功能材料學(xué)教案功能薄膜材料和新型功能材料

17章功能薄膜材料薄膜材料〔根本上在微米甚至納米量級功能薄膜材料則是指那些在現(xiàn)的一些功能。因此，薄膜材料在高科技領(lǐng)域具有格外重要的地位。2070年月以來，薄膜材料和薄膜技術(shù)得到了突飛猛進的進展，無論在學(xué)術(shù)爭論上民經(jīng)濟的進展起到了巨大的推動作用。在這一章中，我們介紹一些重要的功能薄膜材料。導(dǎo)電薄膜高電路的集成度和工作性能均有很大的影響。下面我們介紹幾種常見的導(dǎo)電薄膜。金屬導(dǎo)電薄膜金屬薄膜按其熔點凹凸可分為低熔點薄膜和高熔點薄膜兩類。低熔點金屬薄膜。Au，Ag，CuAlAl膜的爭論和應(yīng)用較多。通常承受真空蒸鍍法制作Al膜，所用原材料純度在％以上，蒸鍍時的真空度高于5×10-3Pa。由于Al易與W，Mo，Ta等元素生成低熔點合金，故蒸發(fā)鋁使一般不使用W，Mo，Ta做坩堝。在集成電路工藝中，主要承受濺射法制備Al膜。高熔點金屬薄膜。V，Nb，Zr，Ti，Ta,，Cr，MoW等高熔點金屬薄膜。制造高所形成的W，Mo等高熔點金屬薄膜，一般為多晶構(gòu)造，薄膜多呈柱狀結(jié)晶構(gòu)造，晶粒尺寸隨基板溫度和熱處理溫度的上升而增大，同時薄膜的電阻率會漸漸變小。復(fù)合導(dǎo)電薄膜基體的附著性很差。因此，用金膜作為導(dǎo)電薄膜時，一般須先沉積一層其他金屬底層，然后上，而上層的導(dǎo)電薄膜則主要起導(dǎo)電作用。挨次濺射的方法，才能獲得所需要的復(fù)合導(dǎo)電薄膜。Cr-Au薄膜和NiCr-Au薄膜是目前用得最多的復(fù)合導(dǎo)電薄膜電子元件的互連線、單層薄膜電感器和薄膜電容器的上電極等。多晶硅薄膜重摻雜的多晶硅薄膜是替代Al膜作為集成電路的柵電極和互連線的薄膜材料。多晶硅薄膜經(jīng)氧化處理后，可在其外表生成優(yōu)良的SiO2薄膜，簡潔得到高純度的膜層。利用不同摻雜成分既可形成np制備多晶硅薄膜的方法很多，如真空蒸發(fā)、濺射、電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延等，都可用來沉積多晶硅薄膜。理溫度親熱相關(guān)。非摻雜多晶硅薄膜的電阻率很高，可達105Ω·cm，如摻雜濃度在1019cm-3以上，其電阻率就與單晶硅的電阻率〔10-2～103Ω·cm〕相近了。但多晶硅薄膜的導(dǎo)電性質(zhì)與單晶硅的有很大的不同，這主要是由于在多晶硅薄膜中存在著大量晶界。金屬硅化物薄膜阻率，約為多晶硅電阻率的l/10，而且高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移力量強，并可直接沉積在多晶硅上。因而，在超大規(guī)模集成電路中被廣泛用作導(dǎo)電薄膜。適用于集成電路的硅化物，必需具有電阻率低，易刻蝕，可氧化，機械穩(wěn)定性好，與Al不易發(fā)生反響等性質(zhì)。常用的硅化物有NbSi，PtSi，PdSi〔硅化鈀〕和NiSi等。2 2 2制備硅化物的方法有共濺射、共蒸發(fā)、分子束外延、化學(xué)氣相沉積等?？梢允紫刃纬晒韬徒饘俚亩鄬訕?gòu)造，再經(jīng)過退火處理，即可形成硅化物薄膜。透亮導(dǎo)電薄膜光范圍還有很高的反射性的薄膜材料在金屬膜中有Au，Ag，Cu，Pt，Al，Cr等；在氧化物膜中有InO，SnO

，ZnO，CdO等；2 3 2在非氧化物膜中有Cu2S，CdS，ZnS，LaB，TiN，TiC，ZrN，ZrB

等。透亮導(dǎo)電薄膜由于6 2具有透光性，在電子、電氣及光學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在玻璃襯底上制備透亮導(dǎo)電膜的方法有噴霧法、涂覆法、浸漬法、化學(xué)氣相沉積法、真法的襯底大多承受聚酯薄膜。另外，在塑料襯底上也可承受各種濺射方法來制備薄膜。光學(xué)薄膜反射膜、偏振膜、分光膜、干預(yù)濾光膜等。近代激光技術(shù)的進展，又為光學(xué)薄膜的研制和應(yīng)用開拓了的領(lǐng)域?？捎米鞴鈱W(xué)薄膜的材料很多，不下百余種，有化合物光學(xué)薄膜、半導(dǎo)體光學(xué)薄膜、金屬有氧化物、氟化物、硫化物和半導(dǎo)體材料等類型。防反射膜折射率為的光學(xué)玻璃對于垂直于入射光的反射率大約為4％，在具有大量光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)中，存在著很多空氣/玻璃界面，玻璃的這種反射損耗累積起來，會使得光學(xué)系統(tǒng)的透射率明顯降低。在折射率較大的半導(dǎo)體中，反射損耗也很大。例如，在折射率約為4的Ge36％。為了減小反射損耗，增大光學(xué)元件的透光率，通常承受在光學(xué)元件上沉積防反射膜〔增透膜〕的方法，常見的有單層、雙層或多層反射膜。中應(yīng)直接監(jiān)視并掌握膜的反射率和透射率，在反射率到達最小時即停頓鍍膜。吸取膜對太陽光吸取較多，同時由自身熱輻射所引起的損耗又比較小的吸取材料。太陽光譜的峰值約在波特長，全部能量的95％以上集中在～2μm之間。在攝氏幾百度的溫度下，黑體的熱輻射主要集中在2～20μm的紅外波段。太陽輻射光譜與黑體的熱輻射光譜在波段上存在的這種差異，為我們充分利用太陽能供給了理論依據(jù)?？梢姽獠ǘ挝÷蚀螅跓彷椛渥顝姷募t外光波段輻射率小。導(dǎo)體薄膜的吸取端波長應(yīng)在l～3μm之間，才能根本上掩蓋太陽輻射光譜。當太陽光波的波有的高反射率。常用于光學(xué)吸取膜的半導(dǎo)體主要有Si，Ge和PbS等，它們在可見光波段的反射損耗偏大，吸取特性不夠抱負。降低半導(dǎo)體反射率的措施有〔〕過干預(yù)效應(yīng)來降低反射率〔〕在半導(dǎo)體層上再沉積一層防反射膜〕使半導(dǎo)體外表形成多孔構(gòu)造，利用多重反射的方法，使反射率降低。圖5 太陽輻射光譜與黑體輻射光譜薄膜光波導(dǎo)光波導(dǎo)就是一種將光波封閉在肯定截面的透亮媒質(zhì)內(nèi)使光波沿軸向傳播的光學(xué)器件。光纖就是一種常見的光波導(dǎo)器件。單晶襯底有LiNbO，A1O，SiO

等氧化物介電體單晶以及GaAs，InP，Si等半導(dǎo)體單晶。3 2 3 2單晶光波導(dǎo)薄膜通常承受各種外延方法〔氣相、液相、分子束外延、有機金屬化學(xué)氣相法等〕制備。而多晶以及非晶態(tài)光波導(dǎo)薄膜通常承受真空蒸鍍和濺射等方法制備。磁性薄膜單晶態(tài)磁性薄膜K1的數(shù)值越大，說明其完全單晶化程度越高。例如，在NaCl單晶的〔100〕解理面上通過外延法制取的Ni薄膜，其K1值具有明顯的各向異性，這說明所獲得的薄膜是單晶薄膜。在MgO的〔100〕1解理面上制取的Ni單晶薄膜，Ni膜的K1

值會隨著鍍膜時基體溫度的增加而增加，也說明，其單晶化程度的增大。過真空蒸鍍法進展外延生長。非晶態(tài)磁性薄膜可以利用電鍍、電解方法制備Co-P膜、Ni-P膜、Co-Ni-P膜等非晶態(tài)磁性薄膜。磁泡分成很多小區(qū)域，在同一個小區(qū)域中，磁化矢量的方向是一樣的，這樣的小區(qū)域稱為磁疇。不是由一個磁疇的方向突然變到另一個磁疇的方向的。也就是說，在磁疇和磁疇之間存在著過渡區(qū)，這種過渡區(qū)稱為疇壁。外形，由一些明暗相間的條狀疇構(gòu)成，明與暗兩種條塊的面積大體相等，如教材254頁圖17-6〔a〕所示。假設(shè)明疇中的磁化方向是垂直于膜面對下的，而暗疇中的磁化方向就是垂HHB那么，隨HB增大，明疇的面積漸漸增大，而暗疇的面積則會漸漸減小，局部暗疇還會變成一段一段的段疇，如圖17-6〔b〕中所示。當HB增加到某一值時，段疇縮成圓形的磁疇，見圖17-〔。這些圖形的磁疇看起來很像是一些圓形的小泡泡，故被稱為磁泡。從垂直于膜面的方始終看，磁泡是圓形的，但實際上磁泡是圓柱形的。在磁泡區(qū)域中，磁化方向與外磁場HB相反。假設(shè)增加HB，則磁泡的直徑將減小。HB增加到某一數(shù)值時，磁泡還會突然消逝。6磁泡的形成過程在形成磁泡以后，假設(shè)保持HB不變，則磁泡是很穩(wěn)定的。也就是說，已經(jīng)形成的磁泡“有磁泡”和“沒有磁泡”是兩個穩(wěn)定的物理狀態(tài)。這一特性使其可用來存貯二進制的數(shù)字信息。用磁泡來存貯信息的技術(shù)稱為磁泡技術(shù)。中形成。而且還要求材料的缺陷盡量少，透亮度盡量高，磁泡的遷移速度要快，材料的化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能要好。滿足這些要求的材料有六方鐵氧體、氟化鐵、硼酸鐵和尖晶石等。磁泡材料主要通過外延法的常用方法。18章型功能材料智能功能材料智能功能材料智能材料IntelligentMaterial。所謂智能材料就是同時具有感知功能、推斷功能和執(zhí)行功能的一種材料。感知、推斷和執(zhí)行是智能材料必需具備的三個根本要素。還可順應(yīng)環(huán)境。也就是說，智能材料應(yīng)具有應(yīng)付環(huán)境條件變化的特性，如自診斷、自修復(fù)、路技術(shù)啟迪而構(gòu)思的一種融合型材料。的融合材料，故可把它作為智能材料的藍本。金屬系智能材料目前仍是現(xiàn)代工業(yè)中主要的構(gòu)造材料?？紤]到航空、宇航和原子能等尖端領(lǐng)域今后的進展，給包括金屬在內(nèi)的構(gòu)造材料增加智能功能就顯得極為重要。的話，那么在確保構(gòu)造物的牢靠性和使用安全性方面無疑是極其有益的。約1μm大小的微小空穴，其疲乏極限也不會降低。因而可以通過在1μm尺寸的微小空穴內(nèi)中所含的成分自動析出并填充裂紋間隙來實施自修復(fù)。性能惡化時，借助顏色、聲音、電信號等感知這些現(xiàn)象的自我診斷功能；二是利用應(yīng)力誘發(fā)相變使應(yīng)力集中緩和的自修復(fù)功能。料爭論中具有重要的潛在價值。無機非金屬系智能材料智能陶瓷種智能陶瓷。在高電壓雷擊時，氧化鋅變阻器可失去電阻，使雷擊電流旁路入地，該電阻可自動恢復(fù)。鈦酸鋇PTC熱敏電阻在120℃左右的相變溫度下，消滅電阻的極大變化，從而-PTC的電阻-非線性效應(yīng)，因而能作為所謂的候補保護元件。智能窗性，這種玻璃窗稱為智能窗。〔或吸取筑、運輸及電子等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。高分子系智能材料pH值、溫度的不同以及電刺激和光輻照不同而產(chǎn)生體積變化的一種響應(yīng)性。體材料，則其可依據(jù)病灶所引起的化學(xué)物理變化，自動掌握藥物釋放的通-斷特性。如具有血糖濃度響應(yīng)特性的胰島素釋放體系可有效地把糖尿病患者的血糖濃度維持在正常水平。梯度功能材料梯度功能材料概念屬具有強度高、韌性好等優(yōu)點，但在高溫順腐蝕環(huán)境下卻難以勝任。而陶瓷具有耐高溫、抗很大的熱應(yīng)力，引起剝離、脫落，造成材料的破壞。梯度功能材料〔FunctionallyGradientMaterials，簡稱FGM.〕的爭論開發(fā)，最早始于日本〔1987年。所謂梯度功能材料，就是在所選擇的兩種不同性能的材料之間，承受先進的復(fù)合材料的顯著特點是抑制了兩材料結(jié)合部位的性能不匹配因素同的功能。雖然FGM的最初目的是通過梯度化結(jié)合金屬和超耐熱陶瓷來解決航天飛機的寵保護問題。但隨著FGM的爭論和開發(fā)，其用途已擴大到核能源、電子、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，其組成也由金屬-陶瓷進展成為金屬-合金、非金屬-非金屬、非金屬-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多種組合，種類繁多，應(yīng)用前景格外寬闊。梯度功能材料的制備對梯度功能材料必需實行有效的制備技術(shù)來保證，下面是已開發(fā)的梯度材料制備方法?；瘜W(xué)氣相沉積法兩種氣相原料被輸送到反響器中進展均勻混合上。該方法的特點是通過調(diào)整原料氣流量和壓力來連續(xù)掌握轉(zhuǎn)變金屬-陶瓷的組成比。物理蒸發(fā)法通過物理法使鍍膜材料加熱蒸發(fā)而在基板上成膜。等離子噴涂法承受多套獨立或一套可調(diào)組分的噴涂裝置FGM材料。承受該法制備FGM材料，須對噴涂壓力、噴射速度及顆粒粒度等參量進展嚴格掌握。顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法又分顆粒直接填充法和薄膜疊層法兩種末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，可獲得具有緩和熱應(yīng)力性能的梯度功能材料。自集中高溫合成法利用粉末間化學(xué)放熱反響產(chǎn)生的熱量和反響的自傳播性使材料燒結(jié)并合成。梯度功能材料的應(yīng)用FGM最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是航天工業(yè)，在其他領(lǐng)域也有著寬闊的應(yīng)用前景，見表。功能復(fù)合材料瓷材料、玻璃、碳質(zhì)材料等之間進展復(fù)合。聚合物基功能復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料質(zhì)地輕、強度高、耐腐蝕、隔熱吸音、設(shè)計和成型自由度大，被廣泛用于航空航天、船舶與車輛、建筑工程、電器設(shè)備、化學(xué)工程以及體育、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。導(dǎo)電復(fù)合材料出導(dǎo)電復(fù)合材料，參加聚合物基體中的這些添加材料可分為兩類——增加劑和填料。增加材料中用的較多的是碳纖維。點，其參加量為5％~2030％~40％。選擇不同材質(zhì)、不同含量的增加劑和填料，可獲得不同導(dǎo)電特性的復(fù)合材料。透光復(fù)合材料最早成功開發(fā)的是無堿玻璃纖維增加不飽和聚酯型透光復(fù)合材料復(fù)合材料透紫外光力量差、耐光老化性不好。為此，美國、日本等又先后開發(fā)了有堿玻璃纖明顯改進。隱身復(fù)合材料隨著電磁波探測、紅外探測技術(shù)日月異的進展，給作戰(zhàn)用的飛機、、艦艇、坦克料〔主要為鐵氧體〕和貼片〔為橡膠、塑料和陶瓷。日本研制的一種寬頻高效吸波涂料是由電阻抗變換層和低阻抗諧振層組成的雙層構(gòu)造。其中變換層是鐵氧體和樹脂的混合物以到達隱身目的。涂料中的粘合劑、填料〔形態(tài)、大小、構(gòu)造、涂層的厚度與構(gòu)造都直接影響到紅外隱身效果。壓電復(fù)合材料體后亦有壓電性。但由于必需經(jīng)拉伸、極化，材料剛度增大，難于制成簡單外形，并且具有較強的各向異性。這兩類壓電材料都具有壓電性能好，但加工性能差的弱點。酸鋯與聚偏二氟乙烯或聚甲醛復(fù)合而得到壓電復(fù)合材料其他性能具有可設(shè)計性，可以同時實現(xiàn)多種功能，這是一般壓電材料所無法比較的。金屬基功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的進展歷史雖然要比聚合物基復(fù)合材料晚能好、層間剪切強度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電、不吸濕、尺寸穩(wěn)定性好、使用溫度范圍寬、耐磨損等優(yōu)異特性而得以快速進展，特別是功能金屬基復(fù)合材料更加令人注目。電接觸復(fù)合材料電接觸元件是傳遞電能和電信號以及接通或切斷各種電路的重要元件的性能直接影響到儀表、電機、電器和電路的牢靠性、穩(wěn)定性