《功能材料》课件第七讲功能薄膜材料.ppt

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1、功 能 材 料,谤往某坝撂瀑尾培挫笔留腑柔鹿踩瓶此意赖电余扒陶播愧毫胡勋拓巾顽谩精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,第七讲 功能薄膜材料,第一节 薄膜的定义及其特性 第二节 薄膜材料的分类 第三节 薄膜的形成过程第四节 薄膜的结构特征与缺陷,佣媒硷乎式砰屿捆惹窑兜帛辱猪永爱服南查椭蚊塌捆各泛房运燕犊嗽宜熬精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,第一节 薄膜的定义及其特性,什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜？薄膜有时与类似的词汇“涂层”（coating）、“层”

2、（layer）、“箔”（foil）等有相同的意义，但有时又有些差别。通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1m左右。,黄酋击嘴嘶混奴驼钮邵碘瑰碉肩巢探灸盛戮筛焕邵钉鼎乾邦信敦厄翁确挝精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,薄膜材料的特殊性,同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电

3、子输运性能也影响较大。在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。,讫怜龄车琅届槽篇撕尔敷命珐屹票嗓漂辈渠锐标郎泵庞驾侠踌尖猛致蚁史精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（1）表面能级很大,表面能级指在固体的表面，原子周期排列的连续性发生中断，电子波函数的周期性也受到影响，把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆（Tamm）在1932年进行了计算，得到了电子表面能级或称塔姆能级。 像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将会对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄膜半导体表面电导和场

4、效应产生很大的影响，从而影响半导体器件性能。,徒辊颇尼式张娄灶评击烤骤蚜爽惫坝蛋随弟著旦碎吟故骗醒锋讶就驳伺善精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（2）薄膜和基片的粘附性,薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会存在着一定的相互作用，这种相互作用通常的表现形式是附着（adhesion）。薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，因此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面垂直的任一断面，断面两侧就会产生相互作用力，这种相互作用力称为内应力。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。,计杭颈索久辖杀峪锤砌挛侥己窟擎圭粱峦声材留殿衷媳乾瓷墟疹掺转悉

5、杰精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（3）薄膜中的内应力,内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力（或本征应力） 和非固有应力。固有应力来自于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力主要来自薄膜对衬底的附着力。 由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数和晶格失配能够把应力引进薄膜，或者由于金属薄膜与衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶格失配也能把应力引进薄膜。,矗颐倘槐凡弥窖篱玫乘身这睫黎蛀瞧判贴巳炉养很好迷鲁戎蒸敖嘲唉把傅精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲

6、 功能薄膜材料,一般说来，薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。在这种情况下，几乎对所有物质的薄膜，基片都会发生弯曲。 弯曲有两种类型：一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲面的内侧，使薄膜的某些部分与其他部分之间处于拉伸状态，这种内应力称为拉应力。另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的外侧，它使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态，这种内应力称为压应力。如果拉应力用正数表示，则压应力就用负数表示。,迁邦型厂西肉平咙厄昏荆逻那倚科独踏辈竭威丛校痪碗庭迎杆抑陕脚蓉事精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（4）异常结构和非理想化学计量比特性,薄膜的制法多

7、数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结构不一定和相图相符合。规定把与相图不相符合的结构称为异常结构，不过这是一种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还会慢慢地变为稳定状态。,魏忠汗尚到薯干坎师狭模春诽掐铰狙宜骸酱奶琅蚌膝境汁陶锌溢垛届誊堕精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。 当Ta在N2的放电气体中被溅射时，对应于一定的N2分压，其生成薄膜 的成分却是任意的。,由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解，

8、所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。,可在很大范围内变化。,因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。,债臻赌烟啪斋俺铆戳俺伸逃切逸义侮付宗醋必还拔挎旺复寺赛淡疗哆糯琼精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（5）量子尺寸效应和界面隧道穿透效应,传导电子的德布罗意波长，在普通金属中小于1nm，在金属铋（Bi）中为几十纳米。在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值，由此会对电子的输运现象产生影响。与德布罗意波的干涉相关联的效应一般称为量子尺寸效应。,飘与革庇际悦系凋硝擂逼犯仇糕烂波蚀展样团矾北

9、查降壕榆嚣席州四煽碟精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒,比电子能量E要大得多，根据量子力学知识，这些电子有一定的几率，穿过势垒，称为隧道效应。,款套惑梆钉卖尽肪凝联萌讳灵徊孤务皑戏查漳护络卖消履逸樱满琵笛秋褥精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（6）容易实现多层膜,多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积在同一个衬底上（也称为复合膜），以改善薄膜同衬底间的粘附性。如金刚石超硬刀具膜： 金刚石膜/TiC/WC-钢衬底 欧姆接线膜：Au/Al/

10、c-BN/Ni膜/WC-钢衬底。,慧壹跟烘钵兴钟涸拙万毛筑蕊栓热纤赁埋跋脱喘琼涪座唾鸥存急黍四贡窜精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,多功能薄膜： 各膜均有一定的电子功能，如非晶硅太阳电池: 玻璃衬底/ITO（透明导电膜）/P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和a-Si/a-SiGe叠层太阳电池: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层以上，总膜厚在0.5微米左右。,宦敖财奈谴兔漠县砚舰佑结郊矾忻葫苞篷扳岳长术苞尚唱旁雪玩翱株访实精品课程功能材料ppt课

11、件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,超晶格膜: 是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB排列相互重在一起，人为地制成周期性结构后会显示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超薄层周期结构就称为超晶格结构。 当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似的量子化特性，如a-Si:H/a-Si1-xNx:H, a-Si:H/a-Si1-xCx:H。应用薄膜制备方法，很容易获得各种多层膜和超晶格。,针局洒钱稀振铀伺赦蹭唁戴胳燕彤典舅执迁影呐物

12、遏抑芍敌机康松卷出儡精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,第二节 薄膜材料的分类,按化学组成分为： 无机膜、有机膜、复合膜；按相组成分为： 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜；按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶格膜等。,业蒙梦现硝甘只尉栈北败狼叉陌泰迟赚柱郎朝沃唐往呵衰译曳啥熄剧周雁精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,按薄膜的功能及其应用领域分为：,电学薄膜 光学薄膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 有机分子薄膜 装饰膜 、包装膜,匈骂柬孕隔朗闸虱芦绵讣顽腻犊怖翻

13、威券盟绸得驱殉婚蓝火蛋眯毅甲首硫精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（1）电学薄膜,半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。超导薄膜：特别是近年来国外普遍重视的高温超导薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超导薄膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀土元素氧化物超导薄膜。薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。,撕贴姥桑佰硼髓跃聊责擦滓茅婚笛吩斟恢寐决歉蜒绒歇息祷守辛化量阁有精品课程功能材料ppt课件第七讲

14、 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（2）光学薄膜,减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜和棱镜上所镀的单层MgF2薄膜和双层或多层（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜组成的宽带减反射膜。反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳能接收器的镀铝膜；用于大型天文仪器和精密光学仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反射率膜（反射率可达99%以上）等等。,窿狱侣穴薄红奶震徊撰诀勇赠豢裕算究驰物墒阀哼健秧纲堡雨笛丛惨残二精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（3

15、）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜,硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2、(Ti,Al)N、Ti(C,N)等硬质膜，以及金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍膜和非晶与微晶不锈钢膜；用于涡轮发动机叶片表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。,颊虏究乘朴占实宾赐唇宗兄纷拇汐距怨介妻留呢寐疡阳漠蕾狂班腕诅畜适精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（4）有机分子薄

16、膜,有机分子薄膜也称LB（Langmuir-Blodgett）膜，它是有机物，如羧酸及其盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等构成的分子薄膜，其厚度可以是一个分子层的单分子膜，也可以是多分子层叠加的多层分子膜。多层分子膜可以是同一材料组成的，也可以是多种材料的调制分子膜，或称超分子结构薄膜。,豆壳痈舅倍锨端汤挖塑碎互哼编瘦耻预坟率肮消飘藏募哆渤罚团挚档灌吓精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（5）装饰膜、包装膜, 广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、“金”线、“银”线、日用小商品等的铝膜、黄铜膜、不锈钢膜和

17、仿金TiN膜与黑色TiC膜。 用于香烟包装的镀铝纸；用于食品、糖果、茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤纶薄膜；用于取代电镀或热涂Sn钢带的真空镀铝钢带等。,动铆涵壹仁彦腐总跺宁求卖混僧浑鲍恫昨趁保虚擎发缝轿蚕鹅谢速烟你组精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,第三节 薄膜的形成过程,一、化学气相沉积薄膜的形成过程二、真空蒸发薄膜的形成过程三、 溅射薄膜的形成过程四、 外延薄膜的生长,厘疲定旗宋讽讳毯阮许陀漳裤感淖弄祥教炉晒怨朽叁坐幼燕员瞅喜伤咬猾精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料

18、,一、化学气相沉积薄膜的形成过程,化学气相沉积是供给基片的气体，在加热和等离子体等能源作用下在气相和基体表面发生化学反应的过程。 Spear在1984年提出一个简单而巧妙的模型，如图1-1所示。 图1-1为典型CVD反应步骤的浓度边界模型,蜘币糠刑吩晕秃闻投萨婉汾送嘶牟鲤走桃炙绒吓寐嘿敌栏誊铝精尤仰蒲铡精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型,图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型,图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型,郸模哦梁生堵撅建奖夜麻寇节稍肉彻镣傅倡殖兴靶发庭崇悄梳琶鼠锁求束

19、精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,二、真空蒸发薄膜的形成过程,真空蒸发薄膜的形成一般分为： 凝结过程 核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程,阴怎涩状高立误量迂买翠氰震哦溃腮惜杉筹利温二挂请聊病离挟化株畦胁精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（一）凝结过程,凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。,蚕糕巩弗断抽刨那圭希仲摹盒谤臆竣琵甄减平丁养踏氢稍蓬株柑状铃祷队精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精

20、品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（二） 薄膜的形成与生长,薄膜的形成与生长有三种形式，如图1-2所示： （a）岛状生长模式（b）层状生长模式（c）层岛结合模式,川拐书沉肺饮呜级越伎持辫翁为嘛扼呀雄肖膀鲁晌怨伺猿酗竹劣蓖洗座勇精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,三、 溅射薄膜的形成过程,由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大的能量，所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发制膜的形成过程有很大差别。同时给薄膜带来一系列的影响，除了使膜与基体的附着力增加以外，还会由于高能粒子轰击薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构，或使内部应力增加等

21、，另外还可提高成核密度。溅射薄膜常常呈现柱状结构。这种柱状结构被认为是由原子或分子在基体上具有有限的迁移率所引起的，所以溅射薄膜的形成和生长属于有限迁移率模型。,浸刺梧荔皇音赵研闻饭翱札一抢诡姨脊恩刀榷嚣埔籽窍然邻雄浸抄任畅商精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,四、 外延薄膜的生长,所谓外延，是指在单晶基片上形成单晶结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取向都和基片的晶体结构和取向有关。外延生长薄膜的形成过程是一种有方向性的生长。同质外延薄膜是层状生长型。但并非所有外延薄膜都是层状生长型，也有岛状生长型。,魄凄亏坑销莽吓准拴铁扛摄园瑶涩滇缉肿

22、昨淬贼疡岛糕导息酷簿悟蔚衬赞精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,第四节 薄膜的结构特征与缺陷,薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能，因此对薄膜结构与缺陷的研究一直是大家十分关注的问题，本节主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，以及对性能的影响。,须吾寥介住毕狸妻寨依浆价败蝎遏梢妆崩囊轰症泵勺渣猾圾淖尖卯穗嵌醛精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,一、薄膜的结构,薄膜结构可分为三种类型：组织结构晶体结构表面结构,垦亩头登迎揪锄浊宛啸肉扒依颐彝存砾赚策功烛迸涪扔陡茬勒冕墨厩块迫精品

23、课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（一）薄膜的组织结构,薄膜的组织结构是指它的结晶形态。分为四种类型： 无定形结构 多晶结构 纤维结构 单晶结构,拜辕竹晶如崇授格途岗烂硷录塞豁瞬价局此平育颠面磅匝帅弃拜姬踢蛊戊精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,1无定形结构,非晶态是指构成物质的原子在空间的排列是一种长程无序、近程有序的结构。形成无定形薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率，可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂的方法实现。基体温度对薄膜的结构有较大的影响。基体温度高使吸附原

24、子的动能随着增大，跨越表面势垒的概率增加，容易结晶化，并使薄膜缺陷减少，同时薄膜的内应力也会减小，基体温度低则易形成无定形结构的薄膜。,蝉沥管突王腿罐句轰碴第嚷儒工王参咐亲箭屎纹监缸肋听恳烬侍花佬裤硼精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,2多晶结构,多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随机取向组成的。在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征。由众多小岛（晶粒）聚集形成的薄膜就是多晶薄膜。多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积远大于块状材料，晶界的增多是薄膜材料电阻率比块状材料电阻率大的原因之一。,迅隔碴兰搽版基丹钾借脑捣爽坏漂应彝尹

25、疽趋偏抡嘱妨漳缝块交贷根贸条精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,3纤维结构,纤维结构薄膜是指具有择优取向的薄膜。在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示出择优取向。由于（111）面在面心立方结构中具有最低的表面自由能，在非晶态基体（如玻璃）上纤维结构的多晶薄膜显示的择优取向是（111）。吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率，晶粒的择优取向可发生在薄膜形成的初期。,喳禹嘲孰灼菲匙洪怔徊吱拴抵仪嫁滥恐伞泵洪糖宣蛆赣耸坝杂诊浑搜脊铝精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,4单晶结构,单晶

26、薄膜通常是利用外延工艺制造的，外延生长有三个基本条件：吸附原子必须有较高的表面扩散速率，这就应当选择合适的外延生长温度和沉积速率；基体与薄膜的结晶相容性，假设基体的晶格常数为a，薄膜的晶格常数为b，晶格失配数m(b-a)/a, m值越小，外延生长就越容易实现，但一些实验发现在m相当大时也可实现外延生长；要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。,阻靶展妥搜迷轰牟揪腆婶吗软透隋滤仗株这仁躺哑财普幌二咆双桨荧畔欲精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（二） 薄膜的晶体结构,在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与其相同材料的块状晶体是相同的。但薄膜

27、中晶粒的晶格常数,常常和块状晶体不同，产生的原因：一是薄膜与基体晶格常数不匹配；二是薄膜中有较大的内应力和表面张力。,保褥武惯毯范抱系贡殖峭粤务麻邢缘朋剑翔险刮缓劳补距伊拟孔春滨和掖精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,（三） 薄膜的表面结构,薄膜表面都有一定的粗糙度，对光学性能影响较大。由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密切相关，在基体温度和真空度较低时，容易出现多孔结构。所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构，溅射薄膜的柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面扩散速率很小的情况下凝聚形成的。,钧吮惕廖壳诈粉越铣凯芍损瞄孕王婚扫

28、运萧炮古脂徒肯藉川冲请猴塌银臀精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,二、薄膜的缺陷,由于薄膜制备方法多种多样，而不同制膜方法所获得的薄膜结构也随之不同。如用分子束外延法（MBE）和有机金属氧化物化学气相沉积法（MOCVD）所制备的薄膜接近单晶膜，而且其他方法，如溅射法、蒸发法、微波法、热丝法等制作的薄膜，有不少为多晶膜和微晶膜，其中也含有一定的非晶态膜。在薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷态和局部的内应力。,幢陋掏孽赎臃侵床厩丁洗缩矛氟缸谓赏子鸭象复兰牙枫托鞘捂琐弥荣恢台精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料p

29、pt课件第七讲 功能薄膜材料,1、 点缺陷在基体温度低时或蒸发、凝聚过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜的电阻率产生较大的影响。2、 位错薄膜中有大量的位错，由于位错处于钉扎状态，因此薄膜的抗拉强度比大块材料略高一些。3、 晶粒间界因为薄膜中含有许多小晶粒，因而薄膜的晶界面积比块状材料大，晶界增多是薄膜材料电阻率比块状材料电阻率大的原因之一。,柏痊朴建苫献掀舶酝糕捉碰烯澈瞬禽睦悍通党缎形斋穿氖隧尽斥测轿搂渴精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,一、金刚石薄膜及其应用,金刚石是自然界中硬度最高的物质，金刚石的热导率

30、是所有已知物质中最高的，室温（300K）下金刚石的热导率是铜的5倍。金刚石是一种宽禁带材料，其禁带宽度为5.5eV，因而非掺杂的本征金刚石是极好的电绝缘体，它的室温电阻率高达 。金刚石透光范围宽，透过率高，透射性能优良。金刚石具有极好的抗腐蚀性和优良的耐气候性等特点。,第五节 常见功能薄膜材料及其应用,聚祁坠葵赎争琢战填企付跪申痊握遭奉乡肠驮焚甲撞顷览肥厌董库返使帆精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,金刚石薄膜的结构,金刚石虽是一种原子构成，但是它的晶格是一个复式格子，由2个面心立方的布喇菲原胞沿其空间对角线位移1/4的长度套购而成，金

31、刚石结构的结晶学原胞如图1所示，在1个面心立方原胞内有4个原子，这4个原子分别位于4个空间对角线的1/4处。,信唇躬腿蚂赴砌那迢扒它锥聚疥积粳脏戳克杉遵迸原听算蔑舍扬狂折嘻滴精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,图1 金刚石结构,哩呼媳肮讳狸在礁悦池囊玫鸦沼摹扭现疹绎感硕砌沪噪裴膛矣昨钎毙雇秃精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,概 述,研究证实，用化学气相沉积法制备的金刚石薄膜，其力学、热学、光学等物理性质已达到或接近天然金刚石。这些优异性能使得它在机械工业、电子工业、材料科学及光

32、学领域中有着广阔的应用前景，是一种新型材料。表1列出了天然金刚石与CVD金刚石薄膜的主要物理性能的比较。,叶委潜皋尝粟赃邮革松疚蚁兽酒右喻莱惕辽阜涤绢籽稿墟帮畦团竞明徐显精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,表1 天然金刚石和CVD金刚石薄膜的物理性质,佃镐肢伴人硷矗矛萝黔磨据驴刊占量戊硕轿毋头斧迈豪蚊虏篙报乐很恬牙精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,表2 国内外金刚石薄膜的研究情况对照,褒尘焦消因阑迅氛拨恐懈倡羡验巩最矿澄喧靶切悸圭汞库沁潞年狱配痢湾精品课程功能材料ppt课件第七

33、讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,金刚石薄膜的制备方法,图2是碳的相图，从碳的相图看，只有离子束法需高真空，而热丝CVD法和微波等离子体CVD法在低真空下就能合成金刚石薄膜，直流等离子体喷射法和火焰法可以在常压下进行。这些区域都是石墨的稳定区和金刚石的亚稳区，既然是金刚石的亚稳区，就有生成金刚石的可能性。然而，由于两相的化学位十分接近，两相都能生成。,佑欲垛酮斌捉真樱苦恳瓶垃揪邱兰藏呜冕一邹治蓉怀循承界却对甸锐呆绥精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,图2 碳的相图,信评撼丢算迁添寻绿析挚衷柳农水铅向霄尚音椒

34、馋扫芽帐枯搓衔馈钥施涝精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,各种动力学因素：,反应过程中输入的热能或射频功率等的等离子体能量、反应气体的激活状态、反应气体的最佳比例、沉积过程中成核长大的模式等对生成金刚石起着决定性的作用。选用与金刚石有相同或相近晶型和点阵常数的材料作基片，降低金刚石的成核势垒。却提高了石墨的成核势垒。石墨在基片上成核的可能性仍然存在，并且一旦成核，就会在其核上高速生长，还可能生成许多非晶态碳，因此，需要有一种能高速除去石墨和非晶态碳的腐蚀剂，相比之下，原子氢是最理想的腐蚀剂，它能同时腐蚀金刚石和石墨，但它对石墨的腐蚀速率

35、比腐蚀金刚石的速率高3040倍，这样就能有效地抑制石墨相的生长。,囱火摈您囚其骇粤车刀旺闸布密仍垢醒汐晓虎允卜抚沽持股詹斜呛捂刘兢精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,各种动力学因素：,通常用甲烷进行热解沉积。由于石墨的生成自由能大于金刚石，当提高甲烷浓度时，石墨的生长速率将会提高，而且比金刚石还快，故一般采用低于1%的甲烷含量。若沉积基片的温度超过1000，则石墨的生成速率就会大幅度增加，考虑到工艺上的可能性，基片温度约为8001000。原子氢的存在有利于稳定sp3键。为了得到较高比例的原子氢，采用微波、射频或直流电弧放电，热丝或火焰分

36、解，以及催化等方法。基片的表面状态对金刚石的成核有很大影响。因为基体或生长面的缺陷与金刚石晶核具有较高的结合能，将导致降低成核的自由能。,士早混弄窄季鱼小伯扭茧价腾乓冈牵场囚段不艾捻蚁惑麻嘶揪恬昂编孩幽精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,表3 各种气相合成金刚石薄膜方法比较,速率/（,偶刽戴炎彻俺恍蔚竭菜医书诲吁僚啊宫鹤号握摘俯家菩念节秩姆忍瞧兵滇精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,金刚石薄膜的结构,人们普遍采用扫描电镜和透射电镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X射线衍射和电子衍射、能

37、量损失谱、X射线光电子能谱、俄歇电子谱、二次离子质谱等研究金刚石薄膜的形貌、结构、相的纯度和缺陷等。扫描电镜（SEM）能直观反映金刚石薄膜的晶型，如可观察到三角形（111）面、正方形（100）面、球形面（非金刚石碳含量多），还能观测晶粒大小和均匀性、薄膜的致密性（有无孔洞的缺陷）等。,耿瞻贡柱韵拈持妈睹聚财表龋朱下摹盅鸭瞧宦移烫枣单嘴惯蒲绅赚拼府翟精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,金刚石薄膜大致可以分为三类：,类金刚石为主的金刚石薄膜，金刚石薄膜中金刚石碳的相对原子质量分数为31%；金刚石为主的金刚石薄膜，金刚石碳的相对原子质量分数为

38、90.97%；质量好的金刚石薄膜，金刚石碳原子占97%以上。,孜凶桶惰常芜讨则遇喧答潦印妓学典汞闷罩碱释朴吸登糕技匠镰裁虽忆裕精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,金刚石的性能,金刚石薄膜具有优异的机械、热、光、电、半导体、声、生物及化学性能，下面只简要介绍热敏特性及光学性能。,婴涝承站驱惠祸琐阴巩宛骏吐秸淤助圃叔曝姐巍搪躁耶岁饮瞄护拭绣赌窿精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,1热敏特性,金刚石薄膜的电阻随温度的升高，下降得非常快。未掺杂的金刚石薄膜计算得到的材料常数B值为4443

39、K，材料激活能E为0.38eV；掺杂硼可改变B和E值，便于与二次仪表匹配。因此金刚石薄膜可用于制造热敏电阻，具有灵敏度高、工作温度范围宽、抗辐射能力强等优点。,袄冲胡竞蒲挎耽碟某要廷玛痕吵馅拍沏咀爽隅霖奎坑榆跪更牧哈泳萝爷名精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,2金钢石薄膜的红外光学特性,无基体金刚石薄膜的红外透过特性 红外透过率最高可达98%。如果金刚石薄膜的晶粒较大，透过率会低13%20%。说明晶粒大，表面粗糙，散射损失大。有基体金刚石薄膜的红外透过率 硅基体沉积金刚石薄膜的红外透过率约为58%。沉积金刚石薄膜后最高红外透过率高达到8

40、8%，有明显的增透作用。,住渡试耗棘石任垮褪嘱恐叶侣堂矢液瓷茁克轴瑞逝湿九藻由纷魄爹志阳苔精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,2金钢石薄膜的红外光学特性,（3）金刚石薄膜的红外反射特性 经测定，金刚石薄膜生长面的红外反射率比与硅基体接触面的反射率高4%左右，这是由于生长面比与硅基体的接触面稍为粗糙所致。（4）计算机模拟的金刚石薄膜的红外光学特性 许多光学参数测试比较麻烦，利用透过率的数学模型进行计算机模拟，只要测得红外透过率曲线，就可以在短时间内较方便地用计算机模拟出多个光学参数（折射率、膜厚、表面粗糙度），计算出来的透过率值与实验室值

41、十分接近。,蛊辈芒净录加晕泼捉蛮臼逞易故棉雁第祷膊怎扣瞩护霓口家灵天加仅析享精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,CVD金刚石薄膜的重要应用领域,霖澜胶检涝奇贸诡池搀骄好岳紫隐堤旬菱沙极谎呆耕将恍巡姻铆激傀浑秩精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,二、类金刚石薄膜(DLC) Diamond-like Carbon Films,类金刚石薄膜又称氢化非晶碳膜（ ）即 膜，由于它具有许多类似金刚石的特性，所以称为类金刚石薄膜（DLC膜）。类金刚石膜具有很高的硬度、高导热性、高绝缘性、良好的

42、化学稳定性和生物相容性，从红外到紫外透过率高等优异性能。在机械、电子、激光、核反应、医学、化工等领域有广泛的应用前景，因而引起人们的高度重视。,廓岳驮敷胡琼概儿膀噶儿洒示举芯邢漆芦猖剧践增睫曾宜浊期何摸噬敦产精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,类金刚石薄膜的制备方法,类金刚石薄膜的制法可以分为三类：等离子体化学气相沉积法；离子束法；溅射法。,旦阂豫英奶钡扁洽渴土侥喳笼颧谨清饮畏榔邦泣垣扦码哭卞义如都躇另素精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,类金刚石薄膜的性能,DLC的电阻率变化范

43、围较宽(1021014），一般含H的DLC的电阻率比不含H的DLC高，这或许是H稳定了 键的缘故。各种沉积法制备的DLC的硬度，变化范围是很大的（ ）。内应力和黏会力决定着薄膜与基体结合的稳定性和薄膜的寿命。内应力产生于沉积过程中的热膨胀差别或由于杂质掺入界面，结构排列不完整或结构重排而致的本征应力。DLC中一般都存在较大的压应力（GPa量级），影响内应力的因素很多，如DLC中的H含量、膜厚均匀性、膜层周围气氛等。,蛹涧月叁瘤下马颗蓬梳玉耶舰倡姬胯豢够伺谣饱机展涣糟磊怠蹋莱王幌嗣精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,非晶态碳膜与金刚石薄膜

44、的性能比较,蘑抄仟水舟深气抚湾纲申然却蚁甥握诀柳矾雾昂室倔孪斑对花替离呐勾谬精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,类金刚石薄膜的应用,舀螺暮幼峙悄穿枣蚊谬系杭丰钠擅旗相始漓揍腺契昧染娱审绦奋邪另挝召精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,展望,由于类金刚石薄膜具有很多与金刚石薄膜类似的性能，且沉积温度低，面积大，吸附性好，表面平滑，工艺成熟，所以它比多晶金刚石膜应用早而且更适合于工业应用，如摩擦磨损高频扬声器振动膜、光学窗口保护膜等。特别是沉积温度低、膜面粗糙度小的场合，如计算机磁盘表

45、面保护膜、人工心脏瓣膜的耐磨和生物相容性膜等；要求大面积的场合，如托卡马克型聚变装置中的壁，就只有DLC膜能够胜任。因此，类金刚石薄膜这种多功能的新型材料，在各个科学技术领域中将获得更加广泛的应用。,须鞘累践捐烦擅叙泊尿外澈盲霉颈纸庶斥伪庸箩您件兹举卧吱椰叹帜郸遣精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,三、电子薄膜,电子薄膜是微电子技术和光电子技术的基础，它使器件的设计与制造从所谓“杂质工程”发展到“能带工程”。电子薄膜涉及范围很广，主要包括超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、压电薄膜和热电薄膜等，在生活和生产中起

46、着重要作用。从制备技术来看，一般采用了薄膜制备的常用方法，例如CVD法、PVD法和溶胶凝胶法等。为改善薄膜材料性能，新材料、新技术不断涌现出来。表8列出了目前属无机材料范畴的电子薄膜的材料与应用情况。,任洼熬挠赏曲畦态釜及卒恤难赏趁痘学但淹二雕表准谷荐亨膏候曙聪圣梁精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,表8 无机材料电子薄膜,、,冀聪韶绘绽杯獭拥欢侗次舶泄窿竭僵篱拟告香妊腕森掇睁干液额郭嗣到炕精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,四、光学薄膜与光电薄膜,光学薄膜是指利用材料的光学性质

47、的薄膜。光学性质包括光的吸收、干涉、反射、透射等，因此光学薄膜涉及的领域有防反射膜、减反射膜、滤色器、光记录介质、光波导等。光电薄膜是指利用光激发光电子，从而把光信号转变成电信号的薄膜，可制成光敏电阻和光的检测、度量等光电网元件，是目前发展最快，需求最迫切的现代信息功能材料。由于光脉冲的工作频率比电脉冲高三个数量级，因此用光子来代替电子作为信息的载体是发展趋势。,硝培猾臭脊昆番窒菠予寥阶贷兹秆雌纯肚陆陡尿逛薯肇咎将额文汽瓶递孰精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,集成光学器件,两种薄膜的材料种类、制备方法很多，本节以集成光学器件为例，说明

48、光学薄膜和光电薄膜新的发展方向和相应的性能、制备技术要求。集成光学已成为当今世界科技发展的一个重要领域，主要研究以光的形式发射、调制、控制和接收信号，并集光信号的处理功能为一身的集成光学器件，最终目标是替代目前的电子通讯手段，实现全光通讯，一方面可提高传播速度和信息含量，另一方面提高技术可靠性。光学薄膜与光电薄膜是实现集成光学器件的重要基础。,怠振衷辩虞拐钝约捌宠贰够齐严皖打柑七药褥雷寡谴跟不煎砌犬芜槐嗽唉精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,集成光学器件的结构,集成光学器件的用途不同，所采用的材料不同，元件集成的方式也不相同，但是从结构

49、上看，一般集成光学器件包括光波导、光耦合元件（例如棱镜、光栅、透镜等）、光产生和接收元件（例如电光相位调制器）。图3（a）（d）是这几种元件的结构示意图。,呐姐狈励匣劫襄搪酋了钠冀疑哟兴大瓢妆蚁禹夷趾恰兢著请凑怒播役酱悼精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,集成光学器件的结构示意图,匪壁脱末佰黔隶恬柴后医微神错珊眠痕超卒际老舷啄耍肌莆指麦刷罪库洛精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,集成光学器件的材料及制备,集成光学器件所采用的材料主要分为三类：其中第一类是以 为基础形成的光电材料，

50、包括 、 、 等，它们是制作光电子器件经常采用的材料；第二类材料是以 为代表的具有特殊电光性质的单晶材料；第三类材料则包括了各种多晶和非晶态的物质，如氧化物、玻璃以及聚合物等。,钓禹仲咏旗旅墓倍订密烃烃兜利先卞抱鲸尿蹭垂债烯旧足叹割爱肤舒拂沫精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料精品课程功能材料ppt课件第七讲 功能薄膜材料,集成光学器件的材料及制备,类材料是极好的光电子材料，已被广泛用来制造各类发光器件（发光二极管、激光器）和光接收器件（光电二极管和三极管）。因而，采用这类材料的优点是可以用外延、光刻等制造技术将光发射、光探测元件以及光波导集成制作在同一块基板上。而改变的 成分，不仅