第一講薄膜與高新技術(shù)

第一講

薄膜與高新技術(shù)薄膜的定義和特性薄膜與高新技術(shù)薄膜的分類本講內(nèi)容1.1薄膜的定義薄膜的定義和特性1.1薄膜的定義薄膜—thinfilm，layer,coating,foil

當(dāng)固體或液體的一維線性尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的其他二維尺度時(shí)厚度定義：膜層無基片而能獨(dú)立成形的厚度

---薄膜厚度上限，與材料的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)功能定義：與具體研究的性能有關(guān)薄膜的定義1.1薄膜的定義薄膜固體薄膜液體薄膜

厚膜(>1m)薄膜(<1m)納米薄膜本課程關(guān)注的僅是沉積在固體表面上的固態(tài)薄膜Langmuir-BlodgettfilmsSAMFETRef:Schon,etal.,natureVol.413,pp.7132001Self-AssembleMonolayerOthers…..薄膜的特性薄膜材料有一個(gè)最為顯著的優(yōu)點(diǎn):在保留基體材料原有特性的同時(shí)賦予其多種優(yōu)良特性.金屬+陶瓷膜塑料+金屬膜輕金屬+超硬薄膜

既有剛性又耐磨絕緣材料金屬化(導(dǎo)電薄膜)實(shí)現(xiàn)汽車等的輕量化……正是由于這些特點(diǎn)，在工業(yè)上得到了廣泛地應(yīng)用硬質(zhì)耐摩陶磁薄膜高靭性、高強(qiáng)度金屬基體高機(jī)能材料這解決了許多難題,使以前矛盾的不可兼有的特性可以同存一體薄膜的特性用料少，經(jīng)濟(jì)方面考慮新的效應(yīng)新的材料容易實(shí)現(xiàn)多層膜薄膜和基片的粘附性薄膜的內(nèi)應(yīng)力缺陷1.薄膜所用原料少，容易大面積化，而且可以曲面加工。例：金箔、飾品、太陽能電池，GaN，SiC，Diamond2.新的效應(yīng)某一維度很小、比表面積大例：極化效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)、限域效應(yīng)、耦合效應(yīng)類金剛石薄膜……………最具工業(yè)應(yīng)用前景最熱門話題最具魅力的薄膜材料DLC(Diamondlikecarbon)

特點(diǎn)□因其具有非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)表面極其平滑□摩擦系數(shù)很低(空氣中約0.1)具有極好的潤滑性

□高硬度(HV3000～5000)高耐磨性□絕緣膜金剛石石墨類金剛石薄膜(DLC)是工具、模具及摩擦運(yùn)動零部件表面改性的理想材料DLCcoatedamagneticthin-filmdiskLiquidlubricant1-2nmDLC10-30nmMagneticcoating25-75nmAl-Mg/10mNiPorGlass-ceramic0.78-1.3mmThesurfaceofstretched(12%)videotapewithDLC-layerwithathicknessof30nm.Thesurfaceofstretched(12%)videotapewithoutDLC-layer.PhotoluminescencespectraofaseriesofGaN/AlxGa1-xNdoubleheterostructures(DH’s),Phy.RevB,57,R9435(1998)可以通過改變薄膜的厚度或者外加偏壓來調(diào)節(jié)發(fā)光的波長表面和界面效應(yīng)：表面態(tài)和界面態(tài)改變?nèi)毕菽芗壣系碾娮臃植加绊懝怆娺^程限域效應(yīng)出現(xiàn)亞能帶，d較小時(shí)產(chǎn)生能隙通過退火控制帶隙Science，306，1915（2004）Tc(blacksoliddots)andthedensityofstates(redstars)asafunctionofPbfilmthicknessMgO/ZnO多層膜耦合效應(yīng)MgO~1.0nm，ZnO層厚度分別為：0.75nm1.25nm2.0nm2.5nmAppl.Phys.Lett.83,2010(2003)3.可以獲得常態(tài)下不存在的非平衡和非化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)Diamond:工業(yè)合成,2000℃，5.5萬大氣壓,CVD生長薄膜:常壓，800度.MgxZn1-xO:體相中Mg的平衡固溶度為0.04,PLD法生長的薄膜中，x可0~1.a-Si1-xNx:H4.容易實(shí)現(xiàn)多層膜多功能薄膜：太陽能電池超晶格：GaAlAs/GaAs5.通常存在大量的缺陷ChemicalVaporDeposition(CVD)Molecularbeamepitaxy(MBE)，MetalorganicChemicalVaporDeposition(MOCVD)濺射、蒸發(fā)、微波、熱絲、sol-gel、電沉積基板溫度越低，點(diǎn)缺陷和空位密度越大成核取向不一樣薄膜與高新技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)采集、處理信息及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，都需要數(shù)量巨大的元器件、電子回路、集成電路等。而薄膜技術(shù)是制作這些元器件、電子回路、集成電路的基礎(chǔ)。

互聯(lián)網(wǎng)與薄膜技術(shù)接近人類步行方式、能表現(xiàn)感情的機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，薄膜起著舉足輕重的作用。

PDP－等離子壁掛電視制作PDP的關(guān)鍵是在對角線1m以上大尺寸玻璃板表面形成數(shù)以百萬計(jì)的放電胞。PDP－等離子壁掛電視放電胞的節(jié)距一般為200~400m，胞間障壁寬度為50m，高150m。匯流電極由透明導(dǎo)電膜作成，選址電極由Cr-Cu-Cr、Cr-Al、Ag膜作成。為保證電極壽命，需要在前玻璃基板表面涂敷MgO保護(hù)膜。要制作這些電極及各種膜層，顯然離不開薄膜技術(shù)及微細(xì)加工技術(shù)。發(fā)展迅猛的TFT-LCD薄膜晶體管（TFT）與顯示像素一個(gè)像素的大小大致在數(shù)十微米，薄膜晶體管的特征尺寸一般為3~5m。制作TFT需要在玻璃基板上形成非晶硅或多晶硅半導(dǎo)體膜，還要形成源極、柵極、漏極，每個(gè)像素都要有共用電極和顯示電極(ITO膜)。此外還需要產(chǎn)生RGB三原色的濾色膜等。所有這些都離不開薄膜技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)。發(fā)展迅猛的TFT-LCDTFT-LCD制成品中的一個(gè)顯示像素近年來，TFT-LCD在提高輝度、增大視角、提高圖像分辨率、響應(yīng)速度及增大畫面尺寸等方面都獲得突破。作為平板顯示器的代表，液晶顯示器在便攜類產(chǎn)品（包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等)、筆記本電腦、監(jiān)視器、家用電視及超大屏幕顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用正迅猛擴(kuò)展。生物計(jì)算機(jī)與薄膜技術(shù)科技前沿課題之一：制作與人類大腦相近的記憶（存儲）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工智能。關(guān)于記憶，己由硅半導(dǎo)體等構(gòu)成的存儲器來實(shí)現(xiàn)。但到目前為止，還未達(dá)到具有創(chuàng)造能力和人工智能的水平。目前，科學(xué)工作者正通過小鼠及兔子的小腦等神經(jīng)細(xì)胞的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能。進(jìn)行這項(xiàng)研究，離不開薄膜技術(shù)。生物計(jì)算機(jī)與薄膜技術(shù)若在平面上（阱中）培養(yǎng)，神經(jīng)纖維會向四面八方伸出。在溝槽的位置，神經(jīng)纖維會在溝槽中生長。這樣，隨著神經(jīng)纖維沿溝槽生長，神經(jīng)細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)接觸、連接，進(jìn)而形成回路網(wǎng)絡(luò)。利用薄膜技術(shù)在石英板上制作150m見方的阱（well）以及連接阱的10m深的溝槽，再在阱中放置大白鼠腦的海馬神經(jīng)細(xì)胞。7天培養(yǎng)后，神經(jīng)細(xì)胞的生長情況生物計(jì)算機(jī)與薄膜技術(shù)采用熒光顯微鏡對細(xì)胞①、②、③、④內(nèi)的鈣離子濃度進(jìn)行了觀察。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中標(biāo)有①－④位置的亮度，大致以10s左右為周期，發(fā)生周期性變化，說明細(xì)胞是有生命活動的。隨著這種生物計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高度的智能化已不是夢想。正在進(jìn)展中的人造大腦4Gb的集成電路需要在大約1·5cm見方的芯片上，制作40億個(gè)三極管及其他元件，決定其最小加工尺寸的三極管柵長為0·1m。若將其擴(kuò)大1萬倍，相當(dāng)于在150m見方，即足球場那么大的廣場上，布置40億個(gè)1mm見方的三極管，且其定位精度要保證在0·3mm以下，可以想象難度有多大。然而，采用薄膜技術(shù)就能勝任。微機(jī)械使重癥患者起死回生由多種部件構(gòu)成極微小型的微電子機(jī)械系統(tǒng)(microelectronicsmechanicalsystem，MEMS)：超微型馬達(dá)加上各種各樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（傳感器、流量計(jì)、泵、x、y、z三維方向的微動系統(tǒng)、計(jì)測器等）。直徑1mm，長2mm中心轉(zhuǎn)子直徑50m，整體為0.1mm見方微機(jī)械使重癥患者起死回生利用薄膜技術(shù)等制作出各種各樣的超小型手術(shù)微機(jī)械，將其置于微密封艙（capsule）中，送入血管及內(nèi)臟中，靠外部監(jiān)控導(dǎo)入患部，完成手術(shù)并返回。在微密封艙中，裝有與外部通信聯(lián)絡(luò)、相當(dāng)于人的眼睛和耳朵的傳感器等，以及十分完善的手術(shù)系統(tǒng)。這為完成動脈硬化、腦血栓等手術(shù)開辟了光明的前景，這種微機(jī)械有望挽救重癥患者的生命。實(shí)現(xiàn)MEMS的薄膜與微細(xì)加工技術(shù)小圓鏡：背面電極加有正、負(fù)電壓時(shí)，發(fā)生相應(yīng)的左、右傾斜（靜電驅(qū)動）。小圓鏡的傾斜頻率極快，可達(dá)每秒3000次。通過該鏡可使激光等反射，對目標(biāo)物表面進(jìn)行快速掃描，進(jìn)行表面計(jì)量等。激光加工機(jī)中也采用這種靜電型二維掃描儀。靜電型二維掃描儀：大?。?.3mml.3mm；中間小圓鏡：直徑500m。實(shí)現(xiàn)MEMS的薄膜與微細(xì)加工技術(shù)微型多反應(yīng)器：在45mm28mm的小型匹配箱中，設(shè)置96個(gè)大小為2mm2mm，深0.5mm的小型生化反應(yīng)器。各個(gè)反應(yīng)器可以在室溫到100C范圍進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，總體上可以設(shè)定數(shù)百種反應(yīng)條件。其溫度監(jiān)測采用的是薄膜溫度傳感器。這種小型反應(yīng)器可廣泛應(yīng)用于生化反應(yīng)研究。例如，為了解細(xì)胞分裂等生化反應(yīng)的動態(tài)過程，可在透射光照射下進(jìn)行在線觀測。實(shí)現(xiàn)MEMS的薄膜與微細(xì)加工技術(shù)高精細(xì)噴墨打印機(jī)：可對數(shù)碼相機(jī)等拍攝的照片等進(jìn)行高分辨率打印，清晰光潔。關(guān)鍵是打印頭：在每一毫米的長度上，大約分布有30個(gè)打印孔，制作這種打印頭離不開薄膜及超微細(xì)加工技術(shù)。墨汁由供墨口進(jìn)入，由噴墨口噴出，并在紙上印刷。高質(zhì)量印刷的關(guān)鍵是噴墨口的大?。褐睆酱蠹s為10m。

薄膜制作簡介薄膜制作簡介真空蒸鍍法（evaporation）：將被蒸發(fā)材料（鍍料）置于坩鍋中，通過加熱使鍍料熔化蒸發(fā)，蒸發(fā)的鍍料則以分子或原子狀態(tài)飛出，沉積在溫度相對較低的基板上，形成薄膜。薄膜制作簡介在基板上加有負(fù)電壓，這樣，在薄膜沉積的同時(shí)伴隨有加速離子的碰撞轟擊。離子鍍中鍍料蒸氣射入基板時(shí)所帶的能量可以達(dá)到真空蒸鍍時(shí)的數(shù)萬倍，由此為改善膜層的各種特性提供了可能性。離子鍍（ionplating）：在坩鍋和基板之間，通過不同方式（圖中所示為直流二極方式）產(chǎn)生等離子體，鍍料蒸氣通過該等離子體時(shí)被部分離化。薄膜制作簡介薄膜制作簡介飛出的原子或分子沉積在與靶對向放置的基板上，形成薄膜。通常，由靶表面飛出的被濺射原子或分子的速度是蒸鍍原子的50倍左右。濺射鍍膜法（sputtering）：利用氣體放電等離子體中產(chǎn)生的離子（通常為氫離子），轟擊鍍料靶的表面，產(chǎn)生濺射現(xiàn)象，使靶表面的原子或分子被碰撞飛出。薄膜制作簡介由于CVD利用的是基板表面發(fā)生的反應(yīng)，反應(yīng)氣體也能浸透到深孔等內(nèi)部，因此在表面形狀復(fù)雜的工件上也能均勻成膜?；瘜W(xué)氣相沉積法（chemicaIvapordeposition,CVD）：將含有欲成膜元素的氣體，輸運(yùn)至被加熱到幾百度高溫的基板表面，通過熱分解、氧化、還原、置換等化學(xué)反應(yīng)，析出所需要的成分并沉積成薄膜。原子的人工組裝薄膜技術(shù)的未來目標(biāo)之一:在物體上所希望的位置，去除不需要的原子，或安裝所希望的原子，通過原子的人工組裝實(shí)現(xiàn)超高密度器件。原子的人工組裝掃描隧道顯微鏡（scanningtunnellingmicroscope,STM）： ————可實(shí)現(xiàn)原子的人工組裝采用金屬尖探針（tip），使其與樣品接近到1~2nm的程度。這一距離是tip與樣品原子的電子云相重疊的距離。在tip和樣品之間施加微小電壓，就能流過微小電流（nA級）。保持該電流一定，即保持tip表面與樣品表面的距離一定，使tip在x、y、z方向移動，即沿樣品表面掃描。tip尖端按圖中所示進(jìn)行掃描，就可以探知表面原子的位置和排布。原子的人工組裝掃描隧道顯微鏡（scanningtunnellingmicroscope,STM）： ————可實(shí)現(xiàn)原子的人工組裝tip和樣品之間施加略高些的電壓：在tip電場作用下，樣品一側(cè)的原子受tip吸引，脫離樣品表面。若將tip向預(yù)定的場所移動，再施加相反方向的電壓，則被移動的原子脫離tip尖端，落到所定的位置，由此實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的移動。原子的人工組裝STM人工操作原子實(shí)例碳納米管和富勒烯碳納米管（carbonnano-tube,CNT）和富勒烯是納米材料的典型碳納米管（CNT）和富勒烯CNT的用途廣泛替代銅線；生產(chǎn)超強(qiáng)度纖維：目前已知最強(qiáng)的纖維是蜘蛛絲，其強(qiáng)度是鋼鐵的5倍，由CNT制作的纖維堪與極強(qiáng)的蜘蛛絲相嫡美；制作“太空梯”的纜繩；在CNT上外加電壓，其端部會發(fā)射電子。將數(shù)百萬根CNT并排布置成平面狀，可構(gòu)成平板顯示裝置；可制作太陽能電池；CNT還有半導(dǎo)體特性，若能形成三極管及布線等，則有可能制成新的元器件。在計(jì)測系統(tǒng)中采用CNT，可提高系統(tǒng)的性能和計(jì)測精度。燃料電池的電極若采用CNT，其輸出功率可提高20％。薄膜的分類電學(xué)薄膜光學(xué)薄膜保護(hù)膜有機(jī)分子膜裝飾用膜、包裝膜電學(xué)薄膜：半導(dǎo)體器件與集成電路中的導(dǎo)電材料與介質(zhì)薄膜材料：

Al、Cr、Pt、Au、Cu、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3超導(dǎo)薄膜：YBaCuO、BiSrCaCuO、TlBaCuO光電子器件中使用的功能薄膜：

GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H、a-SiGe:H,a-SiC:H等晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜薄膜傳感器：可燃性氣體傳感器SnO2、氧敏傳感器ZrO2、熱敏傳感器Pt,Ni,SiC、離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5薄膜電阻、電容、阻容網(wǎng)絡(luò)與混合集成電路，低電阻率：Ni-Cr，高電阻率:Cr-SiO、薄膜電容：Zn，Al薄膜太陽能電池:

非晶硅、微晶硅、CuInSe2,CdTe平板顯示器件：液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯示ITO透明電極，ZnS:Mn發(fā)光膜表面聲波器件薄膜：diamond、ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件磁記錄薄膜與薄膜磁頭：CoCrTa、CoCrNi、FeSiAl、巨磁阻材料靜電復(fù)印材料：Se-Te、SeTeAs、a-Si光學(xué)薄膜：減反射膜：相機(jī)、攝像機(jī)、投影儀、望遠(yuǎn)鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3，紅外設(shè)備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO反射膜：太陽能接收器、鍍膜反射鏡、激光器用的高反射率膜分光鏡和濾波片：如彩色擴(kuò)印設(shè)備上鍍膜玻璃：建筑、汽車隔熱光存儲薄膜：光盤、唱片：Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo集成光學(xué)元件與光波導(dǎo)中的介質(zhì)薄膜與半導(dǎo)體薄膜保護(hù)膜：硬質(zhì)膜：刀具、磨具表面的TiN，TiC，金剛石、C3N4，c-BN耐腐蝕膜：非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗熱腐蝕的NiCrAlY等潤滑膜：MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni，Au，Ag，Pb薄膜材料研究現(xiàn)狀新型半導(dǎo)體薄膜：GaN，SiC，ZnO，diamond，GeSi，a-Si:H

改進(jìn)工藝，降低成本，研究新的應(yīng)用超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4，

BCN納米薄膜材料超晶格和量子阱薄膜無機(jī)光電薄膜材料：III-V，II-VSpintronics薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜

ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn有機(jī)薄膜微電和光電材料（OLED） 需要提高效率和可靠性High-K、Low-K材料更快的速度、更高的集成度、更低的能耗，含氟氧化硅、HfO2、ZrO2

高溫超導(dǎo)和巨磁阻薄膜材料可以賦予基體材料多種多樣的物理、化學(xué)、光、電、磁等特性,這種具有各種特殊性質(zhì)的薄膜材料常被稱為功能薄膜材料。力功能薄膜材料

（超硬薄膜材料超潤滑薄膜材料）磁功能薄膜材料

（高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料）光功能薄膜材料

（紅外反射薄膜材料隱身薄膜材料）電功能薄膜材料

（超導(dǎo)薄膜材料）功能薄膜材料功能薄膜材料薄膜材料同時(shí)還是納米材料的一個(gè)重要分支,是目前材料領(lǐng)域的一個(gè)異?；钴S的研究方向.納米的含義nano10億分之一1納米10億分之一米

人頭發(fā)的截面積50000納米人類的眼睛(不借助其它儀器)可見的最小尺寸斷面10000納米10個(gè)H原子排列成一排1納米納米薄膜材料納米科學(xué)----研究至少在一維方向上其尺度在1~100納米的分子和組織的基本原理納米結(jié)構(gòu)----至少在一維方向上其尺度在1~100納米的分子和組織組成的結(jié)構(gòu)納米技術(shù)-----將納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于有用的納米尺度器件的技術(shù)雖然都很小但不同于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)：1000~1000000納米納米尺度器件：1~100納米薄膜材料