半导体方面论文

1952年2月邹元爔到工学实验馆工作时，正是周仁等深入研究球墨铸铁之时，他们探索了加镁方法，研究合金元素和热处理对球墨铸铁金相结构和机械性能的影响，以及在铸件上的应用。此项成果获1956年国家自然科学三等奖。1953年我国急需开发内蒙古白云鄂博铁矿，建设包头钢铁公司。但该铁矿石中含有大量萤石和稀土元素，为世界所罕见。其高炉冶炼在世界炼铁史上也没有成熟的经验，是一项开拓性的工作。当时上海冶金陶瓷研究所所长周仁是中国科学院“两矿”（白云鄂博铁矿和大冶铁矿）领导小组组长，他知难而上，为冶金陶瓷研究所接下了白云鄂博铁矿石高炉冶炼的研究任务。他在所内进行了总动员，并迅速组织了会战组，同时任命邹元爔为研究该矿的技术总负责人。在周仁的组织引导和亲自参加下，邹元爔和徐元森等迅速建成了一座1立方米的试验小高炉，他们一方面进行实验室试验，同时也进行小高炉冶炼试验，系统地研究了氟在高炉冶炼中的行为，包括氟对高炉型炉渣的物理化学性能的影响和氟在高炉冶炼过程中的变化和分布规律。他们摸清了含氟炉渣对高炉冶炼的影响及其对不同耐火材料的侵蚀情况；阐明了氟从矿石和炉渣中挥发的机理及其对高炉钢结构的腐蚀情况；提出了白云鄂博矿的造渣制度和提高冶炼强度的方案；解决了氟对高炉钢结构和对高炉耐火砖衬的腐蚀问题。为苏联专家设计包钢炼铁高炉提供了可靠的关键技术资料和理论依据。特别是高炉耐火砖衬问题，苏联专家设计时原计划仅在高炉缸部分用炭砖，而周仁、邹元爔等的研究表明，高铝砖和铝镁砖等在高氟炉渣中都很快就被侵蚀，只有炭砖才能抗高氟炉渣的侵蚀，才改为从炉缸到炉身下部（风口带除外）全部改用炭砖，避免了一次可能发生的大事故。这项研究工作获得了1982年国家自然科学三等奖。为了从含4%～5%稀土氧化物的包钢高炉渣中提取宝贵的稀土元素，邹元爔提出用硅铁还原法还原渣中稀土元素，制造稀土硅铁合金成功。当时称这种合金为“包钢第一号合金”。此法具有原料低廉和设备简单等优点，为我国稀土资源综合利用作出了重要贡献。这种回收稀土金属的工艺在世界上没有先例，因此获得1965年国家创造发明二等奖，并多次受到国家领导人的表扬。1957年国家急于开发攀枝花钒钛磁铁矿，其高炉冶炼也是世界上的一大难题。徐元森和邹元爔等系统地研究了含钛高炉型炉渣的物理化学性质及矿物组成，探明了含钛炉渣在高炉冶炼条件下变稠的机理，在1立方米小型试验炉上进行试验时，根据徐元森的建议，创造性地采用了特种吹炼风口，解决了高钛渣堵塞炉缸的技术关键，为攀枝花钢铁公司高炉设计和冶炼方案的选择，提供了可靠的技术资料和理论依据。该项工作于1982年获国家自然科学四等奖。同一时期内，邹元爔还领导了湿法冶金和炼钢等研究，如钴的提取、氧化铝的浸出、氧化钛和锰的提取等，成果出色，为我国多种矿产的综合利用做出了重要贡献。冶金物理化学中的“活度”概念是研究高温熔体实际反应的有力工具，它可理解为“有效的浓度”。邹元爔在1947年向美国卡内基理工学院提交的博士论文《在液态铁和银之间某些元素的分配》中，利用液态铁和银互不相熔的特性，成功地测定和计算了铜、锰、硅和硫等元素在液态铁中的活度系数及其受铁中碳的影响，修正了炼钢过程中传统的脱硫机理，并为液态金属中元素活度的测定提供了新的途径。这一研究工作的成功，不仅使他雄踞全校毕业生之首，也为他以后的事业奠定了基础。1952年起，邹元爔创建并领导了上海冶金陶瓷研究所冶金物理化学研究工作，完成了《氟对高炉炉渣粘度、熔化性及脱硫力的影响》等30多篇系列性的学术论文，分别刊登在《中国科学》、《金属学报》和《科学通报》等学术刊物上。这些论文内容广泛，涉及熔渣和金属中组分的活度、渣和金属间的平衡、火法和湿法冶金过程的物理化学基本理论。所完成的大量二元系、三元系冶金体系中组分活度和金属间化合物生成自由能的研究，为冶金物理化学积累了宝贵的数据，其中不少内容已被收入大学教科书和大百科全书。此外，在活度测量中，邹元爔打破了黑色冶金工作者常用铁作金属相的传统做法，采用某些有色金属相，然后借助变通吉布斯—杜亥姆公式和两组元活度系数之和或商来分别求得各组分的活度，从而成功地解决了国际上长期存在的坩埚材料选择和化学反应设计以及微量元素活度测定等难题。在邹元爔的领导下，上海冶金陶瓷研究所50～60年代的冶金物理化学研究水平，不仅在国内领先，而且在国际上也较有声誉。60年代开始，根据世界科技发展趋势，邹元爔急国家之所急，不顾高龄，毅然转向纯金属和化合物半导体材料的研究领域。他将冶金原理应用到高纯元素的提纯和化合物半导体材料的制备。他巧妙地利用冶金熔体间反应，以及沉淀精炼、分级结晶、萃取、升华、精馏和真空蒸馏等多种方法以提纯单质元素。在他领导下，镓、磷、砷等高纯元素的制备工艺在国内有关工厂推广，并分别得到1964年国家计委、国家科委、国家经委工业新产品三等奖。为了实现砷化镓、锑化铟、砷化铟和铟锑铋等Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体的高纯度生长，邹元爔从分析晶体中剩余施主和受主的本质出发，提出并完成了常用的石英容器进行高温特殊处理的方法，从而大幅度降低石英中杂质钠和一些重金属元素的含量。此方法在1983年获国家发明三等奖。此外，在邹元爔指导下完成了石英舟涂膜新工艺，常压液封原位凝固生长不掺杂的半绝缘砷化镓单晶新方法，以及倾侧法液相外延生长高质量砷化镓薄膜等研究。这些工作在1985年获国家科技进步二等奖。邹元爔发表的关于半导体物理化学方面的学术论文共70多篇。他的贡献不仅在于将冶金物理化学的原理延伸到半导体材料的研究中；更重要的是，他将固体半导体材料缺陷和冶金熔体这两个看来完全不同的学科领域统一于化学这门基础学科之中，为物理化学的应用、发展和开拓作出了重要贡献。70年代开始，邹元爔从冶金学的角度提出了有关砷化镓质量的三个关键问题，即未知受主、结构缺陷和“迁移率刽子手”。1972年他总结了国内外不同方法生长的N型砷化镓载流子浓度和迁移率的数以百计的数据，从中归纳出剩余受主与剩余施主浓度之间的一个相关函数关系。据此他大胆地预言砷化镓材料中存在着当时人们尚未认识到的受主缺陷种类，即所谓“未知受主”，它们影响着材料的补偿度。通过实验，他发现化学杂质钠就是常被忽视的未知受主之一。后来随着砷化镓纯度进一步提高，他又发现未知受主中除钠外，还存在着某些受主型结构缺陷（非杂质）。1974年，邹元爔根据砷化镓中一些缺陷间的反应，推测可能存在GaAsVGa和AsGaVGa两个能级位置不同的受主缺陷，它们相伴存在，并且浓度几乎相等。这个预言，在1975年被国外学者（朗）（Lang）和（劳根）（Logan）用当时新发明的深能级瞬态能谱仪的测试结果所证实。这两个受主缺陷命名为A和B陷阱。“迁移率刽子手”实质上是一种空间电荷散射中心，它对载流子的散射截面比普通电离杂质的几乎大2个数量级，严重影响了砷化镓材料的电学性能。在邹元爔领导下，对液相外延和气相外延砷化镓材料作了大量实验，揭示了它的微观结构是某种硅氧复合体。80年代初，随着人们对半导体材料中缺陷研究的不断深入和砷化镓器件的迅速发展，国际上不少理论学家和实验学家的注意力纷纷集中到砷化镓材料中所谓“EL2”的深施主能级的缺陷本性上。这种缺陷在不同方法生长的砷化镓材料中普遍存在，且具有许多异常性质，并对大规模集成电路等器件性能起着决定性的影响。70年代在结构缺陷研究的基础上，1981年邹元爔应用物理化学质量作用定律，在国际上首次提出EL2缺陷可能为AsGaVAsVGa三元络合物。其后，各国科学家根据各自的实验数据先后从不同侧面提出了EL2缺陷可能为孤立反位原子和其它二元、三元络合物等十多种看法。这些科学家大多采用物理学的研究方法。邹元爔等不仅认真研究了所有这些结果，而且分析了各种变化条件下某些缺陷的相互消长关系及其内在联系，从而较全面地总结出EL2缺陷的有力判别标准，即“指纹特征”。以后又根据量子化学计算和电子顺磁共震实验等结果，应用物理化学相律原理，进一步提出了晶体中EL2缺陷的生成机理，低温光照下EL2缺陷出现亚稳态的机理以及“EL2族”现象的实质等，从而构成了一个较完整的EL2缺陷模型。邹元爔去世后，这一模型被国际学术界称为“邹氏模型”，认为它能详尽地解释EL2的几乎所有的电学和光学性质，并称赞邹元爔等所用的物理化学方法是鉴别半导体材料中深能级点缺陷本性的十分有用手段。邹元爔的上述半导体物理化学方面的成果获1987年国家自然科学三等奖和1991年中国科学院自然科学一等奖。