第九章 纳米薄膜材料PVD
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其厚度通常在纳米尺度范围内。
由于其特殊的物理和化学性质，纳米薄膜材料在许多领域都具有重要的应用价值，例如光电子器件、传感器、催化剂等。
本文将对纳米薄膜材料的特性、制备方法和应用进行介绍。
首先，纳米薄膜材料具有较大的比表面积和较高的表面活性，这使得其在催化
剂和传感器等领域具有重要的应用价值。
与传统材料相比，纳米薄膜材料能够更有效地与周围环境发生相互作用，从而提高了催化和传感性能。
其次，纳米薄膜材料的制备方法多种多样，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法等。
这些方法可以根据具体的需求选择合适的工艺条件，从而得到具有特定结构和性能的纳米薄膜材料。
例如，通过控制沉积温度、压力和反应气体组成等参数，可以制备出具有优异性能的纳米薄膜材料。
最后，纳米薄膜材料在光电子器件、传感器和催化剂等领域具有广泛的应用。
例如，纳米薄膜材料可以作为光电子器件中的光学薄膜、导电薄膜等关键部件，从而提高器件的性能和稳定性。
在传感器领域，纳米薄膜材料的高表面活性和灵敏度使得其能够更快速、更准确地响应外界环境的变化。
同时，纳米薄膜材料还可以作为催化剂，用于促进化学反应的进行，提高反应速率和选择性。
综上所述，纳米薄膜材料具有特殊的结构和性能，其制备方法多样，应用领域
广泛。
随着纳米技术的不断发展，纳米薄膜材料必将在各个领域发挥重要作用，推动相关技术的进步和应用的拓展。
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料是一种厚度在纳米尺度范围内的材料，其厚度通常在几个纳米米至几十个纳米米之间。
纳米薄膜材料具有独特的物理和化学性质，广泛应用于光电子学、顶层涂层以及生物医学等领域。
首先，纳米薄膜材料在光电子学领域有着广泛的应用。
由于其薄膜结构具有较高的光学透明性和导电性，纳米薄膜材料可以应用于太阳能电池、显示器和光导纤维等器件中。
例如，透明导电薄膜在触摸屏技术中起着重要的作用，纳米薄膜材料可以提供更高的透明度和更好的导电性能，使得触摸屏的使用更加灵敏和舒适。
其次，纳米薄膜材料在顶层涂层领域也具有重要的应用价值。
由于其薄膜结构的特殊性，纳米薄膜材料可以起到增强附着力、抗腐蚀和防护等功能，广泛应用于金属、陶瓷和玻璃等材料的表面修饰。
例如，纳米薄膜材料可以用于制备具有超疏水性和超疏油性的涂层，使得材料表面不易被污染和腐蚀，延长材料的使用寿命。
此外，纳米薄膜材料在生物医学领域也有着广泛的应用。
由于其高度可控的薄膜结构和较大的比表面积，纳米薄膜材料可以用于制备生物传感器、药物缓释器和组织工程等器件。
例如，纳米薄膜材料可以用于制备具有较高生物相容性和药物控释功能的植入物，用于治疗各种疾病和创伤。
同时，纳米薄膜材料还可以用于生物分子的检测和分析，具有较高的灵敏度和选择性。
总之，纳米薄膜材料是一种具有独特性质和广泛应用价值的材料。
它在光电子学、顶层涂层和生物医学等领域中发挥着重要的作用，为各种器件和应用带来了新的可能性。
未来，随着纳米技术和材料科学的不断发展，纳米薄膜材料的应用前景将会更加广阔。
(2021)纳米薄膜材料的制备完美版PPT
优缺点：
分子束外延法的优点是：生长温度底，能把诸如扩
散这类不希望出现的热激活过程减少到最低；生长速率慢
，外延层厚度可以精确控制，生长表面或界面可以达到原
子级光滑度，因而可以制备极薄的薄膜；超高真空下生长
，与溅射方法相比更容易进行单晶薄膜生长，并为在确定
条件下进行表面研究和外延生长机理的研究创造了条件；
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。
大，有利于在气敏、湿敏及催化方面的应用，可能会使气 纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。
化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合
技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化
学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气
相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相
沉积等技术。
化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的
一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮
纳米薄膜材料的制备
概述：
纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大 的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日 趋成熟。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自 动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展 有重要作用。
2
按原理可分为：
化学方法
1.化学气相沉积(CVD)； 2.溶胶-凝胶(Sol-Gel)法；
生长的薄膜能保持原来靶材的化学计量比；可以把分析测
试设备，如反射式高能电子衍射仪、四极质谱仪等与生长
系统相结合以实现薄膜生长的原位监测。
纳米薄膜材料
纳米薄膜材料引言：随着社会生产的发展，仅以强度为主要功能的结构材料越来越不能满足人们的需要，而功能材料的出现弥补了这一不足。
功能材料是指除强度外，以其他功能（电、磁、声、光、热等）为主要功能的材料的总称。
即为满足某些特定的物理和化学性能要求而制造的材料，就是功能材料。
如，电功能材料，磁功能材料，光功能材料，超导材料，储氢材料，形状记忆合金，非晶材料、纳米材料和生物医学材料等等。
纳米材料作为功能材料的一种，较其他材料其具有更为优异的物理化学特性及发展潜力，正在不断的吸引着世界的目光。
而且随着电子工业的迅速崛起，使得纳米薄膜材料和技术变得越来越重要，特别在集成电路微型化和微电子方面。
一纳米材料1 定义及分类从狭义上，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。
广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
按维数，纳米材料的基本单元一般分为三类：○1零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；○2一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等；○3二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如薄膜，超晶格等。
2 纳米粒子的特性（1）小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，电子被局域在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，能级产生分裂，这使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能发生新奇的改变。
如金属纳米材料的电阻随尺寸的下降而增大；金属熔点明显降低；10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm矫顽力变为零，表现为顺磁性等。
（2）表面效应纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占的原子数目大大增加。
例如，当粒子粒径从100nm减小到1nm，其表面原子占粒子中原子总数从20%增加到99%。
庞大的比表面，使得键态严重失配。
薄膜及其制备的PVD技术
绪论
电沉积条件对于薄膜成分的影响 2. 考虑沉积电位的变化
绪论
退火后薄膜的AES成分深度分析
A
100
C IS s a m p le
80
a n n e a le d a t 5 5 0 oC
60
Se
Mo
40
In
20
Cu
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
s p u tte r tim e (m in )
绪论
1. 薄膜的定义 薄膜是一种二维材料，它在厚度方向上的尺寸很小，往往 为纳米至微米量级。从宏观上讲，薄膜是位于两个平面之 间的一层物质，其厚度与另外两维的尺寸相比要小得多。 从微观角度来讲，薄膜是由原子或原子团凝聚而成的二维 材料。按膜厚，对膜的经典分类认为，小于1微米的为薄膜， 大于1微米的为厚膜 。
吸附性膜：多孔膜（多孔石英玻璃、活性炭、硅胶等）、反应膜（膜内含有与渗透过来的物质发生反 应的物质） 扩散性膜：聚合物膜（扩散性的溶解流动）、金属膜（原子状态的扩散）、玻璃膜（分子状态的扩散） 离子交换膜；阳离子交换树脂膜、阴阳离子交换树脂膜 选择渗透膜：渗透膜、反渗透膜、电渗析膜 非选择性膜：加热处理的微孔玻璃、过滤型的微孔膜
绪论
目前开发的薄膜太阳能电池： （1）非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池
应用最广泛、技术最成熟，占太阳能电池总份额13%左右。 缺点：电池效率不稳定 ，转化效率随着光照时间的增加而 下降。 （2）CdTe薄膜太阳能电池 能隙为1.45eV，CdTe具有很高的光吸收系数。 缺点：电池里含有相当数量的Cd，有可能对环境造成污染。
绪论
举 例： CIGS薄膜
CuInSe2薄膜太阳能电池具有稳定、高效、低成本和环保等 特点而受到国内外科学家的重视。 CuInSe2材料的带隙是1. 02 eV ,而太阳光的吸收要求材料的最佳带隙是1. 45 eV 左右。为了提高材料的带隙宽度在CuInSe2 中掺入一定比 例的Ga ,制成CuInGaSe2 (简称CIGS) 吸收层,能大大提高 太阳能电池的转换效率。目前CIGS 薄膜太阳能电池的最高 效率已达到18. 8 %。
pvd是什么材料
pvd是什么材料PVD是什么材料。
PVD是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）的缩写，是一种常用的薄膜制备技术。
PVD薄膜技术是通过将材料加热至高温，使其蒸发或溅射，然后沉积到基底表面上，形成薄膜的一种方法。
PVD技术可以制备出具有优良性能的薄膜材料，广泛应用于各种领域，如电子、光学、机械等。
PVD薄膜技术主要包括蒸发法和溅射法两种。
蒸发法是将原料加热至蒸发温度，使其蒸发后沉积在基底表面，形成薄膜。
而溅射法则是通过向靶材轰击离子，使其溅射到基底表面上，形成薄膜。
这两种方法都能够制备出高质量的薄膜材料。
PVD薄膜技术具有许多优点。
首先，PVD薄膜具有优良的附着力和致密性，能够有效提高材料的硬度和耐磨性。
其次，PVD薄膜具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣环境下长时间稳定工作。
此外，PVD薄膜还具有优秀的光学性能和导热性能，适用于各种光学和电子器件的制备。
PVD薄膜技术在电子领域有着广泛的应用。
例如，PVD薄膜可用于制备导电膜、光学膜、防反射膜等。
在半导体工业中，PVD薄膜技术也被广泛应用于制备金属导线、隔离层、封装材料等。
此外，PVD薄膜还可以用于制备太阳能电池、光学镀膜、显示器件等。
除了电子领域，PVD薄膜技术还在机械领域有着重要的应用。
例如，PVD薄膜可用于制备刀具涂层、汽车零部件涂层、航空发动机涂层等。
这些涂层能够提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和导热性，延长材料的使用寿命，提高设备的性能。
总的来说，PVD薄膜技术是一种重要的表面工程技术，能够制备出具有优良性能的薄膜材料，广泛应用于电子、光学、机械等领域。
随着科学技术的不断发展，PVD薄膜技术将会有更广阔的应用前景，为各行各业的发展提供更多可能性。
材料科学基础-第9章-材料的亚稳态
纳米晶材料的二维模型
4
第九章 材料的亚稳态
2、纳米晶材料的性能 纳米晶结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、 纳米晶结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平 均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（ 均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺 而呈现出特殊的物理、化学和力学性能。 陷）而呈现出特殊的物理、化学和力学性能。 纳米晶材料力学性能远高于其微米晶状态， 纳米晶材料力学性能远高于其微米晶状态，如纳米晶高 碳钢（1.8%C）的断裂强度由通常的700MPa提高到8000MPa 700MPa提高到8000MPa。 碳钢（1.8%C）的断裂强度由通常的700MPa提高到8000MPa。 霍尔-佩奇公式不能应用于纳米晶材料，因为霍尔霍尔-佩奇公式不能应用于纳米晶材料，因为霍尔-佩奇 公式是根据位错塞积的强化作用导出， 公式是根据位错塞积的强化作用导出，当晶粒尺寸为纳米级 晶粒中存在的位错极少，故霍尔一佩奇公式不能适用。 时，晶粒中存在的位错极少，故霍尔一佩奇公式不能适用。 纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛豫过程而 使材料强度下降。 使材料强度下降。 纳米晶材料强度的提高不能超过晶体的理论强度。 纳米晶材料强度的提高不能超过晶体的理论强度。
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第九章 材料的亚稳态
性能 热膨胀系数 比热容(295K) 比热容 密度 弹性模量 剪切模量 断裂强度 屈服强度 饱和磁化强度 (4K) 磁化率 超导临界温度 扩散激活能 德拜温度
单位 10-6K-1 J/(g⋅K) ⋅ g/cm3 GPa GPa MPa MPa 4π⋅ -7Tm3/kg π⋅10 π⋅ 4π⋅ -9Tm3/kg π⋅10 π⋅ K eV K
纳米半晶态高分子聚合物
纳米玻璃
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第九章 材料的亚稳态
材料科学基础-第9章-材料的亚稳态ppt课件
第九章
材料的亚稳态
1、纳米晶材料的结构 纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少在一个方向上） 尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。在纳米晶 材料中，不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于 晶粒极微小，晶界所占的比例就相应增大（体积可达50%）。 纳米晶材料中存在大量的晶体缺陷。当材料中存在溶质原 子时，其在晶界的偏聚程度更为明显。
（3）通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、 电化学方法等蒸发、溅射沉积途径，生成纳米微粒然后固化， 或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。 （4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理 时效沉淀法等，析出纳米微粒。
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第九章
材料的亚稳态
二、其它纳米块体材料
纳米块体材料可以是非晶态。半晶态高分子聚合物是由 厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的，故是二维 层状纳米结构材料。纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由 纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。
纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材 料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。
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第九章
材料的亚稳态
3、纳米晶材料的形成 纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。 （1）以非晶态（金属玻璃或溶胶）为起始相，使之在晶化 过程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。
（2）对粗晶材料，通过强烈地塑性形变（如高能球磨、高 速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如高能粒子 辐照、火花刻蚀等）使之产生高密度缺陷而致自由能升高，转 变形成亚稳态纳米晶。
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第九章
材料的亚稳态
纳米晶粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和 界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能异常于通常材 料。
薄膜技术中PVD和CVD的区别详解ppt课件
真空蒸镀
• 装置： • 真空系统 • 蒸发系统 • 基片支撑 • 挡板 • 监控系统
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真空蒸镀
大量材料皆可以在真空中蒸发，最终 在基片上凝结以形成薄膜。真空蒸发沉积 过程由三个步骤组成: ①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运; ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、 成膜。
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溅射法
溅射法利用带有电荷的离子在电 场中加速后具有一定动能的特点，将 离子引向欲被溅射的靶电极。在离子 能量合适的情况下，入射的离子将在 与靶表面的原子的碰撞过程中使后者 溅射出来。这些被溅射出来的原子将 带有一定的动能，并且会沿着一定的 方向射向衬底，从而实现在衬底上薄 膜的沉积。
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溅射法
薄膜制备
LOGO
1
薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的 选择，基体材料的选择及表面处理， 薄膜制备条件的选择和薄膜结构、性 能与工艺参数的关系等。
2
薄
膜
物理气相沉积（PVD）
制
化学气相沉积 （ CVD）
备
LOGO
3
物理气相沉积（PVD） PVD
物理气相沉积（PVD)指的是利用某种物理的过 程，如物质的热蒸发பைடு நூலகம்在受到粒子束轰击时物理 表面原子的溅射现象，实现物质从原物质到薄膜 的可控的原子转移过程。
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薄膜的化学气相沉积(CVD)
CVD化学气相沉积装置
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薄膜的化学气相沉积(CVD)
影响CVD薄膜的主要参数
• 1.反应体系成分 • 2.气体的组成 • 3.压力 • 4.温度
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薄膜的化学气相沉积(CVD)
最基本的CVD装置 高温和低温CVD装置 低压CVD (LPCVD)装置 等离子体增强CVD(PECVD)装置 激光辅助CVD装置 金属有机化合物CVD (MOCVD)装置
纳米薄膜制备技术的方法和步骤详解
纳米薄膜制备技术的方法和步骤详解纳米薄膜制备技术是一种重要的材料制备方法，可用于制备具有纳米尺寸的薄膜材料。
纳米薄膜具有独特的物理和化学性质，被广泛应用于光电子学、能源存储、传感器等领域。
本文将详细介绍几种常用的纳米薄膜制备方法和相关的步骤。
1. 物理气相沉积法（PVD）物理气相沉积法是制备纳米薄膜的一种常用方法。
它利用高温或真空弧放电等方式将固体材料转化为蒸汽或离子形式，通过在衬底表面沉积形成薄膜。
该方法包括蒸发、溅射和激光烧结等技术，下面将介绍其中两种常用的物理气相沉积法。
- 蒸发法：将固体材料置于高温坩埚中，通过加热使其升华成蒸汽，然后沉积在预先清洁处理的衬底上。
蒸发法适用于制备高纯度、单晶和多晶材料的纳米薄膜。
- 溅射法：利用高能离子束轰击固体材料，使其表面物质脱离并形成蒸汽，然后沉积在衬底表面。
溅射法具有较高的原子密度和较好的原子堆积度，可用于制备复杂化合物或多元合金等纳米薄膜。
2. 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是使用气体反应来制备纳米薄膜的方法。
该方法通常在高温下进行，通过在反应气体中加入反应物质，并使其在衬底表面发生化学反应形成薄膜。
化学气相沉积法具有高产率、高纯度和较好的均匀性等优点，是制备大面积纳米薄膜的理想方法。
- 热CVD：在高温下进行反应，通过热分解或气相化学反应形成纳米薄膜。
此方法常用于制备二维材料如石墨烯等。
- 辅助CVD：加入辅助激发源如等离子体、激光或电弧等，以提供能量激活气体分子，使其发生化学反应形成纳米薄膜。
辅助CVD可以改善反应速率、增加产率和提高薄膜质量。
3. 溶液法溶液法是制备纳米薄膜的常用方法之一，适用于各种材料的制备。
具体步骤包括以下几个方面：- 溶液制备：将所需材料溶解在合适的溶剂中，形成可使溶液中纳米颗粒分散的溶液。
- 衬底处理：选择合适的衬底材料，并进行清洗和表面处理，以保证薄膜的附着和均匀性。
- 溶液沉积：将衬底浸入溶液中，控制溶液温度和浸泡时间，使纳米颗粒在衬底表面自发沉积。
制备高质量的纳米薄膜的实验方法分享
制备高质量的纳米薄膜的实验方法分享引言：纳米薄膜制备是一项重要的研究领域，应用于电子器件、光学涂层、传感器等众多领域。
高质量的纳米薄膜能够提高器件性能，因此研究人员一直在寻找有效的实验方法来制备高质量的纳米薄膜。
本文将分享一种常用的纳米薄膜制备方法。
实验方法：步骤1：薄膜材料的选择首先，需要选择合适的薄膜材料用于制备纳米薄膜。
常用的薄膜材料包括金属、半导体、氧化物等。
步骤2：基底的选择接下来，需要选择适合的基底用于支持纳米薄膜。
常用的基底材料包括硅、玻璃、聚合物等。
基底的选择应考虑纳米薄膜的成长方向和与薄膜材料的相互作用。
步骤3：制备样品表面的处理在制备纳米薄膜之前，需要对基底进行一系列的处理步骤，以确保样品表面的清洁和平整。
这些处理步骤可以包括超声清洗、化学处理以及机械抛光等。
步骤4：制备纳米薄膜的方法接下来，我们需要选择一种适合的方法来制备纳米薄膜。
常用的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溶液法等。
这里我们以物理气相沉积（PVD）为例进行说明。
物理气相沉积（PVD）是一种高温高真空下的薄膜制备方法。
其基本步骤包括：1. 准备目标材料：将目标材料制成方便加工的形状，如片状或颗粒状，以便在实验过程中使用。
2. 清洁真空腔体：确保真空腔体内的洁净度，以避免杂质对制备的纳米薄膜产生影响。
3. 加热目标材料：将目标材料加热至高温，使其蒸发或挥发。
4. 沉积纳米薄膜：目标材料蒸发或挥发后，沉积在基底表面形成纳米薄膜。
可以通过控制沉积时间、温度和气压来调节纳米薄膜的厚度和质量。
步骤5：纳米薄膜的性能表征和优化在制备纳米薄膜后，需要对其进行性能测试和优化。
常见的表征方法包括扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等。
根据测试结果，可以针对性地优化制备方法，以提高纳米薄膜的质量和性能。
结果和讨论：本文分享了一种常用的纳米薄膜制备方法——物理气相沉积（PVD）。
物理气相沉积是一种高温高真空下的薄膜制备方法，通过将目标材料加热至高温，使其蒸发或挥发后在基底表面形成纳米薄膜。
高性能纳米薄膜的制备与表征技术研究
高性能纳米薄膜的制备与表征技术研究引言高性能纳米薄膜的制备与表征技术是当前材料科学领域的重要研究方向之一。
纳米薄膜的制备技术已经在许多领域得到广泛应用，例如光电子学、催化剂、生物传感器等。
本文将介绍一些常见的高性能纳米薄膜制备与表征技术，并探讨其在不同领域的应用前景。
纳米薄膜的制备技术1. 物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition, PVD）PVD是一种常见的纳米薄膜制备技术，主要包括激发源、蒸发源和沉积源三个部分。
其中，常用的激发源有弧光、电子束和离子束等，通过激发源加热蒸发源，使其产生蒸汽，在沉积源上形成纳米薄膜。
2. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）CVD是另一种广泛使用的纳米薄膜制备技术，通过气相化学反应在基底表面形成纳米薄膜。
CVD又可分为热CVD和等离子体增强CVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）两种，前者主要通过加热反应气体，在基底表面形成纳米薄膜，后者通过气体的等离子体化，在基底表面形成纳米薄膜。
纳米薄膜的表征技术1. 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）SEM是一种常见的表征纳米薄膜形貌的技术。
其原理是利用电子束与样品表面相互作用，通过表面反射电子的信号来获得样品表面的形貌信息。
SEM可以提供高分辨率的表面成像，并能够观察纳米薄膜的表面形貌、颗粒尺寸和分布。
2. 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）AFM是一种用于表征纳米薄膜表面形貌和力学性质的技术。
其原理是在探针与样品之间施加微小的力，通过测量反馈的力来获得样品表面的拓扑图像。
AFM可以提供亚纳米级别的表面拓扑图像，同时还可以测量样品的力学性质，如硬度、弹性模量等。
纳米薄膜的应用前景1. 光电子学由于纳米薄膜具有较好的导电性和透明性，因此在光电子学领域具有广泛的应用前景。
纳米薄膜的制备与表征技术研究
纳米薄膜的制备与表征技术研究随着科技的不断发展，纳米材料作为材料科学中的新兴领域，引起了广泛的关注和研究。
纳米薄膜作为纳米材料的一种重要形态，在电子器件、光学器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
因此，纳米薄膜的制备与表征技术的研究也成为了当前材料科学领域的热点问题。
一、纳米薄膜的制备技术纳米薄膜的制备技术涉及到材料的沉积、结晶和组装等过程。
目前常用的纳米薄膜制备技术主要包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溶液法和电化学沉积等。
其中，PVD技术是一种通过蒸发、溅射或激光熔化等方法将材料沉积在基底上的制备方法；CVD技术则是利用气相反应将气体分子沉积在基底上，能够实现更高的材料均匀性和纳米尺寸的控制；溶液法主要是通过溶液中的化学反应使材料沉积在基底上，适用于大面积和复杂形状的基底制备；电化学沉积则是利用电流控制氧化还原反应，将材料直接沉积在基底上。
二、纳米薄膜的表征技术纳米薄膜的表征技术对于研究其结构、成分、形貌和特性具有关键的作用。
常见的纳米薄膜表征技术包括原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等。
AFM是一种基于原子力的高分辨率表面形貌和力学性质表征技术，适用于纳米尺度下的表面形貌分析。
SEM则是利用电子束扫描样品表面，测量电子束与样品相互作用所产生的信号，从而得到样品表面的图像。
TEM则是通过电子束通过样品并通过透射的方式形成高分辨率图像，能够观察到纳米尺度下的晶格结构和微观形貌。
XRD是利用X射线与材料中的晶格相互作用产生衍射信号的方法，通过分析衍射图谱可以得到材料的晶体结构和晶体尺寸等信息。
拉曼光谱则是基于材料对光的散射现象，通过测量散射光的频率和强度来确定材料的化学成分和结构。
三、纳米薄膜的应用前景由于纳米薄膜具有较大的比表面积和尺寸效应等特点，使其在电子器件、光学器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
pvd原理
pvd原理PVD原理。
PVD（Physical Vapor Deposition）是一种常见的薄膜沉积技术，它通过将固体材料加热至高温，使其蒸发并沉积在基底表面来形成薄膜。
PVD技术在各种工业领域中得到了广泛的应用，例如表面涂层、光学薄膜、导电膜等领域。
本文将介绍PVD技术的原理及其应用。
PVD原理。
PVD技术的基本原理是利用高能粒子轰击固体材料，使其蒸发并沉积在基底表面。
这种方法可以通过多种方式实现，包括物理气相沉积、溅射沉积、电子束蒸发等。
其中，物理气相沉积是最常见的一种方式。
在物理气相沉积中，固体材料首先被加热至其蒸发温度，然后形成的蒸气通过真空室中的减压系统输送到基底表面。
在这个过程中，蒸气分子会以高速运动并撞击基底表面，从而形成薄膜。
这种方法可以通过控制蒸气的输送速度、基底表面的温度和沉积时间来调节薄膜的厚度和性质。
PVD技术的优点在于可以在较低的温度下形成高质量的薄膜，并且可以实现对基底表面的较好附着。
此外，PVD薄膜具有较高的致密性和较好的化学稳定性，适用于各种复杂的工业环境。
PVD应用。
PVD技术在各种工业领域中得到了广泛的应用。
在表面涂层领域，PVD薄膜可以提供良好的耐磨性、耐腐蚀性和装饰性，适用于各种汽车零部件、工具刀具、钟表等产品的表面处理。
在光学薄膜领域，PVD薄膜可以实现对光的高效控制，适用于各种镜片、滤光片、反射镜等光学元件的制备。
在导电膜领域，PVD技术可以制备出高导电性的金属薄膜，适用于各种电子元件、太阳能电池等领域。
总结。
PVD技术是一种常见的薄膜沉积技术，其原理是利用高能粒子轰击固体材料，使其蒸发并沉积在基底表面。
PVD技术具有较好的薄膜质量和较广泛的应用领域，在各种工业领域中得到了广泛的应用。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地理解PVD技术的原理及其应用。
第九章-1 物理溅射技术
真空室 反应气体管道 充气管道
脉冲激光沉积
衬底 厚度监控仪 激光束
Plume
真空泵
靶材
④ 磁控溅射
• DC ( 导电材料 ) • RF ( 绝缘介质材料 ) • 反应 (氧化物、氮化物) 或不反应 ( 金属 )
溅射靶材
溅射过程的物理模型
入射离子 +
真空
靶材固体
溅射粒子 （离子或中性粒子）
E keV
择优溅射
• 靶材中的不同成分的溅射产值不一样 • 不同成分的出射速度不一样 • 薄膜的化学配比与靶材会有差别
附加磁场的优点
• 限制溅射离子的轨道 • 增加离子在气体中停留的时间 • 增强等离子体和电离过程 • 减少从靶材到衬底路程中的碰撞 • 高磁场附近的产值比较高
磁控溅射中的重要参数
可沉积复杂形状基片，沉 积率高，均匀性好，基片温 度低，易于制备理想化学计 量比的化合物或合金。
离子镀的优点
➢ 增加了对沉积束团的控制； ➢ 与基片结合良好； ➢ 在低温下可实现外延生长； ➢ 形貌可变； ➢ 可合成化合物； ➢ 可在低温衬底沉积，避免高温引起的扩散
蒸发、溅射和离子镀特点比较
类型 蒸发
真空室 反应气体管道 充气管道
电子枪
电子束蒸发
衬底
Plume 真空泵
厚度监控仪 坩埚与材料
Substrate fixture
E-Gun Crucible
常用蒸发材料形态
③ 脉冲激光沉积
• 用高能聚焦激光束轰击靶材 • 蒸发只发生在光斑周围的局部区域 • 蒸发材料被直接从固体转化为等离子体 • 能轰击出来大尺寸的颗粒 • 光束渗透深度小 ~ 100 A, 蒸发只发生在靶
Growth chamber
纳米薄膜材料
(2)光学薄膜
①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 、A12O3 、 TiO2 等 ) 薄膜组成 的宽带减反射膜；夜视仪和红外设备的镜头上 所用的ZnS、CeO2等红外减反射膜。 ②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。 ③分光镜和滤光片。例如：彩色扩印与放大设备 中所用红、绿、蓝三原色滤光片上镀的多层膜。
(C)蒸镀方法
①电阻加热蒸镀。加热器材料常使用钨、钽等高 熔点金属，蒸发材料可以是丝状、带状或板状。 ②电子束加热蒸镀。 ③合金膜的制备。沉积合金膜，应在整个基片表 面和膜层厚度范围内得到均匀的组分。 两种方式：单电子束蒸发源沉积和多电子束 蒸发源沉积(图3.6)。 多电子束蒸发源：由隔开的几个坩埚组成，坩 埚数量按合金元素的多少来确定，蒸发后几种 组元同时凝聚成膜。 单电子束蒸发源：有分馏问题。
(5)装饰膜 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、艺美术品、“金”线、“银” 线、日用小商品等的铝膜、黄铜膜、不锈钢膜 等。
(6)包装膜 用于香烟包装的镀锡纸；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
(4)有机分子薄膜
定义：有机分子薄膜也称LB(LangmuirBlodgett)膜，它是有机物，如羧酸及其盐、脂 肪酸烷族和染料、蛋白质等构成的分子薄膜。 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。
pvd原理
pvd原理
PVD（Physical Vapor Deposition）是一种利用物理原理进行薄膜沉积技术。
其实现原理可以大致分为下面几个步骤：
1. 向真空管内捕获源材料：将需要进行沉积的源材料在真空管中进行
激发，以便转换为用于沉积的原子（分子）状态。
2. 产生高速离子流：将小分子状态的源材料放入真空管中，利用高能
量激励元素，生成高速原子离子流。
3. 将原子离子流定向放在基体表面：通过磁场、电场等控制，使原子
离子流定向放置于基体表面，并逐渐向基体表面上形成薄膜。
4. 完成薄膜沉积：薄膜沉积时，被沉积材料的原子离子流定向放置于
基体表面，原子离子的路径与其他源材料的原子非常相近，于是形成
不间断的稳定层，形成薄膜沉积。
5. 生成最终的薄膜：薄膜沉积完成后，把最终沉积出来的薄膜从真空
管中移到操作台上，使最终的薄膜形成。
PVD技术具有精度高、各向异性指数低、易于控制厚度的优点，因此，它在微电子、电子仪器、汽车、航空航天等行业得到了广泛的应用。
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由此表可见大多数金 属的蒸发温度都在 1000度到 度到2000度之 度到 度之 间，而钨、钼的熔点 而钨、 都高于2000度，因 度 都高于 此加热的金属材料一 般都选钨、钼。 般都选钨、
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纳米材料及纳米工艺
第三章 纳米薄膜材料
电阻材料的要求∶耐高温、高温下蒸汽压低、 电阻材料的要求∶耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发 物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。 物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。 所以一般是难熔金属∶ 、 和 等 所以一般是难熔金属∶W、Mo和Ta等
A:钨丝加热器 钨丝加热器
将钨丝绕制成各种直径或不等直径的 螺旋状即可作为加热源。在融化以后、 螺旋状即可作为加热源。在融化以后、 即可作为加热源 被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、 被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、 靠表面张力保持在螺旋钨丝中、 靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与 钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。 钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。
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第三章 纳米薄膜材料
9．2纳米薄膜材料制备技术 ． 纳米薄膜材料制备技术
材料化学系
1、物理方法
真空蒸发(单源单层蒸发；单源多层蒸发； 1）、真空蒸发 (单源单层蒸发； 单源多层蒸发； 多源反应共蒸发) 多源反应共蒸发) 2）、磁控溅射 离子束溅射（ 单离子束( 反应) 溅射； 9 ） 、 离子束溅射 （ 单离子束 ( 反应 ) 溅射 ； 双离 子束(反应)溅射；多离子束反应共溅射） 子束(反应)溅射；多离子束反应共溅射） 4）、分子束外延(MBE) 分子束外延(
纳米薄膜材料
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第三章 纳米薄膜材料
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第三章 纳米薄膜材料
薄膜材料是相对于体材料而言的， 薄膜材料是相对于体材料而言的，是人 们采用特殊的方法， 们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或 制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。 制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。 薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特 殊的材料性能或材料组合。 殊的材料性能或材料组合。 材料性能或材料组合
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第三章 纳米薄膜材料
b:纳米复合结构薄膜：通过纳米粒子复合 纳米复合 薄膜： 提高机械方面的性能
硬度，磨损， a) 硬度，磨损，摩擦 TiN, CrN, ZrN, TiC, CrC, ZrC, Diamond b)腐蚀 b)腐蚀 NiAu, Zn, Sn, Ni-Cr, TiN, BN
目的：避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片。 目的：避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片。
在高真空度的情况下 ( 真空度 10 - 2 Pa)， 沉积物 真空度≤10 Pa)，
与残余气体分子很少碰撞， 基本上是从源物质直线 与残余气体分子很少碰撞 ， 到达基片，沉积速率较快； 到达基片，沉积速率较快；
若真空度过低 ， 沉积物原子频繁碰撞会相互凝
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第三章 纳米薄膜材料
纳米粒子： 金属、半导体、绝缘体、有机高分子 纳米粒子： 金属、半导体、绝缘体、 “纳米复合薄膜” 纳米复合薄膜”
基体材料： 基体材料： 不同于纳米粒子的任何材料
复合薄膜系列： 复合薄膜系列： 金属／绝缘体、半导体／绝缘体、金属／半导体、 金属／绝缘体、半导体／绝缘体、金属／半导体、 金属／高分子、半导体／ 金属／高分子、半导体／高分子
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第三章 纳米薄膜材料
薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展 最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因∶ 最为迅速的一个分支种材料的性能都有其局限性。薄膜技术 29器件的微型化不仅可以保持器件原有的功 1 现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发 现代科学技术的发展， 作为材料制备的有效手段， 作为材料制备的有效手段，可以将各种不同 并使之更强化 更强化， 能，并使之更强化，而且随着器件的尺寸减 打破了过去体材料的一统天下。 展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众 的材料灵活地复合在一起， 的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特 小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微 多材料组合才能实现的功能， 多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数 性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势， 性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势 观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全 观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全 几个器件或一块集成电路就可以完成。 几个器件或一块集成电路就可以完成。薄膜技术， 避免单一材料的局限性 新的物理现象。 新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的 正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。 正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。 关键技术， 关键技术，是制备这类具有新型功能器件的 有效手段。 有效手段。
压电薄膜： 压电薄膜：AlN, ZnO, LiNbO9, BaTiO9, PbTiO9 b) 光学性质 吸收，反射，增透膜： 吸收，反射，增透膜： Si, CdTe, GaAs, CuInSe2, MgF 发光膜： 发光膜： ZnS, ZnSe, AlxGa1-xAs, GaN, SiC 装饰膜： 装饰膜：TiN/TiO2/Glass, Au, TiN
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第三章 纳米薄膜材料
直流溅射法
交流溅射法
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2、化学方法 1）化学气相沉积(CVD)：金属有机物化学气相沉 化学气相沉积(CVD)： 热解化学气相沉积； 积；热解化学气相沉积；等离子体增强化学气相 沉积；激光诱导化学气相沉积； 沉积；激光诱导化学气相沉积；微波等离子体化 学气相沉积。 学气相沉积。 溶胶2) 溶胶-凝胶法 9)电镀法 9)电镀法
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第三章 纳米薄膜材料
a:纳米复合功能薄膜：利用纳米粒子所具有的光、电、 纳米复合 薄膜：利用纳米粒子所具有的光、 磁方面的特异性能， 磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具备的性 从而获得传统薄膜所没有的功能。 能，从而获得传统薄膜所没有的功能。
a)电磁学性质
导电薄膜： 导电薄膜：Au, Ag, Cu, Al, NiCr, NiSi2, NiSi, CoSi2, TiSi2, SnO2 电介质薄： 电介质薄：SiO2, CaF, BaF2, Si9N4, AlN, BN, BaTiO9, PZT(PbZr1-xTixO9) 半导体薄膜：Si, Ge, C, SiC, GaAs, GaN, InSb, CdTe, CdS, ZnSe 半导体薄膜： 超导薄膜： 超导薄膜：YBCO (YBa2Cu9O7) 磁性薄膜： CoMn磁性薄膜： Co-Cr, Mn-Bi, GdTbFe, La1-xCax(Srx)MnO9
2. 蒸镀(Evaporation) 蒸镀(Evaporation)
定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相， 定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，
然后凝聚在基体表面的方法。(见书上 图) 然后凝聚在基体表面的方法。 见书上p52图 见书上
<真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册 真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册> 真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册
(1)蒸镀原理 (1)蒸镀原理
在高真空中， 在高真空中 ， 将源物质加 热到高温， 热到高温， 相应温度下的 饱和蒸气向上散发。 饱和蒸气向上散发。 基片设在蒸气源的上方阻 挡蒸气流， 挡蒸气流， 蒸气则在基片 上形成凝固膜。 上形成凝固膜。 为了补充凝固蒸气， 为了补充凝固蒸气， 蒸发 源要以一定的速度连续供 给蒸气。 给蒸气。
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第三章 纳米薄膜材料
(2)蒸镀方法 (2)蒸镀方法 •①电阻加热蒸镀 ① •②电子束加热蒸镀 ② •③合金膜的制备 ③ •④化合物膜的制取 ④ •⑤分子束外延 ⑤ • ⑥ 激光蒸发镀膜
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第三章 纳米薄膜材料
①电阻加热蒸镀 电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器， 电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器，并 将膜材料放在上面加热，利用电流的热效应使加热器温 将膜材料放在上面加热，利用电流的热效应使加热器温 度达到材料蒸发的温度，膜材料蒸发并淀积在基板上。 度达到材料蒸发的温度，膜材料蒸发并淀积在基板上。
聚为微粒， 薄膜沉积过程无法进行， 聚为微粒 ， 使 薄膜沉积过程无法进行 ， 或薄膜质量 太差。 太差。
(9)气相物质的沉积 9)气相物质的沉积 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程 。 根据凝聚条件的不同， 可以形成非晶态膜 非晶态膜、 根据凝聚条件的不同 ， 可以形成 非晶态膜 、 多晶膜或单晶膜。 多晶膜或单晶膜。 若在沉积过程中， 沉积物原子之间发生化学 若在沉积过程中 ， 反应形成化合物膜，称为反应镀 反应镀。 反应形成化合物膜，称为反应镀。 若用具有一定能量的离子轰击靶材， 若用具有一定能量的离子轰击靶材 ， 以求改 变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀 离子镀。 变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀。
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第三章 纳米薄膜材料
金属有机物化学沉积
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第三章 纳米薄膜材料
薄膜性质参数
<厚度均匀度 <表面平坦度粗糙度 <成分晶粒尺寸 <不含应力 <纯度 <整体性 -沉积膜必须材质连续、不含针孔 沉积膜必须材质连续、 沉积膜必须材质连续 -膜层的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱 膜层的厚度影响： 膜层的厚度影响 电阻，薄层易含针孔， -覆盖阶梯形状特别重要，膜层厚度维持不变的能力 覆盖阶梯形状特别重要， 覆盖阶梯形状特别重要
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第三章 纳米薄膜材料