薄膜物理與技術

會計學1薄膜物理與技術課件薄膜的性質第三是對材料科學的貢獻。薄膜技術本身屬于非平衡過程，與通常的材料的熱平衡制備法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明顯。雖然這種非平衡過程也有缺點，但可以制備普通相圖中不存在的物質。這些都是很突出的優(yōu)點。在研究物性時，發(fā)現(xiàn)物體的大小會對物性產生影響。這種效應稱為尺寸效應。在粉末、微粒子等狀態(tài)中也發(fā)現(xiàn)有這種效應。第1頁/共22頁薄膜的性質

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熔點降低

★干涉效應

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表面散射

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平面磁化各向異性

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表面能級

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量子尺寸效應對于薄膜來說．在厚度這一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質的連續(xù)性發(fā)生中斷，由此對薄膜性質產生各種各樣的影響。第2頁/共22頁薄膜的性質——熔點降低★熔點降低在此考慮半徑為的固體球?？紤]此球與其外側相（液體）的界面能，求塊體(buk)材料熔點和小球熔點之間的關系。設：固-液相間的界面能為固體的熔解熱為熔解過程中熵的變化固體的密度為第3頁/共22頁薄膜的性質——熔點降低當質量為的物質熔化變?yōu)橐后w．球的表面積產生的變化，其熱力學平衡關系式如下：對于體材料：將，代入上式，得到半徑越小，越低。第4頁/共22頁薄膜的性質——熔點降低

以Pb為例：當時，當時，盡管上述討論是固體-液體系統(tǒng)，對于固體-氣體系統(tǒng)仍有所謂薄膜越薄熔點越低的結論。第5頁/共22頁薄膜的性質——干涉效應★干涉效應從歷史上看，在與薄膜尺寸效應相關的性質中，最早開始研究的性質是薄膜對光的干涉效應。置于空氣中的薄膜對光的干涉效應，可根據(jù)斯奈爾折射定律和菲涅耳公式進行推導和計算。但是，要考慮薄膜內部的多重反射效應，其計算結果是相當復雜的，下面以由單層透明薄膜和透明基片組成的系統(tǒng)為例，給出垂直入射時反射率的公式，這是研究更復雜系統(tǒng)的基礎。透射率可由反射率直接計算。第6頁/共22頁薄膜的性質——干涉效應空氣的折射率單層膜的折射率單層膜的膜厚基片的折射率空氣—薄膜交界面的振幅反射率空氣—薄膜交界面的振幅透射率薄膜—基片交界面的振幅反射率薄膜—基片交界面的振幅透射率薄膜內光的位相變化假設：第7頁/共22頁薄膜的性質——干涉效應

對特定波長的反射率為與薄膜系統(tǒng)的折射率和薄膜內相位的變化有關。相位的變化為，由此可以確定薄膜厚度。m為正整數(shù)在此條件下，有反射停止條件第8頁/共22頁薄膜的性質——干涉效應布拉格反射器應用廣泛。原理：層狀介質結構的反射率既取決于材料的折射率，又取決于層狀結構的周期性。當足夠大時，反射率趨于1。第9頁/共22頁薄膜的性質——干涉效應增透膜，高反膜，干涉濾光膜等第10頁/共22頁薄膜的性質——表面散射★表面散射研究薄膜表面對電子輸運影響的最完整的理論是Sondheimer建立的，該理論描述了關于表面以及尺寸效應對電導的影響。

Sondheimer假定，在和表面相碰撞的電子中，發(fā)生彈性碰撞的幾率（），發(fā)生非彈性碰撞的幾率為()。在這種邊界條件下，求解關于電子分布的波耳茲曼方程，并計算出分布函數(shù)。第11頁/共22頁薄膜的性質——表面散射在線性響應范圍，即歐姆定律成立的范圍。電子散射的弛豫時間，電場方向在膜表面之內，并取電場的方向為方向，與膜表面垂直的方向為

方向，分布函數(shù)

為：在方向的電流密度和分布函數(shù)之間的關系為式中，e為電子電量，m為電子質量，h為普朗克常數(shù)。積分范圍是在速度空間的全部體積內進行。第12頁/共22頁薄膜的性質——表面散射式中，為薄膜厚度，為膜厚無窮大時電子的平均自由程。為膜厚無窮大時的電導率。在的條件下，可以近似為即和1／d之間近似直線關系。在這里是至關重要的，表面散射的效應反映在中。這種效應也能從電阻溫度系數(shù)、霍耳系數(shù)、熱電能、電流磁場效應反映出來。第13頁/共22頁薄膜的性質——平面磁化各向異性★平面磁化各向異性鐵磁性薄膜內部的磁化方向，一般都位于膜面之內。而且，在膜面內都有一個確定的磁化方向。這種性質稱為平面磁化各向異性。這種平面磁化產生的原因，是由于退滋場引起的靜磁能。設自發(fā)磁化的大小為，其方向與表面的夾角為，則退磁場可由下式給出第14頁/共22頁薄膜的性質——平面磁化各向異性退磁場產生的靜磁能為由于時，最??；時，最大。所以位于膜面之內的自發(fā)磁化是穩(wěn)定的狀態(tài)。

磁化軸指向某一方向的另外原因，一般認為是由薄膜內晶粒的形狀、內應力、磁致伸縮、以及沉積過程中磁場等因素所決定的。第15頁/共22頁薄膜的性質——平面磁化各向異性薄膜中的磁疇不能完全是單一的，往往會分成若干個磁疇。在磁疇與磁疇相交界的磁疇壁中，磁壁會逐漸地翻轉。如果薄膜的厚度小，這種翻轉也會在膜面內發(fā)生，這種磁疇壁稱為奈爾疇壁(Neelwall)；如果膜層很厚，磁化翻轉會在與膜面垂直的面內發(fā)生，這種磁躊壁稱為布洛赫疇壁(Blochwall)。第16頁/共22頁薄膜的性質——表面能級★表面能級這種計算方法的要點：在固體內部，描寫電子態(tài)的波函數(shù)是周期性波函效，而在固體外側，電子態(tài)的波函數(shù)是呈指數(shù)衰減的，使這兩個波函數(shù)平滑連接所得到的函數(shù)即為表面電子態(tài)波函數(shù)。在固體的表面，原子周期排列的連續(xù)性發(fā)生中斷。在這種情況下，電于波函數(shù)的周期性當然也要受到影響，Tamm和shockley把表面考慮在內計算了電子波函數(shù)。第17頁/共22頁薄膜的性質——表面能級由于該波函數(shù)產生了新的約束條件，因此，在完全按周期性條件求解的能隙中會出現(xiàn)幾個電子態(tài)能級，這種電子態(tài)能級稱為表面能級（表面電子態(tài)）。表面電子態(tài)是指局域在表面的電子態(tài)，其能量位于體材料能帶的禁帶中。由于固體中的電子相互作用極為復雜，通常采用近似方法。具體計算常采用固體物理中的研究單電子能帶的方法：近自由電子近似（NFE），Shockley能級緊束縛近似（TBA），Tamm能級徐亞伯著.表面物理導論.浙江大學出版社，1992.Pp212-231第18頁/共22頁薄膜的性質——表面能級表面態(tài)的數(shù)日和表面原子的數(shù)目具有同一數(shù)量級，象薄膜這種表面影響大的固體，表面能級數(shù)量會影響薄膜內的電子輸運狀況。特別是在半導體等載流子少的物質中，會產生很大的影響。第19頁/共22頁薄膜的性質——量子尺寸效應★量子尺寸效應傳導電子的德布羅意波長，在普通金屬中是幾個埃，在金屬鉍（Bi）中為幾百埃。在這些物質的薄膜中，由于電子波的干涉，與膜面垂直運動相關的能量將取分立的數(shù)值。由此會對電子的輸運現(xiàn)象產生影響，和德布羅意波的干涉相關連的效應一般稱為量