固溶体之后，会使系统的熵增大，从而使自由能会有所下降，系统达到稳定；所以任何材料间多少都会有点互溶。溶质离子和溶剂离子半径相差不大于15%才有可能形成连续固溶体，超过15%的话，形成固溶体就有困难。两种离子半径相差15%～30%时，只能形成有限固溶体。如溶剂与溶质间半径相差大于30%，由于原子(离子)半径的差别产生的弹性畸变能明显高于熵的增加，这样会使自由能增加，系统变得不稳，所以产生偏析或成为混合物。
2) 晶体结构
只有当溶质与溶剂的晶格结构相同时才能形成连续固溶体。Al2O3-Cr2O3、MgSiO4-Fe2SiO4、ThO2-UO2等组元的正离子半径比较接近，晶格结构相同，所以能形成连续固溶体。而CaO与BaO不但离子半径差别较大，而且晶格结构也不一样，所以不能互溶。
锗、硅(都具有金刚石结构)和很多具有闪锌矿结构的III-V族化合物半导体都能形成连续固溶体。
3) 电价的影响
替代固溶体中，离子取代可以是等价的(如MgO-FeO)，也可以是不等价的(ZrO2-CaO)。形成固溶体时必须满足电中性的要求。所以在不等价转换时，结构必须作某些调整。如尖晶石MgAl2O4中溶入Al2O3后，为了保持电中性，每两个Al3+转换出三个Mg2+，这样会产生一个阳离子空位。这种不等价转换造成了组分缺陷。一般来说，不等价置换不利于连续固溶体的形成，但等价转换并不是形成连续固溶体的必要条件。
4) 离子的类型与键性
最外层8个电子的离子称惰性气体型离子，最外层18个电子的离子称铜型离子。离子的类型不同，离子的极化与结合时的键的性能也不一样。惰性气体型离子在化合物中基本上是离子键合，而铜型离子则离子键成分较少，在阴离子相同的情况下，它们极化的能力不同，所以在形成替代式固溶体时，离子类型不同的离子难以相互转换。
4. 填隙式固溶体
填隙式固溶体中，离子(原子)半径较小的溶质离子(原子)进入溶剂的晶格的间隙位置。填隙位置尺寸一般都比较小，所以要形成填隙式固溶体，溶质的原子半径要小(H、B、N和C等原子). γ-Fe是一种面心结构，当C原子进入Fe点阵的八面体空隙中就形成奥氏体。
在陶瓷中也有填隙固溶体，主要由主晶相中间隙大小来决定，如在MgO结构中只有四面体空隙可用，在TiO2结构中还有八面体空隙可用，在萤石(ThO2)结构中，有配位数为8的较大的空隙，在架状硅酸盐片沸石中的空隙更大。因此形成填隙固溶体的次序为： 片沸石>ThO2>TiO2>MgO。由离子晶体形成的间隙固溶体必须保持电中性，这通过形成空位，或部分阳离子价态变化来达到。
原子进入填隙位置后，会引起弹性畸变，为此填隙原子的固溶度有限，一般小于10%，所以填隙固溶体是一种有限固溶体。
5. 固溶体的物理性质 
一般情况下，固溶体中溶质原子是作均匀分布的(特别是替代式固溶体)，所以它的性质会随溶质组分多少作有规律的变化。
固溶体的晶格常数必然受到溶质和溶剂晶格常数的影响。作为初级近似，可以认为替代式固溶体的晶格常数同溶质原子浓度的变化关系是线性的，这种关系称为韦加(Vegayd)定律。
如由A、B两种原子形成的固溶体的晶格常数a与A、B原子的浓度有以下关系： a=x1aA+x2aB式中x1和x2分别表示溶剂、溶质的原子浓度；aA和aB分别为溶剂、溶质的晶格常数。
半导体固溶体是由两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的合金，主要有硅锗固溶体、各种III-V族化合物固溶体和II-VI族化合物固溶体等。化合物固溶体的组成元素有3种或3种以上，可看成是两种或两种以上同族化合物通过互溶方式形成的连续固溶体。例如，GaAs1-xPx可看成是GaP和GaAs的连续固溶体，脚标x表示GaP的摩尔比率。半导体化合物固溶体的电学性质和禁带宽度等能带结构可通过其组分比的调整而加以剪裁，因而是半导体能带工程的主要内容之一。
1.2.4 金属间化合物
金属间化合物(intermetallic compounds, IMCs)指由两种或多种金属组分构成的具有特定组织结构的化合物，它首先在合金中被发现，称为中间相。因为它们出现在相图的中间成分区域而得名。中间相往往具有与它的组成元素不同的晶体结构。一般来说，中间相的各组成元素的原子百分比可以用化合物的化学分子式表示。但是，除正常价化合物以外，这种化学式一般不符合化学价规律。这是因为，对于大多数中间相来说，原子间的结合方式不是单纯的离子键和共价键，而是金属键和它们的复合。也是由于这个原因，它们具有不同程度的金属性(导电性、金属光泽等)，所以，中间相又称为金属化合物，或为金属间化合物，以区别于通常的无机和有机化合物。在本书中我们不用中间相的称呼。
金属间化合物由于存在金属键、离子键和共价键，共价键使得原子间的结合力增强，化学键趋于稳定，从而使其具有高熔点、高硬度的特性；同时由于原子间的结合力增强，扩散减慢，导致蠕变激活能提高，而使得它还具有高的抗蠕变性能。此外，金属间化合物在氧化性气氛中，表面能生成致密的氧化膜，因而还具有良好的抗氧化性。金属间化合物诸多的优异特性受到材料界的青睐。
从唯象学的角度出发，通常把与之相似的金属、类金属化合物诸如硅化物、砷化物、碲化物等也包罗在金属间化合物的范畴之内。
金属间化合物的制备方法有： 机械合金化、自蔓延高温合成、放电等离子烧结、热压法、热等静压法和定向凝固技术等。
当20世纪80年代金属间化合物刚被发现时，它们的室温延性大多数为零，也就是说，一拉就断。因此，普遍认为，作为块材料的金属间化合物是没有任何实用价值的。80年代中期，美国科学家们在向金属间化合物中加入少量硼后，可以使它的室温延伸率提高到50%，即与纯铝的延性相当。这一重要发现及其所蕴含的巨大发展前景，吸引了各国材料科学家展开了对金属间化合物的深入研究，使之开始以一种崭新的面貌在新材料天地登台亮相。目前已有约300种可用的金属间化合物。
除了作为高温结构材料以外，金属间化合物的其他功能也被相继开发： 如稀土化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等。金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，和新一代元器件的出现。
1.3 实际晶体、非晶体和准晶1.3.1 实际晶体1. 多晶体  我们知道，铜、铁等材料没有规则的外形，它们的物理性质并不是各向异性的，这是因为一般的铜铁等是多晶体。
在1.2.1节中讨论晶体时，认为原子排列是对称的且具有周期性，实际上指的是在整个一块晶体中，原子按照同一种方式排列(是由一个“元胞”作上下、左右、前后移动而得到的)，用固体物理的术语来说，是整个材料被一个晶格结构所贯穿，这种材料称单晶体。
当一块材料由若干个不同取向的小单晶组成，则称为多晶体或多晶。自然界中和日常生活中遇到的晶体材料大部分是多晶体。如金属和合金都是多晶体。
多晶材料中的小单位称晶粒；多晶体中的晶粒可以大到用眼识别出来(cm尺度)，有的小至要用放大倍数很大的电镜才能看到(μm～nm)，小于1μm的晶粒称微晶。
多晶材料是由不同尺寸的晶粒(可以看作小的单晶，具有各向异性)集合在一起的，从统计平均来看，它们表现出来的物理性质必然是各向同性的，同样也不可能有规则的外形；但从微观上看，原子仍作对称而周期性的排列，即是长程有序和短程有序的。多晶具有和单晶一样的结合能，所以仍有固定的熔点(与单晶体的熔点相同). 
2. 晶体中的缺陷
由于热扰动和材料形成过程中受到外来因素的影响，材料中原子排列会出现偏离周期性和对称结构的地区，它们对材料的一些性质有时起着决定性作用。
晶体中的缺陷，是指实际晶体与理想的点阵结构发生偏离的地区。由于点阵结构具有周期性和对称性，所以，凡使晶体中周期性势场畸变的因素称为缺陷。使晶体中电子周期性势场畸变的称电缺陷；使原子排列周期性畸变的称几何缺陷。传导电子、空穴、极化子、陷阱等为电缺陷；杂质、空位、位错等为几何缺陷，几何缺陷又称原子缺陷。实际上原子缺陷与电子缺陷有一定联系。特别在离子晶体等极性晶体中，正离子空位带负电，不同价的杂质(点缺陷)也带电，所以它们既是原子缺陷又是电子缺陷。下面主要讨论原子缺陷。
3. 原子缺陷的种类
原子缺陷通常按照其几何形状分为以下几类。
1) 点缺陷
周期性势场畸变的几何尺寸是可以同点阵原子大小比拟，即在一个原子尺度范围，如杂质、空位、填隙(间隙)原子，空位对和聚集体等，它们又称零维缺陷。图1.3.1 晶体中的点缺陷
图1.3.1所示为晶体中的各种点缺陷。
2) 线缺陷
位错是晶体中有一列或几列原子发生了有规律的错排的现象，缺陷的周期性畸变区域呈一维分布，又称一维缺陷。晶体中最简单的位错是刃位错(棱位错)和螺位错，如图1.3.2所示。更复杂的位错在原则上可以由这两种位错组合。
图1.3.2 晶体中的刃位错与螺位错
(a) 刃位错; (b) 螺位错
单位体积中所包含的位线的总长度称位错密度，它是量度晶体中位错数目的一个参数，可以用腐蚀坑法、X射线或透射电镜等方法来测定。经过充分退火的多晶金属中，位错密度一般为106～108cm-2；剧烈冷形变的金属，位错密度可增至1011～1012cm-2；陶瓷中位错密度通常为108～1010cm-2；而完整的单晶硅、锗等微电子材料中，位错密度可以非常小。
3) 面缺陷
晶粒间界、孪晶界、相界、层错和晶体表面等为面缺陷。面缺陷又称二维缺陷。面缺陷对电子材料的性能有重要影响，我们将在1.4节讨论。
4) 体缺陷
材料外来的杂质析出相夹杂物、团聚物质、陶瓷烧结产生的他相、玻璃相、气孔空洞等作空间分布，称体缺陷。
5) 微缺陷
1965年以来，人们注意到在无位错硅、锗单晶等半导体材料中存在着的一类缺陷，其几何尺寸多为微米或亚微米数量级，故称微缺陷。实际上微缺陷是杂质与一些点缺陷的集合体。
在一般材料中(特别是单晶材料中)，缺陷所占的比例非常小，但在纳米材料中或超微粒材料中，它们的比例可高达30%～50%或更高。缺陷对材料的性质往往起着重要作用。
对于成分确定的材料，它的某些性质(如电阻率、少子寿命等)会因样品的不同或制备方法不同而有明显的区别，这些性质称结构敏感的性质。缺陷在结构敏感性质中起着关键性作用。
1.3.2 非晶态材料
玻璃是大家熟知的一种非晶态材料，所以也把非晶态称做无定形体或玻璃体。它具有各向同性，没有规则的外形和固定的熔点(只会软化)。非晶态材料中原子的空间排列不具有周期性，原子和长程序受到破坏，只有在几个原子间距的小范围存在短程有序。
制备非晶体有不同的途径，除了熔体冷凝的传统方法外，还可由气相、液相快冷形成，气相沉积、电沉积、真空蒸发和溅射等方法。20世纪80年代研究出高能球磨合成非晶态合金的方法。该法制备的非晶成分范围较宽，而且连续变化。
目前在金属、半导体和磁性材料中都可以形成非晶体。非晶硅、非晶金属(玻璃金属)已有广泛应用，在陶瓷材料中，氧化物玻璃也是经常遇到的一种主要非晶相。
1. 非晶态材料的微观特征
微观结构上非晶态有以下几个特征： ①只存在小区间范围内的短程序，在近程或次近邻的原子间的键合(如配位数、原子间距、键角、键长等)具有某种规律性，但没有长程序； ②非晶态材料的X射线和电子衍射花样由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态特征的任何斑点和条纹，用电子显微镜也看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍衬反差； ③当温度升高时，在某个很窄的温度区间会发生明显的结构相变，因而它是一种亚稳相。
2. 非晶态结构的类型
1) 连续无规网络
在玻璃等非晶态材料中，每个原子在三维空间排列有大致相同的化学键特征(键长和键角基本相同)，但在几何上(拓扑上)的排列是完全无序的。这类结构没有最小重复的结构单元，没有周期性，所以也不存在晶格，只有网络。许多氧化物玻璃、硫化物玻璃等均具有无规网络结构。连续无规网络又称连续随机网络，常用来作非晶硅、非晶锗和玻璃等非晶材料的结构模型。
2) 无规密堆积
金属键基本上是球对称的，在金属晶体中，原子作密堆积，这样能使自由能最小。对于金属非晶态，20世纪70年代后提出了一种无规密堆积(RCP)结构的模型。
原子作三维密排时的占有率(填充因子)为π32=74.4%。若让同尺寸小球在不平整容器中随机排列，为了使系统的自由能最小，会形成一种紧密的无规则密堆积(Bernal 结构)，它的空间占有率为63.7%，是晶态密堆积的86%。在计算机上进行的模拟也得出相同结果。无规密堆积又称硬球无规密堆模型(DRPH)，主要用于金属玻璃上。
晶态密排对应于位能为极小，所以有最大的空间利用率，配位数12，是一种稳定结构。无规密堆积是一种亚稳定排列，它也在位形空间有一个极小值(但不是最小值)，它的最近邻球(典型值为6)间因相互卡住而锁定，达到一种介稳定状态。
3) 无规则线团模型
高分子聚合物是由许多重复单元组成的一种大分子。高分子由许多链节，靠共价键聚合(联结)起来，如聚苯乙烯(CH2CHC6H5)n，其链节图1.3.3 无规线团模型
为CH2CHC6H5, n为聚合度。一般的聚合物的n为104，聚乙烯的n可达105以上。
完全延展开的高分子大体上像一根毛线，其长度可达几微米，粗为零点几纳米。对于由聚合物形成的非晶态，P.J.Flory提出了无规线团模型，由一些大分子线交织在一起，如图1.3.3所示。聚乙烯、聚丙烯等聚合物材料在一般情况下都是非晶态，经过热处理，这些聚合物也可能晶化。
3. 非晶态材料的分类与特点
按照材料的性质，可将非晶态材料分为非晶态绝缘体、非晶态半导体和非晶态金属。近年来非晶态半导体已在许多领域中得到应用，非晶态金属的研究也非常活跃。
从热力学上讲，非晶态是处于介稳定状态，而晶态是处于热平衡的稳定状态，中间相隔一个势垒。非晶态是否向晶态转变，由它们之间的势垒高度ΔE决定；如果ΔEkT，则在通常情况下非晶态不会向晶态转变。
由于制备方法不同，非晶态可以有一些不同的状态。通过加热、光照等可让一些不同的非晶态相互转换。在适当条件下非晶态也可能结晶。
非晶态中不存在长程有序，所以非晶态的物理性能是各向同性的。非晶的长程无序，使得组成它的元素种类可以比较广泛，其组成也可以大幅度地变化，某些不能合成的晶态材料能以非晶态存在。如氧化硅，晶态时只能以SiO2存在，而非晶态时其成比分可以连续变化，如SiOx。这样，通过改变材料的原子及组成比，就可以大幅度地改变材料的物理参数。可以改变的物理参数有： 密度、硬度、耐热性、电导率、折射率和禁带宽度等。
由于以上一些原因，非晶态材料具有许多晶态材料不具有的光学、电学、磁学、力学和化学等性质。例如非晶硅可以做太阳电池材料，非晶态合金的电阻大都比同种材料的晶态合金高。非晶磁性合金由于原子排列长程无序，因此它们没有各向异性，也不存在晶界，故非晶磁性材料容易获得高强度、高导磁率和高耐蚀性。许多金属非晶体具有优良的抗腐蚀性能。非晶合金兼有高强度和高延展性，它们的断裂强度接近理论值。
许多非晶态合金具有极佳的抗腐蚀性，是由于其结构的均匀性，不存在晶界、位错、沉淀相，以及在凝固结晶过程产生的成分偏析等能导致局部电化学腐蚀的因素。非晶合金一般具有高的电阻率和小的电阻温度系数。目前非晶合金最令人注目的是，其优良的软磁和硬磁磁学性能。
1.3.3 准晶体简介1. 准晶体的特征  准晶体，亦称 “准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。根据晶体局限定理(crystallographic restriction theorem)，晶体只可能具有2次、3次、4次或6次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如5次对称性或者更高的如6次以上的对称性。
但由于准晶违背晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代才开始受到重视。1984年，以色列科学家丹尼尔·舍特曼(Daniel Shechtman)和以色列理工学院的同事们在快速冷却的微米尺寸的铝锰合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射图具有正二十面体的5重轴转对称性。丹尼尔·舍特曼因发现准晶体，而获得2011年诺贝尔化学奖。
2. 准晶态的种类
自从发现Al-Mn准晶态以来，至今证实已有二百多种不同材料和组分的合金准晶态存在。根据准晶在热力学上的稳定程度，可将准晶分为稳定准晶(约有93种)和亚稳定准晶两大类。在这些准晶体中，不仅有5次对称轴的准晶，而且有8次、10次、12次对称轴的准晶。
准晶一般可以按其成分和结构来分类。目前大都按照准晶在空间中原子的分布呈现周期性的维数，把准晶分为三维准晶、二维准晶和一维准晶等三大类。
3. 准晶的性质
1) 电学性质
与金属晶体的导电性相比，准晶体的导电性显示出完全不同的特征。通常，金属合金晶体的电阻率最高也只有数十μΩ·cm；非晶体合金最高的电阻率也只有几百μΩ·cm。如对于全部由高导电元素族组成的准晶相Al-Cu-Li，在液氦温度时的电阻率为900μΩ·cm。对于含有过渡元素族的准晶相，在相同温度下其电阻率则更高；如Al-Cu-Fe准晶为1300～11000μΩ·cm. 
高电阻率是准晶固有的特性。准晶的电阻率对结构的完整性十分敏感，电阻率也与其组分浓度有关： 准晶结构越完整，电阻率越高。此外，准晶的电阻率具有负的温度系数，即电阻率随温度的升高而下降，而且电阻率与温度的关系是非线性的。
2) 磁性
目前已观察到，准晶可能存在逆磁、顺磁、铁磁和反铁磁等性质。目前报道得最多的是准晶的顺磁性。
含有过渡金属的准晶，它们的磁性与过渡金属有关。准晶铁磁材料有较低的磁化强度、较高的居里温度、较大的矫顽力和很强的各向异性能。
3) 热学和力学性质
(1) 导热性
与普通金属材料相比，准晶材料的导热性较差。在室温下，准晶的导热率比铝和铜的导热率低两个数量级，比不锈钢低一个数量级，与常用的高隔热材料ZrO2相近。
准晶的导热性也具有负的温度系数，并且对准晶结构的完整性也较为敏感，即准晶结构越完整，其导热性越差。此外，准晶的热扩散系数和比热容都随温度的升高而增大。
(2) 力学性质
准晶室温下的力学性能与一般金属间化合物相仿，表现为硬而脆。准晶的硬度与陶瓷材料相仿，远高于高强铝合金；而韧性较低，仅为陶瓷的1/4～1/5，更不能与高强铝合金比。准晶的脆性很大，是陶瓷材料的4倍以上。此外，准晶的热扩散系数和比热容都随温度的升高而增大。
4) 表面特性
准晶的表面结构比较独特，它的表面氧化行为、润湿行为和摩擦行为等也与众不同。
迄今为止，发现的准晶材料绝大多数为铝系准晶，而Al是极易氧化的活泼元素。在相同条件下，准晶相表面的氧化特性明显低于铝合金和相近成分的晶体。
当准晶在室温下长期暴露在干燥空气中时，氧化层平均厚度为2～3nm。但在潮湿空气和较高温度下，氧化层会进一步加厚(6～7nm)，并且化学成分也因此而变化，表层铝的原子百分比随之增大(Al可达90%). 
准晶薄膜表层具有一定的粗糙度，具有较低的表面能。研究发现，Al-Yd-Mn准晶的表面能非常接近于不粘材料聚四氟乙烯(Teflon). 
一些准晶薄膜除具有较低的表面能，有优良的不粘性外，还有优良的耐蚀性、耐高温性(可承受750℃高温)、高的硬度(是不锈钢硬度的2倍以上)和高的耐磨性。
4. 准晶的应用
1) 表面改性材料
准晶材料的应用主要作为表面改性材料，作为增强相、弥散分布于结构材料中。在实际生活中，准晶体早已被开发为有用的材料。组成为铝-铜-铁-铬的准晶体，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性，最早被利用于烹饪器具的涂层。第一个准晶应用的专利为“不粘锅涂层”，于1988年在法国诞生。
2) 隔热性能方面
在隔热性能方面，相比泡沫、纤维、金、银、镍、铝箔等传统隔热材料，准晶体具有密度小、耐蚀和耐氧化的优点，在航空和汽车工业的发动机等部件中，准晶涂层与航空发动机常用的隔热材料锆钇氧化物及其他隔热材料可相比。Al2Cu2Fe准晶涂层具有密度低、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化、使用温度高及易于制造等优点，能满足多种场合下的隔热要求。其形成方法是利用喷涂技术，在基体表面形成一层准晶薄膜。准晶的这些表面特性，还可用作热障层涂层。目前准晶热障涂层已在飞机和汽车发动机等部件中得到初步应用，有非常大的应用价值。Al65Cu23Fe12准晶材料十分耐磨，被开发为高温电弧喷嘴的镀层。
3) 航空航天工业
以前，航空航天工业中，飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等材料，而现在，科学家们正研究用准晶体材料来替代这些传统材料。
此外，准晶体还被用作太阳能工业薄膜材料。因为准晶体具有特殊的光学性能(高的红外传导率)和足够的热稳定性(抗氧化及扩散稳定性)，可应用于太阳热能工业。
4) 其他方面的应用
此外，准晶体材料还可用作结构材料的增强相、储氢材料、半导体材料以及热电材料等。目前各国科学家正在研究用真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等技术制备准晶膜。
1.4 电子材料的表面与界面
随着电子元器件向小型化、多层化和多功能化方面的发展，电子元器件的尺寸越来越小，致使表面和界面的重要性越来越重要，必须加强这方面的研究。图1.4.1 各类界面示意图通常称固体与气体的交界面为表面；固体与固体、固体与液体的交界面称界面，如图1.4.1所示。本节讨论电子材料的表面与界面的原子结构与性质。
1.4.1 表面的定义和种类
1. 理想表面  
在无限晶体中，插入一平面，将晶体一分为二，然后将上半部移去，这样裸露出来的表面称为理想表面。在这种表面上，原子的排列与体内完全一样；唯一不同的是在垂直于表面的方向的周期性在表面处遭到突然中断。理想表面是为分析表面结构而作的一种简化，实际上在自然界中并不存在。