無機薄膜材料與制備技術(shù)

關于無機薄膜材料與制備技術(shù)17.05.20231第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1薄膜及其特性

一、薄膜的定義及其特性

二、

薄膜材料的分類

三、

薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷四、薄膜和基片第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

薄膜的定義及其特性

什么是“薄膜”（thinfilm），多“薄”的膜才算薄膜？薄膜有時與類似的詞匯“涂層”（coating）、“層”（layer）、“箔”（foil）等有相同的意義，但有時又有些差別。通常是把膜層無基片而能獨立成形的厚度作為薄膜厚度的一個大致的標準，規(guī)定其厚度約在1μm左右。第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

薄膜材料的特殊性

同塊體材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易產(chǎn)生尺寸效應，就是說薄膜材料的物性會受到薄膜厚度的影響。由于薄膜材料的表面積同體積之比很大，所以表面效應很顯著，表面能、表面態(tài)、表面散射和表面干涉對它的物性影響很大。在薄膜材料中還包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態(tài)，對電子輸運性能也影響較大。在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，因而就會出現(xiàn)薄膜與基片之間的粘附性和附著力問題，以及內(nèi)應力的問題。

第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）表面能級很大

表面能級指在固體的表面，原子周期排列的連續(xù)性發(fā)生中斷，電子波函數(shù)的周期性也受到影響，把表面考慮在內(nèi)的電子波函數(shù)已由塔姆（Tamm）在1932年進行了計算，得到了電子表面能級或稱塔姆能級。像薄膜這種表面面積很大的固體，表面能級將會對膜內(nèi)電子輸運狀況有很大的影響。尤其是對薄膜半導體表面電導和場效應產(chǎn)生很大的影響，從而影響半導體器件性能。

第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）薄膜和基片的粘附性薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之間就會存在著一定的相互作用，這種相互作用通常的表現(xiàn)形式是附著（adhesion）。薄膜的一個面附著在基片上并受到約束作用，因此薄膜內(nèi)容易產(chǎn)生應變。若考慮與薄膜膜面垂直的任一斷面，斷面兩側(cè)就會產(chǎn)生相互作用力，這種相互作用力稱為內(nèi)應力。附著和內(nèi)應力是薄膜極為重要的固有特征。第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月基片和薄膜屬于不同種物質(zhì)，附著現(xiàn)象所考慮的對象是二者間的邊界和界面。二者之間的相互作用能就是附著能，附著能可看成是界面能的一種。附著能對基片-薄膜間的距離微分，微分最大值就是附著力。第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

不同種物質(zhì)原子之間最普遍的相互作用是范德瓦耳斯力。這種力是永久偶極子、感應偶極子之間的作用力以及其他色散力的總稱。設兩個分子間的上述相互作用能為U，則U可用下式表示：

式中，r為分子間距離；a為分子的極化率；I為分子的極化能；下標A、B分別表示A分子和B分子。用范德瓦耳斯力成功地解釋了許多附著現(xiàn)象。第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月設薄膜、基片都是導體，而且二者的費米能級不同，由于薄膜的形成，從一方到另一方會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在界面上會形成帶電的雙層。此時，薄膜和基片之間相互作用的靜電力F為：式中，為界面上出現(xiàn)的電荷密度；

為真空中的介電常數(shù)。要充分考慮這種力對附著的貢獻。費米能級是絕對零度時電子的最高能級.

第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗結(jié)果表明：①在金屬薄膜-玻璃基片系統(tǒng)中，Au薄膜的附著力最弱；②易氧化元素的薄膜，一般說來附著力較大；③在很多情況下，對薄膜加熱（沉積過程中或沉積完成之后），會使附著力以及附著能增加；④基片經(jīng)離子照射會使附著力增加。第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一般來說，表面能是指建立一個新的表面所需要的能量。金屬是高表面能材料，而氧化物是低表面能材料。表面能的相對大小決定一種材料是否和另一種材料相濕潤并形成均勻黏附層。具有非常低表面能的材料容易和具有較高表面能的材料相濕潤。反之，如果淀積材料具有較高表面能，則它容易在具有較低表面能襯底上形成原子團（俗稱起球）。第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化物具有特殊的作用。即使對一般的金屬來說不能牢固附著的塑料等基片上也能牢固附著。Si、Cr、Ti、W等易氧化（氧化物生成能大）物質(zhì)的薄膜都能比較牢固地附著。若在上述這些物質(zhì)的薄膜上再沉積金屬等，可以獲得附著力非常大的薄膜。為增加附著力而沉積在中間的過渡層薄膜稱為膠粘層（glue），合理地選擇膠粘層在薄膜的實際應用是極為重要的。第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）薄膜中的內(nèi)應力內(nèi)應力就其原因來說分為兩大類，即固有應力（或本征應力）和非固有應力。固有應力來自于薄膜中的缺陷，如位錯。薄膜中非固有應力主要來自薄膜對襯底的附著力。由于薄膜和襯底間不同的熱膨脹系數(shù)和晶格失配能夠把應力引進薄膜，或者由于金屬薄膜與襯底發(fā)生化學反應時，在薄膜和襯底之間形成的金屬化合物同薄膜緊密結(jié)合，但有輕微的晶格失配也能把應力引進薄膜。第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一般說來，薄膜往往是在非常薄的基片上沉積的。在這種情況下，幾乎對所有物質(zhì)的薄膜，基片都會發(fā)生彎曲。彎曲有兩種類型：一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲面的內(nèi)側(cè)，使薄膜的某些部分與其他部分之間處于拉伸狀態(tài)，這種內(nèi)應力稱為拉應力。另一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲的外側(cè)，它使薄膜的某些部分與其他部分之間處于壓縮狀態(tài)，這種內(nèi)應力稱為壓應力。如果拉應力用正數(shù)表示，則壓應力就用負數(shù)表示。第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月真空蒸鍍膜層的應力值情況比較復雜。在濺射成膜過程中，薄膜的表面經(jīng)常處于高速離子以及中性粒子的轟擊之下，在其他參數(shù)相同的條件下，放電氣壓越低，這些高速粒子的能量越大。與薄膜相碰撞的高速粒子會把薄膜中的原子從陣點位置碰撞離位，并進入間隙位置，產(chǎn)生釘扎效應（pinningeffect）?；蛘哌@些高速粒子自己進入晶格之中。這些都是產(chǎn)生壓應力的原因。因此，濺射薄膜中的內(nèi)應力與濺射條件的關系很密切。第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）異常結(jié)構(gòu)和非理想化學計量比特性薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合。規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱為異常結(jié)構(gòu)，不過這是一種準穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)，但由于固體的粘性大，實際上把它看成穩(wěn)態(tài)也是可以的，通過加熱退火和長時間的放置還會慢慢地變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

化合物的計量比，一般來說是完全確定的。但是多組元薄膜成分的計量比就未必如此了。當Ta在N2的放電氣體中被濺射時，對應于一定的N2分壓，其生成薄膜的成分卻是任意的。

另外，若Si或SiO在O2的放電中真空蒸鍍或濺射，所得到的薄膜的計量比也可能是任意的。

由于化合物薄膜的生長一般都包括化合與分解，所以按照薄膜的生長條件，其計量往往變化相當大。如輝光放電法得到的a-等，其x可在很大范圍內(nèi)變化。因此，把這樣的成分偏離叫做非理想化學計量比。第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）量子尺寸效應和界面隧道穿透效應傳導電子的德布羅意波長，在普通金屬中小于1nm，在金屬鉍（Bi）中為幾十納米。在這些物質(zhì)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(chǎn)生影響。與德布羅意波的干涉相關聯(lián)的效應一般稱為量子尺寸效應。第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面勢壘比電子能量E要大得多，根據(jù)量子力學知識，這些電子有一定的幾率，穿過勢壘，稱為隧道效應。電子穿透勢壘的幾率為：其中a為界面勢壘的寬度。當時，則T=0，不發(fā)生隧道效應。在非晶態(tài)半導體薄膜的電子導電方面和金剛石薄膜的場電子發(fā)射中，都起重要作用。第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）容易實現(xiàn)多層膜多層膜是將兩種以上的不同材料先后沉積在同一個襯底上（也稱為復合膜），以改善薄膜同襯底間的粘附性。如金剛石超硬刀具膜：金剛石膜/TiC/WC-鋼襯底歐姆接線膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-鋼襯底。

第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月多功能薄膜：

各膜均有一定的電子功能，如非晶硅太陽電池:玻璃襯底/ITO（透明導電膜）/P-SiC/i-μc-Si/n-μc-Si/Al和a-Si/a-SiGe疊層太陽電池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在8層以上，總膜厚在0.5微米左右。第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月超晶格膜:

是將兩種以上不同晶態(tài)物質(zhì)薄膜按ABAB……排列相互重在一起，人為地制成周期性結(jié)構(gòu)后會顯示出一些不尋常的物理性質(zhì)。如勢阱層的寬度減小到和載流子的德布羅依波長相當時，能帶中的電子能級將被量子化，會使光學帶隙變寬，這種一維超薄層周期結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)。當和不同組分或不同摻雜層的非晶態(tài)材料（如非晶態(tài)半導體）也能組成這樣的結(jié)構(gòu)，并具有類似的量子化特性，如a-Si

:

H/a-Si1-xNx

:

H,a-Si

:

H/a-Si1-xCx

:

H……。應用薄膜制備方法，很容易獲得各種多層膜和超晶格。第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、

薄膜材料的分類

按化學組成分為：無機膜、有機膜、復合膜；按相組成分為：固體薄膜、液體薄膜、氣體薄膜、膠體薄膜；按晶體形態(tài)分為：單晶膜、多晶膜、微晶膜、

納米晶膜、超晶格膜等。

第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月按薄膜的功能及其應用領域分為：

電學薄膜

光學薄膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤滑膜

有機分子薄膜

裝飾膜、包裝膜

第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）電學薄膜①半導體器件與集成電路中使用的導電材料與介質(zhì)薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。②超導薄膜：特別是近年來國外普遍重視的高溫超導薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超導薄膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀土元素氧化物超導薄膜。③薄膜太陽能電池：特別是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太陽電池。

第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光學薄膜①減反射膜

例如照相機、幻燈機、投影儀、電影放映機、望遠鏡、瞄準鏡以及各種光學儀器透鏡和棱鏡上所鍍的單層MgF2薄膜和雙層或多層（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜組成的寬帶減反射膜。②反射膜

例如用于民用鏡和太陽灶中拋物面太陽能接收器的鍍鋁膜；用于大型天文儀器和精密光學儀器中的鍍膜反射鏡；用于各類激光器的高反射率膜（反射率可達99%以上）等等。第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤滑膜①硬質(zhì)膜

用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2、(Ti,

Al)N、Ti(C,

N)等硬質(zhì)膜，以及金剛石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。②耐蝕膜

用于化工容器表面耐化學腐蝕的非晶鎳膜和非晶與微晶不銹鋼膜；用于渦輪發(fā)動機葉片表面抗熱腐蝕的NiCrAlY膜等。③潤滑膜

使用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固體潤滑膜和Au、Ag、Pb等軟金屬膜。

第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）有機分子薄膜有機分子薄膜也稱LB（Langmuir-Blodgett）膜，它是有機物，如羧酸及其鹽、脂肪酸烷基族和染料、蛋白質(zhì)等構(gòu)成的分子薄膜，其厚度可以是一個分子層的單分子膜，也可以是多分子層疊加的多層分子膜。多層分子膜可以是同一材料組成的，也可以是多種材料的調(diào)制分子膜，或稱超分子結(jié)構(gòu)薄膜。第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）裝飾膜、包裝膜

①

廣泛用于燈具、玩具及汽車等交通運輸工具、家用電氣用具、鐘表、工藝美術(shù)品、“金”線、“銀”線、日用小商品等的鋁膜、黃銅膜、不銹鋼膜和仿金TiN膜與黑色TiC膜。②用于香煙包裝的鍍鋁紙；用于食品、糖果、茶葉、咖啡、藥品、化妝品等包裝的鍍鋁滌綸薄膜；用于取代電鍍或熱涂Sn鋼帶的真空鍍鋁鋼帶等。

第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、

薄膜的形成過程1、化學氣相沉積薄膜的形成過程2、真空蒸發(fā)薄膜的形成過程3、

濺射薄膜的形成過程4、

外延薄膜的生長第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1、化學氣相沉積薄膜的形成過程

化學氣相沉積是供給基片的氣體，在加熱和等離子體等能源作用下在氣相和基體表面發(fā)生化學反應的過程。

Spear在1984年提出一個簡單而巧妙的模型，如圖1-1所示。圖1-1為典型CVD反應步驟的濃度邊界模型第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-12典型CVD反應步驟的濃度邊界模型圖5-12典型CVD反應步驟的濃度邊界模型圖5-12典型CVD反應步驟的濃度邊界模型第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、真空蒸發(fā)薄膜的形成過程真空蒸發(fā)薄膜的形成一般分為：凝結(jié)過程核形成與生長過程島形成與結(jié)合生長過程

第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）凝結(jié)過程

凝結(jié)過程是從蒸發(fā)源中被蒸發(fā)的氣相原子、離子或分子入射到基體表面之后，從氣相到吸附相，再到凝結(jié)相的一個相變過程。第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）

薄膜的形成與生長

薄膜的形成與生長有三種形式，如圖1-2所示：（a）島狀生長模式（b）層狀生長模式（c）層島結(jié)合模式

第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3、

濺射薄膜的形成過程由于濺射的靶材粒子到達基體表面時有非常大的能量，所以濺射薄膜的形成過程與真空蒸發(fā)制膜的形成過程有很大差別。同時給薄膜帶來一系列的影響，除了使膜與基體的附著力增加以外，還會由于高能粒子轟擊薄膜表面使其溫度上升而改變薄膜的結(jié)構(gòu)，或使內(nèi)部應力增加等，另外還可提高成核密度。第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月17.05.202337濺射薄膜常常呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。這種柱狀結(jié)構(gòu)被認為是由原子或分子在基體上具有有限的遷移率所引起的，所以濺射薄膜的形成和生長屬于有限遷移率模型。第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4、

外延薄膜的生長所謂外延，是指在單晶基片上形成單晶結(jié)構(gòu)的薄膜，而且薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與取向都和基片的晶體結(jié)構(gòu)和取向有關。外延生長薄膜的形成過程是一種有方向性的生長。同質(zhì)外延薄膜是層狀生長型。但并非所有外延薄膜都是層狀生長型，也有島狀生長型。第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四、

薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)和缺陷在很大程度上決定著薄膜的性能，因此對薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的研究一直是大家十分關注的問題，本節(jié)主要討論影響薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的因素，以及對性能的影響。

第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1、薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類型：組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)

第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）薄膜的組織結(jié)構(gòu)

薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)。分為四種類型：無定形結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1）無定形結(jié)構(gòu)非晶態(tài)是指構(gòu)成物質(zhì)的原子在空間的排列是一種長程無序、近程有序的結(jié)構(gòu)。形成無定形薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴散速率，可以通過降低基體溫度、引入反應氣體和摻雜的方法實現(xiàn)。第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月17.05.202343

基體溫度對薄膜的結(jié)構(gòu)有較大的影響。基體溫度高使吸附原子的動能隨著增大，跨越表面勢壘的概率增加，容易結(jié)晶化，并使薄膜缺陷減少，同時薄膜的內(nèi)應力也會減小，基體溫度低則易形成無定形結(jié)構(gòu)的薄膜。第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2）多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒隨機取向組成的。在薄膜形成過程中生成的小島就具有晶體的特征。由眾多小島（晶粒）聚集形成的薄膜就是多晶薄膜。多晶薄膜存在晶粒間界。薄膜材料的晶界面積遠大于塊狀材料，晶界的增多是薄膜材料電阻率比塊狀材料電阻率大的原因之一。第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3）纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)薄膜是指具有擇優(yōu)取向的薄膜。在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示出擇優(yōu)取向。由于（111）面在面心立方結(jié)構(gòu)中具有最低的表面自由能，在非晶態(tài)基體（如玻璃）上纖維結(jié)構(gòu)的多晶薄膜顯示的擇優(yōu)取向是（111）。吸附原子在基體表面上有較高的擴散速率，晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成的初期。第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4）單晶結(jié)構(gòu)單晶薄膜通常是利用外延工藝制造的，外延生長有三個基本條件：吸附原子必須有較高的表面擴散速率，這就應當選擇合適的外延生長溫度和沉積速率；基體與薄膜的結(jié)晶相容性，假設基體的晶格常數(shù)為a，薄膜的晶格常數(shù)為b，晶格失配數(shù)m=(b-a)/a,m值越小，外延生長就越容易實現(xiàn)，但一些實驗發(fā)現(xiàn)在m相當大時也可實現(xiàn)外延生長；要求基體表面清潔、光滑、化學穩(wěn)定性好。第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）

薄膜的晶體結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與其相同材料的塊狀晶體是相同的。但薄膜中晶粒的晶格常數(shù),常常和塊狀晶體不同，產(chǎn)生的原因：一是薄膜與基體晶格常數(shù)不匹配；二是薄膜中有較大的內(nèi)應力和表面張力。

第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）薄膜的表面結(jié)構(gòu)薄膜表面都有一定的粗糙度，對光學性能影響較大。由于薄膜的表面結(jié)構(gòu)和構(gòu)成薄膜整體的微型體密切相關，在基體溫度和真空度較低時，容易出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。所有真空蒸發(fā)薄膜都呈現(xiàn)柱狀體結(jié)構(gòu)，濺射薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)是由一個方向來的濺射粒子流在吸附原子表面擴散速率很小的情況下凝聚形成的。

第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、薄膜的缺陷

由于薄膜制備方法多種多樣，而不同制膜方法所獲得的薄膜結(jié)構(gòu)也隨之不同。如用分子束外延法（MBE）和有機金屬氧化物化學氣相沉積法（MOCVD）所制備的薄膜接近單晶膜，而且其他方法，如濺射法、蒸發(fā)法、微波法、熱絲法等制作的薄膜，有不少為多晶膜和微晶膜，其中也含有一定的非晶態(tài)膜。在薄膜的生長過程中還存在有大量的晶格缺陷態(tài)和局部的內(nèi)應力。第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1、

點缺陷在基體溫度低時或蒸發(fā)、凝聚過程中溫度的急劇變化會在薄膜中產(chǎn)生許多點缺陷，這些點缺陷對薄膜的電阻率產(chǎn)生較大的影響。2、

位錯薄膜中有大量的位錯，位錯密度通常可達。位錯與位錯的相互作用會在位錯線上形成許多所謂釘扎點,由于位錯處于釘扎狀態(tài)，因此薄膜的抗拉強度比大塊材料略高一些。3、

晶粒間界因為薄膜中含有許多小晶粒，因而薄膜的晶界面積比塊狀材料大，晶界增多是薄膜材料電阻率比塊狀材料電阻率大的原因之一。第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月17.05.202351單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題薄膜材料的定義、分類及主要特性是什么？薄膜的形成與生長有哪三種形式？并用示意圖加以說明。

第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2薄膜制備技術(shù)

薄膜制備工藝包括：薄膜制備方法的選擇;基體材料的選擇及表面處理;薄膜制備條件的選擇;結(jié)構(gòu)、性能與工藝參數(shù)的關系等。

第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基體的選擇與基片的清洗方法

（一）基體的選擇在薄膜制備過程中，基體的選擇與其他制備條件同樣重要，有時可能更重要，基體選擇的原則是：

第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）是否容易成核和生長成薄膜；（2）根據(jù)不同的應用目的，選擇金屬（或合金）、玻璃、陶瓷單晶和塑料等作基體；（3）薄膜結(jié)構(gòu)與基體材料結(jié)構(gòu)要對應；第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月17.05.202356（4）要使薄膜和基體材料的性能相匹配，從而減少熱應力，不使薄膜脫落；（5）要考慮市場供應情況、價格、形狀、尺寸、表面粗糙度和加工難易程度等。第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）基片的清洗方法由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清潔度都會對所生長的薄膜有影響?；砻娴娜魏我稽c污物都會影響薄膜材料的性能和生長情況。由此可見，基片的清洗是十分重要的?；那逑捶椒ㄖ饕鶕?jù)薄膜生長方法和薄膜使用目的選定，因為基片表面狀態(tài)嚴重影響基片上生長出的薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜物理性質(zhì)。

第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一般分為去除基片表面上物理附著的污物的清洗方法和去除化學附著的污物的清洗方法。目前，基片清洗方法有：用化學溶劑溶解污物的方法、超聲波清洗法、離子轟擊清洗法、等離子體清洗法和烘烤清洗法等。

第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、真空技術(shù)基礎

真空技術(shù)是制備薄膜的基礎，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。

第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）真空度的劃分為了研究真空和實際應用方便，常把真空劃分為：低真空（1×105~1×102Pa）中真空（1×102~1×10-1Pa）高真空（1×10-1~1×10-6Pa）超高真空（<1×10-6Pa）四個等級。第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）真空中壓強的單位真空技術(shù)中，壓強的單位通常是用帕斯卡（Pa）來表示，這是目前國際上推薦使用的國際單位制（SI）單位。托（Torr）這一單位在最初獲得真空時就被采用，是真空技術(shù)中的獨制單位。兩者關系為1Torr=133.322Pa。

第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）氣體的吸附與脫附氣體吸附：是指固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象。吸附分為物理吸附和化學吸附。物理吸附：主要靠分子間的相互吸引力，易脫附，只在低溫下有效?；瘜W吸附：當氣體和固體表面原子間生成化合物時，所產(chǎn)生的吸附作用。不易脫附，可發(fā)生在高溫下。第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）真空的獲得即“抽真空”，是利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強低于一個大氣壓的過程。目前常用的設備有：旋轉(zhuǎn)式機械真空泵、油擴散泵、復合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵等。前三種屬于氣體傳輸泵，后四種屬于氣體捕獲泵。第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)一般包括待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設備（真空泵）、測量真空的器具（真空計）以及必要的管道、閥門和其他附屬設備。能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進行排氣的泵常稱為“前級泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級泵”。第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

（六）真空測量測量原理均是利用測定在低氣壓下與壓強有關的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強。當壓強改變時，這些和壓強有關的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測量的基礎。第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月17.05.202366任何具體的物理特性，都是在某一壓強范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，即為該真空計的“量程”。目前，還沒有一種真空計能夠測量1大氣壓至10-10Pa整個范圍的真空度。第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月表2.2幾種真空計的工作原理與測量范圍名稱工作原理測量范圍/PaU形管壓力計利用大氣與真空壓差105~10-2水銀壓縮真空計根據(jù)Boyle定律103-10-4電阻真空計利用氣體分子熱傳導104~10-2熱偶真空計熱陰極電離真空計利用熱電子電離殘余氣體10-1~10-6B-A型真空計10-1~10-10潘寧磁控電離計利用磁場中氣體電離與壓強有關的原理1~10-5氣體放電管利用氣體放電與壓強有關的原理103~1第67頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3薄膜材料的表征

薄膜材料在應用之前，對其進行表征是很重要的，一般包括薄膜厚度的測量、薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的表征、薄膜的成分分析，這些測量分析結(jié)果也正是薄膜制備與使用過程中普遍關心的問題。第68頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、

薄膜厚度的測量

薄膜的厚度是一個重要的參數(shù)。厚度有三種概念：

幾何厚度、光學厚度和質(zhì)量厚度幾何厚度指膜層的物理厚度。膜厚的測量方法可分為：光學法、機械法和電學法等。

第69頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

薄膜厚度測量方法

第70頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）薄膜厚度的光學測量法薄膜厚度的測量廣泛用到了各種光學方法，因為光學方法不僅可被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜，不僅使用方便，而且測量精度較高。這類方法所依據(jù)的原理一般是不同薄膜厚度造成的光程差引起的光的干涉現(xiàn)象。

第71頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1．光吸收法光吸收法主要是通過測量薄膜透射光強度而確定薄膜的厚