薄膜技术绪论课件.ppt
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1、薄膜物理与技术,教材:唐伟忠,.,薄膜材料,制备原理、技术及应用,冶金工业出版社,32,学时,,选修课,2020/3/26,2020/3/26,绪,论,薄膜科学的发展历史,薄膜的分类,薄膜科学的研究内容,薄膜科学的基本概念,本课程的主要内容,教材及参考书,?,?,?,?,?,?,two-dimension materials,thin=less than about one micron,(10,000 Angstroms,1000 nm),film=layer of material on a substrate,(if no substrate,it is a foil),2020/3/2
2、6,薄膜科学的发展历史,一百多年来,人们对物质的物理性质的广泛研,究,使物理学成为一个很大的学科领域。在这个领,域中,一些专门的知识进一步发展成为一个个独立,的分支,薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分,支。,薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方,法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的生长机理等,及其丰富的内容。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、,作家兼政治家的富兰克林,(Benjamin,Franklin),,他在,1774,年,的文件中留下了这样的描述:,“,不超过一茶匙的油,迅即地展开为数平方码,然后很,惊人地慢慢扩展,直到抵达在下
3、风处的水池边缘,布满了水,池的那个区域,可能有半英亩(,1,英亩约为,4000,平方公尺),之广,而表面平滑的像面镜子。,”,该薄膜的膜厚约为,10?,,是一个单分子膜层。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,和液体薄膜相比较的话,固体薄膜的历史比较浅,短。在现今留下的纪录里,最早的是,1852,年德国的,化学家本生,(Robert,Wilhelm,Bunsen),和,Grove,分别由,化学反应和辉光放电,(glow,discharge),确认了其所产,生的固体薄膜。一般的固体薄膜,乃是由把原子或,分子状的蒸发粒子沉积(或称蒸镀)在表面平滑的,基板表面上所获得。而这类固体薄膜,一般就仅以
4、,薄膜来称呼。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄膜。,随着各种光学透镜的发展,各种增透膜、减反射,膜、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检测和,分析。进入上世纪,70,年代后,透光材料在建筑、,装璜等方面被广泛应用,在房屋、车辆、太阳能,电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增透、,防辐射和反射等薄膜。这类产品已经广泛进入我,们的日常生活中。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在,不,过事实上在日常生活当中,我们可以见到各式各样,的薄膜。例如:,?,厨房用的铝箔(厚度约,0.02mm,,,20m,);,?,保鲜膜
5、(厚度约,15,m,);,?,保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜;,?,油漆等较厚的膜;,?,眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜;,?,IC,芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜;,?,下雨时车窗上的水膜,或是漂浮在汤汁上面的油膜等,,则是属于液体薄膜。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,?,薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面,所具有的特殊性,在科学技术发展和人们的日常,生活中发挥着越来越重要的作用。,?,薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作,者,而且受到各国高技术产业界的广泛关注。,?,薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料,科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领
6、域,薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的,边缘学科。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,?,从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起,薄膜的制备,与应用已经有一千多年的发展历史。,?,从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地,研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。,?,直到上世纪,80,年代,薄膜科学才发展成为一门相对,独立的学科。,?,促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的,强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和,现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。,2020/3/26,薄膜科学的应用,1.,耐磨及表面防护涂层,高温电绝缘涂层,现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出了
7、,单一材料可以达到的性能范围。在用涂层方法制备出材料组,高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同,可分为许,合,则可以有效地发挥各种材料的优点,同时避免各自的局,多种类。如石墨导体表面上的,氮化硼,或,氧化铝,、,氟化铜,限性。,耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨损、,搪瓷,到,700,,磷酸盐为基的,无机粘结剂,涂层到,1000,,,化学腐蚀及高温氧化倾向,从而延长使用寿命。,涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金,绝缘性能。,属间的化合物等,它们具有很高的硬度和熔点,耐磨性和耐,高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航,化学腐蚀性能。,涂层,到,400,仍有良好的电
8、绝缘性能。金属导线上的,等离子喷涂氧化铝涂层在,1300,,都仍保持着良好的电,空、原子能、空间技术等方面获得了广泛的应用。,2020/3/26,薄膜科学的应用,(,1,)耐磨涂层,减小零件或工具的机械磨损。例如,TiN,、,TiC,涂层。,(,2,)耐热涂层,燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加,其耐热保护。,(,3,)防腐涂层,保护被涂层的部件,不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用,的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂,层方面。,2020/3/26,TiC,耐磨性好,能有效地提高刀具的抗月牙洼磨,损能力,适合于低速切削及磨损严重的场合;,TiN,涂,层具有低的摩擦系数,
9、润滑性能好,能减少切削热和,切削力,适合于产生融合和磨损的切削;,Al,2,O,3,的高,温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比,TiC,和,TiN,好,月,牙洼磨损率低,适合于高速、大切削热切削;金刚石,涂层硬度和热导性高,摩擦系数很低,适合于有色金,属合金的高速切削;而复合涂层综合几种涂层材料的,特点,目前以双涂层和三涂层组合居多。,2020/3/26,薄膜科学的应用,2.,金刚石薄膜,金刚石具有一系列优异的物理性质,包括,已知物,质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量,极高的电阻率、,击穿场强和很低的介电常数,宽的光谱透过范围,极,高的热导率,极低的线膨胀系数,很宽的禁带宽度,,极高的载流子迁移率和极
10、高的化学稳定性,。,金刚石薄膜的应用,(,1,)力学性质的应用,利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在,工具的表面,提高工具的使用寿命,2020/3/26,2020/3/26,薄膜科学的应用,(,2,)热学性质的应用,利用其极高的热导率。室温下,金刚石的热导率是铜,的,5,倍。本身又是极好的绝缘材料。因此,金刚石薄膜可,用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器,材料。,(,3,)电学性质的应用,利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、,高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、,高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好,材料。,另外,利用金刚石膜制
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