薄膜材料的表征方法一
金属薄膜厚度的表征及其影响因素研究
金属薄膜厚度的表征及其影响因素研究随着科技的不断发展，金属薄膜的制备工艺也越来越成熟。
金属薄膜广泛应用于各个领域，如光学、电子、医学、材料学等。
在应用中，金属薄膜的厚度是一个非常重要的参数，对于金属薄膜的性能表现和应用效果有着至关重要的影响。
本文将探讨金属薄膜厚度的表征及其影响因素研究。
一、金属薄膜厚度的表征方法1.刻蚀法:通过对金属薄膜进行刻蚀，利用刻蚀速率与膜厚之间的关系，计算出薄膜的厚度。
2.激光干涉法:利用激光的干涉效应原理，测定薄膜的厚度。
3.扫描电子显微镜法:通过扫描电子显微镜的成像分析，计算出薄膜的厚度和表面形貌。
4.X射线衍射法:利用X射线的特性，通过对薄膜的衍射图谱分析，得到薄膜的晶体结构和厚度信息。
5.拉曼光谱法:通过拉曼散射光谱的检测方法，获取薄膜的厚度和组成等信息。
以上几种方法是常用的金属薄膜厚度表征方法。
在实际应用中，要根据不同金属材料和薄膜制备工艺的特性选择合适的测量方法。
二、金属薄膜厚度的影响因素1.沉积时间:金属薄膜的厚度与沉积时间有很大关系。
一般来说，沉积时间越长，膜厚越大。
但是同时也要注意避免沉积时间过长，导致薄膜的颗粒度增大、热应力大等问题。
2.沉积速率:沉积速率是金属薄膜厚度的另一个重要影响因素。
一般来说，沉积速率越快，膜厚也会越大。
但是过快的沉积速率也会导致薄膜的晶体结构紊乱，影响薄膜的质量。
3.沉积物质浓度:沉积物质浓度是影响金属薄膜厚度的关键因素。
在保证沉积物质充足的情况下，增加沉积物质浓度可以有效提高金属薄膜的厚度。
4.衬底材料:不同的衬底材料对于金属薄膜的沉积也会产生不同的影响。
一些表面粗糙度较高的衬底材料会使薄膜颗粒粗糙、岔枝增多，影响其质量和性能。
5.工艺条件:不同的金属薄膜制备工艺条件也会影响膜厚的测量和控制。
因此，要根据不同的工艺条件和制备流程，选择合适的厚度测量方法和控制手段，以保证薄膜的质量和性能。
三、结论金属薄膜作为一种重要的材料，在生产和工程中得到了广泛的应用。
薄膜材料的表征方法
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
膜厚d 的计算
通常,光波的偏振状态由两个参数描述:振幅和相位。为方便 起见,在椭偏仪法中,采用Ψ 和△这两个参数描述光波反射时 偏振态的变化,它们的取值范围为: 0 ≤Ψ ≤π/ 2 ,0≤△< 2π。 (Ψ , △) 和( Rp , Rs) 的关系定义为总反射系数的比值,如下 式所示 Rp/Rs＝tanyexp（iΔ） 式中, tgΨ 表示反射前后光波P、S 两分量的振幅衰减比, △=δp -δs 表示光波P、S 两分量因反射引起的相应变化之 差。 由此可见,Ψ 和△直接反映出反射前后光波偏振状态的变化。 在波长、入射角、衬底等确定的条件下,Ψ 和△是膜厚和薄 膜折射率( n) 的函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n) 结合公式，测量y和Δ，就可以求出薄膜折射率n和薄膜的 厚度d。
薄膜表征_薄膜材料与薄膜技术
6.2 薄膜形貌和结构的表征方法
依据尺度范围考虑，薄膜结构的研究分三个层次：
• 薄膜的宏观形貌:包括尺寸、形状、厚度、均匀性； • 薄膜的微观形貌:如晶粒及物相的尺寸大小和分布、
空洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构； • 薄膜的显微组织:包括晶粒的缺陷、晶界及外延界面
的完整性、位错组态等。
可采用的表征方法：
透明膜，数学分析复杂
需制备台阶
精度取决于薄膜密度 厚度较大时具有非线性
效应
（1）椭偏仪法
利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状态的现
象，来测量薄膜厚度和光学常数。当偏振光入射在具有
一定厚度h的薄膜上，处于入射面的偏振光分量p和垂直
Байду номын сангаас
入射面的偏振光分量s的反射系数R、透射系数T如下：
p
s
空气
0
薄膜 h
6.1薄膜厚度测量
方法
等厚干涉 法
等色干涉 法
椭偏仪法
表面粗糙 度仪 称重法
石英晶体 振荡器法
测量范围 精度 3-2000nm 1-3 nm
1-2000nm 0.2 nm
零点几纳米 0.1 nm 到数微米 大于2 nm 零点几 纳米 无限制 至数微米 0.1 nm
说明 需制备台阶和反射层
需制备台阶、反射层和 光谱仪
电磁透镜：使原来直径约为 50mm的束斑缩小成一个只有 数nm的细小束斑。
扫描线圈：提供入射电子束在 样品表面上和荧光屏上的同 步扫描信号。
样品室：样品台能进行三维空 间的移动、倾斜和转动。
（b）信号检测放大系统 检测样品在入射电子作用 下产生的物理信号，然后 经视频放大作为显像系统 的调制信号。
（3）吸收电子（absorption electrons, AE）
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
薄膜材料的制备和表征分析
薄膜材料的制备和表征分析近年来，薄膜材料的制备和表征分析已经成为了一个热门的研究领域。
薄膜材料，指的是厚度在几纳米到几百微米之间的材料，由于其极小的尺寸和高比表面积，具有很多独特的物理、化学和材料特性。
这种材料近年来被广泛应用于复杂的电子器件、生物医学、分析化学等领域。
因此，对薄膜材料的制备方法和表征分析技术进行深入的研究和探究，有助于更好地开发和应用这种材料。
一、薄膜材料制备技术薄膜材料的制备技术有很多种类。
常见的制备方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射镀膜、离子束镀膜、分子束外延以及涂覆法等。
其中，物理气相沉积通常使用的设备是真空蒸发装置。
在它的内部，材料样品被放在坩埚中。
而且通过高压电弧，材料样品被化为离子状态和粒子状态的气体。
这些气体以极高浓度流被导入真空室中，使其射到表面上，从而形成薄膜。
化学气相沉积是一个沉淀对应物质的方法，它是一种将气态物质化为固态物质的方法。
其核心原理是在气相沉积过程中，物质原子或分子通过化学反应，形成薄膜。
溅射镀膜是利用氩离子轰击靶材使材料离开靶材沉积在基板表面上形成薄膜。
离子束镀膜和分子束外延则是利用起始物质，通过强气流、热电子和离子的束束出射，碰撞到物质的靶材，然后使其形成薄膜。
涂覆法比较简单，通常是一种在基板表面上涂覆薄膜溶液或者膜浆，然后通过烘干、烘烤等处理过程形成自臻的薄膜。
此外，近年来又兴起了一种被称为“自组装”的制备方法，如自组装膜、自组装量子点等，这种方法利用材料分子之间的相互作用力，通过自发的方式组装形成薄膜。
二、薄膜材料表征分析技术表征分析技术是研究薄膜材料特性的重要手段，它可以为薄膜材料的使用和进一步研究提供基础性数据和依据。
常见的表征分析技术包括扫描电镜成像、X射线衍射、拉曼光谱、电子能谱等。
扫描电镜是一种利用电子束照射样品表面，通过检测样品电子信息制成图片或场景的技术。
它可以提供材料表面的拓扑形态，包括结构、相貌和纹理等特征。
X射线衍射技术通过探测材料的晶体结构，实现快速精确地分析材料的进化、物性与性能等方面的问题。
薄膜材料的表征与测量方法
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§6.3 薄膜成分的表征方法
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§6.4 薄膜附着力的测量方法
对薄膜最基本的性能要求之一：对衬底 的附着力要好。
薄膜附着力测试方法的共同点：在对薄 膜施加载荷的前提下，测量薄膜脱落时 的临界载荷。测试结果只具有定性意义 。
刮剥法和拉伸法。
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刮剥法
将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载 荷对薄膜进行划伤试验的方法来评价薄膜的附 着力。
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扫描隧道显微镜（STM）
1981年，美国IBM公司Prof. G. Binning 和Dr. H. Rohrer发明了扫描隧道电子显 微镜（Scanning Tunneling Microscope） ，简称STM。（1986年获诺贝尔物理奖 ）
原理：利用量子力学中的隧道效应对样 品表面进行分析，可以直接观察到原子 ，是目前进行表面分析的最精密的仪器 。
有分辨率高、观察景深长。 可以采用不同的图像信息形式。 可以给出定量或半定量的表面成分分析结
果。
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二次电子像
二次电子：入射电子从样品表层激发出 来的能量最低的一部分电子。它们来自 样品表面最外层的几层原子。
二次电子像：较高的分辨率。 需要样品具有一定的导电能力，对于导
电性较差的样品，可以采用喷涂一层导 电性较好的C或Au膜的方法，提高样品 表面的导电能力。
关系。h普朗克常数，m、q
电子的质量和电量。
h
2mqV
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将透射束和衍射束斑点组成的图像投影到 荧光屏上，就给出了晶体在特定入射方向 上的衍射谱，包含的结构信息：
晶体点阵的类 型和点阵常数
晶体的相对位 向
与晶粒的尺寸 大小、挛晶等 有关的晶体显 微缺陷方面的 信息。
薄膜材料的表征方法-16-2012
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6、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）
场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可达1-2 nm
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PbTiO3 Nanowires
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3、透射电子显微镜
（Transmission Electronic Microscope）
特点：电子束一般不再采取扫 描方式对样品的一定区域进行 扫描，而是固定地照射在样品 中很小的一个区域上；透射电 子显微镜的工作方式是使被加 速的电子束穿过厚度很薄的样 品，并在这一过程中与样品中 的原子点阵发生相互作用，从 而产生各种形式的有关薄膜结 构和成分的信息。 工作模式：影像模式和衍射模 式（两种工作模式之间的转换主要
(2m 1) d 4n1
对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
(m 1) d 2n1
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需 要设计出强振荡关系的具体测量方法。
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（1）利用单色光入射，但 通过改变入射角度（及反射 角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉 法（VAMFO），其测量装 臵原理图如图。 （2）使用非单色光入射薄 膜表面，在固定光的入射角 度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被 称为等角反射干涉法 （CARIS）。 注意：以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光 程差变化以及其导致的光的干涉效应。 10
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2）称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话， 由公式
m d A
就可以计算出薄膜的厚度d。 缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。
薄膜材料的表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
薄膜材料性能表征方法介绍
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
薄膜表征技术
（3）透明薄膜厚度的测量
干涉法
对于透明薄膜来说，其厚度也可以用上述等厚干涉法进行测量，仍需要在
n( AB BC) AN 2nd cos N sin ' n sin
观察到干涉极小的条件是光程差等于(N+1/2） 其中N为正整数，’为入射角，为薄膜内的折 射角。
（2）不透明薄膜厚度的测量
如果被研究的薄膜不透明，而且在沉积薄膜时或在沉积之后能够制备出
待测薄膜的一个台阶，就可以用等厚干涉条纹或等色干涉条纹法方便地测出 台阶的高低。 等厚干涉条纹的测量装置如下图(a)所示. 首先，在薄膜的台阶上下均匀地沉降一层高反射的金属层。然后在薄膜 上覆盖一块半反半透的平面镜。由于在反射镜与薄膜表面之间一般总不是完 全平行的，因而在单色光的照射下，反射镜和薄膜之间光的多次反射将导致 等厚条纹的产生。
等色干涉条纹法 等色干涉条纹法的实验装置稍有不同。等色干涉条纹法需要将反射镜与薄 膜平行放置，另外要使用非单色光照射薄膜表面，并采用光谱仪分析干涉极 大出现的条件。这样，不再出现反射镜倾斜所引起的等厚干涉条纹，但由光 谱仪仍然可以检测到干涉极大。 相邻两条干涉极大产生的条件为：
S N1 ( N 1)2 2d ( S d ) 2S N 2 d 2(1 2 )
测量原理及装置如右图所示。
在样品角度连续变化的过程中， 在光学显微镜下可以观察到干涉 极大和极小交替出现。得出光的 干涉条件为：
d
N 2n1 cos
变角度法测量透明薄膜厚度的装置示意图
薄膜材料的表征方法-
❖ 要测膜厚,首先要制备出有台阶得薄膜。制 备台阶得方法常用掩膜镀膜法,即将基片得 一部分用掩膜遮盖后镀膜,去掉掩膜后形成 台阶。由于掩膜与基片之间存在着间隙,因 此这种方法形成得台阶不就是十分清晰,相 对误差也比较大,但可以通过多次测量来提 高精确度,探针扫过台阶时就能显示出台阶 两侧得高度差,从而得到厚度值。
❖ 椭偏光谱学就是一种利用线偏振光经样品反射后转变
为椭圆偏振光这一性质以获得样品得光学常数得光谱 测量方法,它区别于一般得反射透射光谱得最主要特 点在于不直接测算光强,而就是从相位空间寻找材料 得光学信息,这一特点使这种测量具有极高得灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构,如消光式、光度式等,消光式 椭偏仪通过旋转起偏器与检偏器,对某一样品,在一定 得起偏与检偏角条件下,系统输出光强可为零。由消 光位置得起偏与检偏器得方位角,就可以求得椭偏参 数。然而,这种方法在具有较大背景噪声得红外波段
❖ 主要缺点就是: ①容易滑伤较软得薄膜并引起测量误差; ②对于表面粗糙得薄膜,其测量误差较大; ③需要事先制备带有台阶得薄膜样品; ④只能用来测量制成得薄膜得厚度,不能用于
制膜过程中得实时监控。
3.2 薄膜结构得表征
❖ 薄膜结构得表征方法(扫描电子显微镜:透射电子显微镜;X射线 衍射方法;低能电子衍射与反射式高能电子衍射)
常用薄膜厚度测量方法
❖ 薄膜厚度得测量广泛用到了各种光学方法。这就是因为, 光学方法不仅可被用于透明薄膜,还可被用于不透明薄膜; 不仅使用方便,而且测量精度高。这类方法多利用光得干 涉现象作为测量得物理基础。
❖ 椭圆偏振仪原理及应用:
❖ 在椭圆偏振技术(Ellipsometry)发展起来之前,早期光学常 数得测量通常就是在一定光谱范围内测量正入射样品得 反射率,然后由K-K关系分析获得材料得复折射率、复介 电函数等光学常数。在Drude与Stutt提出物理得测量原 理之后,经过人们得不懈努力,这一方法得到了不断得完善。
薄膜材料的表征
生物医学领域
总结词
薄膜材料在生物医学领域的应用主要包括生物传感器、药物载体、组织工程等。
详细描述
由于薄膜材料的生物相容性和良好的机械性能，它们在生物医学领域中具有广泛的应用 前景。例如，薄膜材料可以作为生物传感器的敏感膜，用于检测生物分子或细胞；也可 以作为药物载体，实现药物的定向传输和释放；还可以作为组织工程的支架材料，用于
光学器件领域
总结词
薄膜材料在光学器件领域的应用主要涉及滤 光片、反射镜、增反膜等。
详细描述
薄膜材料具有高反射性、高透射性、高定向 性等特点，因此在光学器件领域中具有广泛 的应用前景。通过在光学元件表面制备不同 特性的薄膜，可以实现各种光学器件的功能 ，如反射镜可以改变光的方向，滤光片可以
过滤特定波长的光等。
详细描述
透射电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数，能够观察薄膜材料的晶格条纹、晶界、相界等微观结构特征，并提 供更深入的晶体结构和相组成信息。
04 薄膜材料的物理性能表征
电学性能
描述薄膜材料的导电能力、 介电常数等电学性质。
•·
导电性能：通过测量薄膜 的电阻、电导率等参数， 评估其导电能力。
电荷输运机制：研究薄膜 中电荷的输运方式，如电 子、空穴的传输特性。
薄膜材料的表征
目录
CONTENTS
• 引言 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的结构表征 • 薄膜材料的物理性能表征 • 薄膜材料的化学性能表征 • 薄膜材料的实际应用与展望
01 引言
目的和背景
薄膜材料在电子、光学、生物医学等 领域具有广泛应用，对其性能的表征 是实现有效应用的关键。
表征的目的在于了解薄膜材料的结构、 成分、物理和化学性质，为优化制备 工艺、提高性能提供依据。
聚合物薄膜表面分子取向的表征方法
简介控制聚合物分子的取向通常可以采用单轴定向拉伸、高电场薄膜极化、紫外偏振光照射含有光敏基团的聚合物等方法，也可以采用偏振激光辐射气相化学沉积法，得到单一取向的高分子薄膜。
目前，取向技术在压电材料、二阶非线性谐波材料以及液晶定向技术中得到广泛应用。
在液晶显示器制作中，聚合物表面取向的分子链用于控制液晶分子的定向方向，而取向分子链的获得主要是通过绒布摩擦法。
即将涂布于基板上的高分子薄膜(一般是聚酰亚胺)经过摩擦后，聚合物表面的部分分子链或链段发生了沿着摩擦方向排列的取向现象。
而其上的液晶分子因受到聚合物分子链各向异性的相互作用而引起定向排列。
为了进一步发展高性能的液晶显示器，必须了解磨擦取向高分子薄膜的取向特性，所以聚合物薄膜分子取向的表征技术得到了快速发展。
这其中包括傅立叶红外技术、偏振紫外技术、二次谐振产生(SHG)观察法、反射椭圆偏振技术(TRE)、近场X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)[]、掠角X射线衍射技术(GIXS)[以及核磁共振技术等等。
01紫外-可见光谱法对有机二阶非线性光学材料，在极化前后，随着生色团取向的变化，豪合物的紫外-可见吸收光谱也会发生变化。
假定分子的跃迁矢量平行于其永久基态偶极矩，就可以用偏振垂直于极化方向的光测定膜的吸光度，由极化前后的吸光度可求其序参数：φ=(1-A1)/A0=(3cos²θ-1)/2，其中A0为极化前的吸光度，A1为极化后的吸光度，θ为薄膜的取向角，序参数可反映薄膜或基团的取向程度。
图中为极化前后含偶氮基团的聚胺酯酰亚胺(PUI)薄膜的紫外-可见吸收光谱。
从谱图可以看出，高电场极化使得偶极矩发生取向而引起分子二向色性的变化。
由于偶极矩发生面外取向，因而极化后膜的最大吸收峰值下降。
02傅立叶红外光谱技术对于透射红外光谱，化学基团的吸收是指该基团偶极矩在垂直于入射光平面上的分量的吸收，如果基团发生了面外的取向(如电极化，激光诱导等)，则其偶极矩在入射光的垂直平面上的分量将减少，因此通过测定处理前后透射红外光谱的变化，可以了解化学基团的面外取向情况。
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告实验报告：磁控溅射法制备薄膜材料一、引言薄膜材料广泛应用于电子器件、光学器件等领域，其性能直接影响着器件的性能。
磁控溅射法是一种常用的制备薄膜材料的方法，通过在真空环境下，利用磁控电子束或离子束轰击源材料的表面，使源材料蒸发并沉积在基底上，从而得到所需的薄膜材料。
本实验旨在通过磁控溅射法制备一种特定的薄膜材料，并对其形貌、结构和成分进行表征。
二、实验方法1.实验仪器与材料本实验使用的主要仪器设备有磁控溅射设备、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）。
实验材料包括源材料、基底材料和溅射气体。
2.实验步骤（1）将源材料加载到磁控溅射设备的靶位上，并安装好基底材料。
（2）将真空室抽气至高真空状态，确保实验环境稳定。
（3）开启溅射气体，调节其流量和压力，使其保持合适的工作状态。
（4）通过操纵磁控溅射设备的参数，包括溅射功率、工作距离等，进行溅射，沉积薄膜材料在基底上。
（5）制备完成后，将样品取出，进行表征。
三、实验结果与分析通过SEM观察，薄膜材料的表面形貌均匀，没有明显的颗粒和裂纹，呈现出光滑的特点。
通过透射电子显微镜（TEM）的观察，薄膜材料的厚度约为100 nm，呈现出均匀的结构。
通过XRD分析，薄膜材料的晶体结构为立方晶系，晶面取向较好。
通过对XRD图谱的解析，还可以得到薄膜材料的晶格常数、晶粒大小等信息。
通过能谱仪的分析，可以确定薄膜材料的成分。
实验结果显示，制备的薄膜材料主要由目标材料的原子组成，没有掺杂物的存在。
四、讨论与改进通过磁控溅射法制备的薄膜材料，表面形貌均匀且结构良好，符合预期需求。
但是，在实验过程中，我们发现了一些问题，如薄膜材料的制备速率较慢、材料的含气量较高等。
为了解决这些问题，我们可以在实验过程中进行参数的优化，如调节溅射功率、溅射时间等，以提高制备速率；同时可以加入适量的氩气来降低材料的含气量。
此外，在薄膜材料的表征上，我们只是使用了SEM、XRD和能谱仪等仪器进行了一些基本的表征，对于材料的电学、光学等特性并没有进行深入的研究。
薄膜材料的表征
薄膜材料的表征新能源12级3班杨铎12191070摘要：薄膜材料和薄膜器件日益广泛应用及其可靠性指标体系的日益健全，要求学术界对其结构和性能的特殊性给出科学解释。
因此，薄膜材料的表征对材料的应用是至关重要的。
薄膜样品结构和性能的表征依赖测试设备及测试方法。
薄膜材料的表征参数通常包括薄膜厚度，这通常用探针法等进行测量；薄膜形貌表征，主要通过扫描隧道显微镜、原子力显微镜等进行测量；薄膜成分的表征，它主要用X射线电子能谱、俄歇电子能谱来测量；薄膜晶体结构的表征，它通常使用X射线衍射仪或电子衍射仪来测量；薄膜的应力表征，这可以通过直接测量变形量方法和简介X射线衍射测量方法等对其来进行测量。
通过对以上内容的概括和总结及对比总结出薄膜材料的测试的研究情况。
关键词：薄膜，测试，表征1. 薄膜简介1.1薄膜材料的发展在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。
自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。
生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。
生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。
细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。
膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。
细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。
细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。
1.2薄膜材料的应用人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。
它的一个很重要的应用就是海水的淡化。
虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。
薄膜材料的表征
制备台阶旳措施
常用掩膜镀膜法，即将基片旳一部分用掩膜遮 盖后镀膜，去掉掩膜后形成台阶。因为掩膜与 基片之间存在着间隙，所以这种措施形成旳台 阶不是十分清楚，相对误差也比较大，但能够 经过屡次测量来提升精确度，探针扫过台阶时 就能显示出台阶两侧旳高度差，从而得到厚度 值。
其测量装置原理图如图4.4所示。在样品角度 连续变化旳过程中，在光学显微镜下能够观察
到干涉极大和极小旳交替出现。得出光旳干涉
条件（式 4.10）为 ：
d
N
2n1 cos
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图4.4 变角度法测量透明薄膜厚度旳装置 示意图
等角反射干涉法（CARIS）
测量透明薄膜厚旳第二种措施是使用非 单色光入射薄膜表面，在固定光旳入射 角度旳情况下用光谱仪分析光旳干涉波 长。这一措施被称为等角反射干涉法 （CARIS）。在这一措施中，干涉极大 或极小旳条件仍为式（4.10），但N与 λ在变化，而 θ不变，因而
此类措施所根据旳原理一般是不同薄膜 厚度造成旳光程差引起旳光旳干涉现象。
1．光旳干涉条件
首先研究一层厚度为d、折射率为n旳薄
膜在波长为λ旳单色光源照射下形成干涉 旳条件。
显然要想在P点观察到光旳干涉极大，其
条件是直接反射回来旳光束与折射后又 反射回来旳光束之间旳光程差为光波长 旳整倍数。
图4.1 薄膜对单色光旳干涉条件
透明薄膜厚度测量旳干涉法
式中，为单色光波长，m为任意非负旳 整数。在两个干涉极大之间是相应旳干
涉极小。若 n1 < n2 ，反射极大旳条件
变为:
d (m 1)
2n1
变角度干涉法（VAMFO）
生物膜的表征方法
生物膜的表征方法
生物膜的表征方法有很多种，以下是一些常见的方法：
- 光学轮廓测量法：使用3D激光扫描共聚焦显微镜获取生物膜菌落的地形图像，评估获得的地形数据。
- 循环伏安法：研究人工生物膜对电解质的电化学响应及电化学性质。
- 原子力显微镜：表征人工生物膜的表面形貌和厚度。
- 荧光光谱法：测定人工生物膜中荧光物质的存在状态。
- 扫描电子显微镜：观察膜表面形貌。
- 热重分析法：测量膜材料的热性能。
- 四峰分子量分析器：确定膜材料的分子量。
- X射线衍射：分析膜材料的晶体结构。
每种表征方法都有其独特的优势和适用范围，需要根据具体的研究需求和实验条件来选择合适的方法。
薄膜材料的表征方法一
X-ray diffraction
The process of X-ray.
E
X-ray diffraction
X-ray diffraction
布喇格定律： 2d sin n 。
Cu原子Ｋα线： 1.541 A
X-ray diffraction
对不同的晶体，其 晶体结构和原子间 距不同，因而晶面 间距也不同．
薄膜材料的表征方法（一）
ANALYTICAL TECHNOLOGIES OF THIN FILMS（1）
谭永胜 2004.11.1
Abstract
Introduction General idea and category X-ray diffraction (XRD) X-ray photoelectron spectroscopy
对于不同用途的功能薄膜材料，还需测量 其电学、光学、声学、力学、热学、磁学 等性质。
General idea and category
General idea: beam in and beam out。
通过探测出射粒子 流的强度分布以及 q\m、E、θ、φ 等参数来分析样品 的性质。
X-ray photoelectron spectroscopy
The intensity of a XPS peak is given by:
I AfN TD
Relative atomic sensitivity factor S:
S T
So the atomic percentages for an unknown element can be calculated by:
Photoelectric effect:
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X-ray diffraction
The strain and stress along the caxis:
e c0 c c0
2c13cc1333(c11c12)e
可编辑ppt
20
X-ray diffraction
可编辑ppt
21
X-ray diffraction
小结
用途：分析晶体结构。 原理：Bragg定律。 特点：a.可分析晶体取向以及结晶程度。
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9
General idea and category
Depth: elliptical polarization Structure：XRD、LEED、RHEED、TEM Composition：XPS、UPS、AES Surface topography: SEM、SPM Optics：UV-Vis Electricity: Hall、I-V、C-V
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8
General idea and category
AES (Auger electron spectroscopy)俄歇电子能谱 LEED (low energy electron diffraction)低能电子衍射 MEED (medium energy electron diffraction)中能电子衍射 RHEED ( reflection high energy electron diffraction)反射高能
16
X-ray diffraction
2θ=34.40,accordi ng to ZnO (002) peak
XRD spectra of ZnO (002) peak deposited on glass.
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17
X-ray diffraction
The intensity of the peak
(XPS)
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2
Introduction
薄膜(thin film)材料是相对于体材料而 言的，是人们采用特殊的方法，在体材 料的表面沉积或制备的一层性质与体材 料性质完全不同的物质层。
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3
Introduction
在各种薄膜制备与使用过程中，普遍关心 以下几个方面：
（1）薄膜的厚度测量； （2）薄膜结构和表面形貌的表征； （3）薄膜成分的分析。
1
e4 3 2
I 32R I0 m2c4 V02 VFHKLP
1cos2 2 2M
• sin2 cos e
A( )
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18
X-ray diffraction
The full width at half maximum
Scherrer equation:
D k
co s
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19
A typical spectrum of silver.
电子衍射 RBS (Rutherfold backscattering)卢瑟福背散射 SEM (scanning electron microscopy)扫描电子显微镜 SIMS (secondary ion mass spectroscopy)二次离子质谱 TEM (transmission electron microscopy)透射电镜 UPS (ultra-violet photoelectron spectroscopy)紫外光电子谱 XRD (x-ray diffraction) X射线衍射 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) X射线光电子谱 STM (scanning tunnel microscopy) 扫描隧道显微镜 AFM (atomic force microscopy) 原子力显微镜
薄膜材料的表征方法（一）
ANALYTICAL TECHNOLOGIES OF THIN FILMS（1）
谭永胜 2004.11.1
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1
Abstract
Introduction General idea and category X-ray diffraction (XRD) X-ray photoelectron spectroscopy
b.空间分辨本领较低。
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22
X-ray photoelectron spectroscopy
Photoelectric effect:
Ek hvEB
Electron Spectroscopy for Chemical Analysis（ESCA）
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X-ray photoelectron spectroscopy
对于不同用途的功能薄膜材料，还需测量 其电学、光学、声学、力学、热学、磁学 等性质。
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4
General idea and category
General idea: beam in and beam out。
通过探测出射粒子 流的强度分布以及 q\m、E、θ、φ 等参数来分析样品 的性质。
对不同的晶体，其 晶体结构和原子间 距不同，因而晶面 间距也不同．
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X-ray diffraction
右图为晶面指 数示意图，对 立方晶系：
dhk2l
h2
a2 k2
l2
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X-ray diffraction
XRD spectra of KBr powder
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5
General idea and category
A: elastic or inelastic scattering.
B: emitted particles from the sample.
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6
General idea and category
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7
General idea and category
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10
X-ray diffraction
The process of X-ray.
E
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X-ray diffraction
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X-ray diffraction
布喇格定律： 2dsinn 。
Cu原子Ｋα线： 1.541A
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X-ray diffraction