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高考申論題 108年 [材料工程] 材料科學導論

第 一 題

📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

當B 加入 Si 中進行摻雜反應後,在原主體材料中是否會產生新的電子或電洞之點缺陷,請說明其理由。(5分)

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看到半導體摻雜題,先確認主體原子(Si)與摻雜原子(B)在週期表上的『族數與價電子數』差異。接著運用共價鍵模型判斷是多出電子還是缺少電子,最後連結至能帶理論(受體/施體能階)與半導體類型(p-type/n-type)。

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【破題】 會產生新的「電洞」點缺陷,使該材料成為 p型半導體(p-type semiconductor)。 【論述】

小題 (二)

當 ZnO 加入Al2O3 中進行摻雜反應後,在原主體材料中是否會產生新的電子或電洞之點缺陷,請說明其理由。(5分)

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遇到「摻雜、點缺陷、電荷補償」的題型,首先應利用 Kröger-Vink 符號寫出缺陷反應式,分析摻雜質與主體離子的價數差異。接著,務必結合主體材料(Al2O3)的能帶結構(寬能隙絕緣體)來判斷系統傾向於「離子補償」(產生空位或填隙離子)還是「電子補償」(產生電子或電洞)。

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【破題】不會產生新的電子或電洞。系統會傾向透過產生「離子點缺陷」(如氧空位)來維持電荷平衡。 【論述】 一、價數取代與電荷不平衡

小題 (三)

請寫出一般缺陷數量與溫度的關係式。(4分)

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看到「缺陷數量與溫度」,應立即聯想到熱力學平衡下產生的「空位(Vacancy)」。寫出呈現 Arrhenius 形式的指數關係式後,務必精確列出每個符號的物理意義與單位(如絕對溫度 K、活化能等),這是國考拿滿分的關鍵。

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【解題關鍵】熱力學平衡下的空位缺陷數量與溫度呈 Arrhenius 指數關係。 【解答】 一般熱平衡缺陷(通常指空位,Vacancy)數量與溫度的關係式如下:

小題 (四)

請提出三種減少缺陷的方法。(6分)

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看到「減少缺陷」,應先將微觀缺陷分類(點缺陷、線缺陷/差排、體積缺陷/孔隙)。接著從「熱處理」與「製程控制」的角度切入,舉出針對不同缺陷的對應工程方法,並以「結構決定性質」的邏輯簡述其原子擴散或塑性變形機制,以確保拿到完整的分數。

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【破題】在材料工程中,微觀缺陷(如空位、差排、內部孔隙)可透過適當的熱處理與製程控制來消除或減少。以下提出三種常見且針對不同缺陷的工程方法: 一、退火處理 (Annealing) 主要用於減少線缺陷(差排)與巨觀殘餘應力。將經過冷加工的材料加熱至適當溫度並持溫,提供原子足夠的熱能進行擴散。材料會依序經歷回復 (Recovery)、再結晶 (Recrystallization) 及晶粒成長階段,藉由生成無應變的新晶粒,大幅降低材料內部的差排密度。

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