F5性质第二部分薄膜物理与技术第四章.ppt
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(推荐)《薄膜物理》PPT课件
氙 (Xe) 二氧化碳 (CO2)
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
37
稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
38
稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强 下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
18
真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
19
真空的基本知识
21
真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
37
稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
38
稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强 下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
18
真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
19
真空的基本知识
21
真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
《材料物理薄膜物理》课件
《材料物理薄膜物理》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
薄膜及其特性PPT课件
（5）装饰膜
（6）包装膜
26
1.3 薄膜材料的特殊性
（1）表面能级很大 由于薄膜表面积与体积之比很大，致使薄膜材料的 表面效应十分突出。 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加（对于直径为 10nm的粒子，表面原子所占百分数为20％;直径为 1nm的粒子，表面原子所占百分数为100％），粒子 的表面能和表面张力随之增加，材料的光、电、化 学性质发生变化。
• 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和 基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于 形成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。
33
• 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、 磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法 获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单 热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于 去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促 进薄膜与衬底间的互扩散。
29
附着：既然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（internal stress）。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 该基片和薄膜属于不同种物质，附着现象所考虑的对象是二 者间的边界和界面。 二者之间的相互作用就是附着能，附着能可看成是界面能的 一种。附着能对基片－薄膜间的距离微分，微分最大值就是 附着力。
• 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致 难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前 一般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、 去氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。
（6）包装膜
26
1.3 薄膜材料的特殊性
（1）表面能级很大 由于薄膜表面积与体积之比很大，致使薄膜材料的 表面效应十分突出。 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加（对于直径为 10nm的粒子，表面原子所占百分数为20％;直径为 1nm的粒子，表面原子所占百分数为100％），粒子 的表面能和表面张力随之增加，材料的光、电、化 学性质发生变化。
• 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和 基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于 形成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。
33
• 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、 磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法 获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单 热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于 去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促 进薄膜与衬底间的互扩散。
29
附着：既然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（internal stress）。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 该基片和薄膜属于不同种物质，附着现象所考虑的对象是二 者间的边界和界面。 二者之间的相互作用就是附着能，附着能可看成是界面能的 一种。附着能对基片－薄膜间的距离微分，微分最大值就是 附着力。
• 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致 难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前 一般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、 去氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。
薄膜物理与技术课件
薄膜的性质进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。
其中特别应该指出的是下述三个方面。
第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。
这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。
第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。
一个显著成果是外延薄膜生长。
特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。
第三是对材料科学的贡献。
薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。
虽然这种非平衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物质。
这些都是很突出的优点。
在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。
这种效应称为尺寸效应。
在粉末、微粒子等状态中也发现有这种效应。
对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。
★熔点降低★干涉效应★表面散射★平面磁化各向异性★表面能级★量子尺寸效应★熔点降低在此考虑半径为的固体球。
考虑此球与其外侧相（液体）的界面能，求块体(buk)材料熔点和小球熔点之间的关系。
r m T s T 设：固-液相间的界面能为固体的熔解热为熔解过程中熵的变化固体的密度为σLS∆ρ当质量为的物质熔化变为液体．球的表面积产生的变化，其热力学平衡关系式如下：dW dA 0s LdW T SdW dA σ-∆-=对于体材料：m LdW T SdW -∆=将，代入上式，得到m S L T ∆=2dA dW rρ=20m s m T T T Lr σρ-=>半径越小，越低。
m sT T >s T以Pb 为例：233 erg/cmσ= 1.1 kcal/mol L =311.3 g/cm ρ=当时，710cm r -=150 K m s T T -=当时，610cm r -=15 Km s T T -=尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。
光学薄膜技术概述学习PPT教案
主要膜系设计软件
1. Autofilm 2. TFC 3. Macleod 4. Optilayer
绪论
Introduction
★什么是光学薄膜
★光学薄膜的发展历史
★光学薄膜的应用
1. What is optical thin films
光学薄膜是指控制光束行为的薄膜。
光学薄膜技术是光学技术的一个重要分支， 它包括薄膜光学及薄膜制备技术，前者研究光 在分层媒质中的传播规律，后者研究光学薄膜 的各种制备技术。
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
主要内容：
研究范畴及内容：
绪论 第一章：薄膜光学特性计算基础 第二章：介质膜系及其应用 第三章: 光学薄膜制备技术 第四章：光学薄膜制备工艺 第五章: 薄膜材料及其性质 第六章：光学薄膜特性测试
主要论述层状媒介
的光学特性。薄膜是 一薄的层状媒介，是 构成现代各种光电器 件的基础。在薄的膜 层中，光波的传输与 电子效应都与其在块 状材料中的行为不同。 本课程主要讲述波在 层状媒介中的传播规 律、膜系设计以及薄 膜的制备于检测技术。
8. The columnar structure of thin film was discovered in 1970 by Pearson(皮尔逊).
9. Thin film filters used for optical communication was made significant progress in around 2000.
与镀膜技术密切相关的产业
➢镀膜眼镜 ➢幕墙玻璃 ➢滤光片 ➢车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 ➢光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 ➢红外膜 ➢投影显示 ➢太阳能 ➢ITO膜
第四章-膜技术ppt课件
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
3）控制蒸发沉淀
控制蒸发沉淀是将聚合物溶解在一个溶剂 和非溶剂的混合物中（这种混合物作为聚合物 的溶剂）。由于溶剂比非溶剂更容易挥发，所 以蒸发过程中非溶剂和聚合物的含量会越来越 高，最终导致聚合物沉淀并形成带皮层的膜。
①平板式组件； ②管式组件； ③毛细管组件； ④中空纤维组件； ⑤螺旋卷式组件。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
一、平板式膜组件
平板式膜 组件，又 叫板框式 膜组件， 结构类似 于板框式 压滤机。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
膜的定义
膜从广义上可以为两相之间的一个不连续区间。 这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比 要小很多。膜一般很薄，厚度从几微米、几十 微米至几百微米之间。而长度、厚度则以米计。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
2）蒸气相沉淀
将由聚合物和溶剂组成的刮涂薄膜置于被 溶剂饱和的非溶剂蒸汽气氛中。由于蒸气相中 溶剂浓度很高，故防止了溶剂从膜中挥发出来。 随着非溶剂渗入到刮涂的薄膜中，膜便逐渐形 成。利用这种方法可以得到无皮层的的多孔膜。 在浸没沉淀法中，有时采用在空气中蒸发的步 骤，如溶剂与水互溶，此时会产生蒸气相沉淀。 用浸没沉淀法制备中空纤维膜时，常采用蒸发 步骤，此时溶剂与蒸汽相非溶剂交换而导致沉 淀。
《薄膜技术》PPT课件
– 在较高温度下：kS>>hG
N GS 0
v
NT N Si
hGY
质量转移控制
– 在较低温度下：kS<<hG 表面反应控制
N GS N G 0
v
NT N Si
kSY
在高温段〔质量转移
控制〕生长速率受温 度影响小,便于控制 〔可为±10°C〕
– 3〕生长速率与衬底取向的关系 v<110>>v<100>>v<111> ?
– 1〕掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制
Nf
Pf 0
NSi (NSi/H)PG0
– 2〕生长速率和温度的影响 为什么温度升高会使浓度降低？
Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors
Exhaust
RF heating
Horizontal reactor
Gas inlet RF heating
2) Dissociation of reactants by electric fields
3) Film precursors are formed
4) Adsorption of precursors
RF field
RF generator Electrode PECVD reactor
7) Desorption of by-products
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions Continuous film
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较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
3、提高附着力的方法 （1）严格清洗基片 （2）蒸镀膜前真空中离子轰击处理 （3）适当提高基片温度 （4）制备中间过渡层 （5）用溅射法 （6）离子束轰击薄膜 4、薄膜附着力的测量方法
•拉张法 •胶带剥离法 •划痕法 •超声波法
二、薄膜的内应力
1、物理意义（定义） 薄膜内部任一截面单位面积所受的另一侧所 施加的作用力称应力.
§2 薄膜的电学性质
着重研究： •电阻率ρ、电导率σ的大小 •薄膜成份对ρ、σ的影响 •掺杂、杂质、缺陷的影响 •环境温度、热处理的影响 •电场的影响
一、不连续薄膜的导电性质 •不连续膜：孤立小岛构成的薄膜 1、三种典型研究实例 ——由ρ或σ与d、T、E的关系发现薄膜的某些电
学现象 （1）Rs-d关系： 如图：
～ 如图：不同膜厚Pt膜电导率——温度关系
结果表明：
1
•在250~300k范围内，lnσ与 T 有很好的线性关系
• T高时，σ也高；膜越薄，T对σ的影响越大
揭示：导电机理与热激活有关
（3）Ni膜σ~ E的关系 如图：不同T下，σ~ E的关系
结果显示： •室温下，σ随E变化不明显 •低温下，有明显变化 •低温下σ~ E关系是非线性的 说明：导电具有肖特基效应 以上研究方法也可用于半导体膜、功能材料薄膜
两种理论解释模型：
（1）热电子发射模型 小岛受热后，电子动能的垂直分量大于金属材料功 函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一 小岛俘获，产生电导。
热电子发射产生的电导表达式如下；
其中，
t
4me 2 k
3h3Βιβλιοθήκη bTexp[(e2
2 0b) / KT
]
h——普朗克常数；m——电子质量
Φ——功函数；b——小岛间距（Å）
•微观结构比不连续膜致密得多 •微观缺陷比块材多 1、连续薄膜导电性质的特点 （1）ρ与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大 （2）ρ随膜厚增大而减小，并趋于稳定值 （3）薄膜的ρ大于块材的 （4）ρ与制备工艺有关 2、原因 •薄膜内缺陷浓度大大超过块材的 •表面散射效应
膜厚d=10~100Å，Au膜Rs的变化
可见： • Rs随膜厚增加而减小（10Å时达1013Ω） • 70Å时，Rs突然大降——表明由不连续成为
连续膜 进一步研究ρ~T关系知： •连续薄膜具金属的温度特性（T上升，ρ上升） •不连续薄膜具半导体温度特性（T上升，ρ下降）
1 （2）ln ～ T 关系：
研究
2、不连续金属膜的特点 （1）ρ很大，且随d变化显著 （2）ρ与T有关，温度系数为负值 （3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈
非欧姆性导电
（4）高电场下，有电子发射或光发射现象
3、不连续膜的导电机理 •由孤立小岛构成，却显一定导电能力 •导电能力与温度有关 暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关
外应力——薄膜受外力作用而产生的应力 内应力——薄膜本身的原因所引起的应力
2、内应力相关的实验现象
（1）蒸发过程中自然升温引起的热应力可忽略 （2）基片处室温制膜后剧冷或加热到某温度以上；
基片加温制膜后冷却，引起的应有时不能忽略 （3）化合物薄膜的应力比金属膜的应力小1~3数量级 （4）小于500Å，内应力大些，大于1000Å后，应力
（2）化学键力：薄膜——基片之间形成化学键 的结合力
包括： 离子键、共价键、金属键 化学键力的产生机制： 价电子发生转移，形成化学键
•化学键力属短程力
•化学键能1.2~11eV
（3）薄膜——基片间的静电引力
•须在界面两边积累空间电荷，或扩散的原子带 有异号电荷才会有静电引力
•静电引力形成的原因：
薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形 变的能力。
2、硬度的测量方法
金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压 痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不 同）。
（1）硬度的几种名称 •维氏（Vickers）硬度（136度） •库氏（Knoop）硬度（172.5度） •布氏（Brinell）硬度
第二部分第4章 薄膜的基本性质
着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法
§1. 薄膜的力学性质
主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦系数等 着重学习：
附着、应力、硬度
一、薄膜的附着
•定义：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。 •重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。 •附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。
K——玻尔兹曼常数；ε0——介电常数。
（2）热激活隧道效应模型
•金属小岛间产生势垒，电子能量低于势垒高度， 据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中 性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。
•电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故 与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。
——只有热激活的电子才能克服库的作用力而 穿过隧道，此模型导出的公式：
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
3、提高附着力的方法 （1）严格清洗基片 （2）蒸镀膜前真空中离子轰击处理 （3）适当提高基片温度 （4）制备中间过渡层 （5）用溅射法 （6）离子束轰击薄膜 4、薄膜附着力的测量方法
•拉张法 •胶带剥离法 •划痕法 •超声波法
二、薄膜的内应力
1、物理意义（定义） 薄膜内部任一截面单位面积所受的另一侧所 施加的作用力称应力.
§2 薄膜的电学性质
着重研究： •电阻率ρ、电导率σ的大小 •薄膜成份对ρ、σ的影响 •掺杂、杂质、缺陷的影响 •环境温度、热处理的影响 •电场的影响
一、不连续薄膜的导电性质 •不连续膜：孤立小岛构成的薄膜 1、三种典型研究实例 ——由ρ或σ与d、T、E的关系发现薄膜的某些电
学现象 （1）Rs-d关系： 如图：
～ 如图：不同膜厚Pt膜电导率——温度关系
结果表明：
1
•在250~300k范围内，lnσ与 T 有很好的线性关系
• T高时，σ也高；膜越薄，T对σ的影响越大
揭示：导电机理与热激活有关
（3）Ni膜σ~ E的关系 如图：不同T下，σ~ E的关系
结果显示： •室温下，σ随E变化不明显 •低温下，有明显变化 •低温下σ~ E关系是非线性的 说明：导电具有肖特基效应 以上研究方法也可用于半导体膜、功能材料薄膜
两种理论解释模型：
（1）热电子发射模型 小岛受热后，电子动能的垂直分量大于金属材料功 函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一 小岛俘获，产生电导。
热电子发射产生的电导表达式如下；
其中，
t
4me 2 k
3h3Βιβλιοθήκη bTexp[(e2
2 0b) / KT
]
h——普朗克常数；m——电子质量
Φ——功函数；b——小岛间距（Å）
•微观结构比不连续膜致密得多 •微观缺陷比块材多 1、连续薄膜导电性质的特点 （1）ρ与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大 （2）ρ随膜厚增大而减小，并趋于稳定值 （3）薄膜的ρ大于块材的 （4）ρ与制备工艺有关 2、原因 •薄膜内缺陷浓度大大超过块材的 •表面散射效应
膜厚d=10~100Å，Au膜Rs的变化
可见： • Rs随膜厚增加而减小（10Å时达1013Ω） • 70Å时，Rs突然大降——表明由不连续成为
连续膜 进一步研究ρ~T关系知： •连续薄膜具金属的温度特性（T上升，ρ上升） •不连续薄膜具半导体温度特性（T上升，ρ下降）
1 （2）ln ～ T 关系：
研究
2、不连续金属膜的特点 （1）ρ很大，且随d变化显著 （2）ρ与T有关，温度系数为负值 （3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈
非欧姆性导电
（4）高电场下，有电子发射或光发射现象
3、不连续膜的导电机理 •由孤立小岛构成，却显一定导电能力 •导电能力与温度有关 暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关
外应力——薄膜受外力作用而产生的应力 内应力——薄膜本身的原因所引起的应力
2、内应力相关的实验现象
（1）蒸发过程中自然升温引起的热应力可忽略 （2）基片处室温制膜后剧冷或加热到某温度以上；
基片加温制膜后冷却，引起的应有时不能忽略 （3）化合物薄膜的应力比金属膜的应力小1~3数量级 （4）小于500Å，内应力大些，大于1000Å后，应力
（2）化学键力：薄膜——基片之间形成化学键 的结合力
包括： 离子键、共价键、金属键 化学键力的产生机制： 价电子发生转移，形成化学键
•化学键力属短程力
•化学键能1.2~11eV
（3）薄膜——基片间的静电引力
•须在界面两边积累空间电荷，或扩散的原子带 有异号电荷才会有静电引力
•静电引力形成的原因：
薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形 变的能力。
2、硬度的测量方法
金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压 痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不 同）。
（1）硬度的几种名称 •维氏（Vickers）硬度（136度） •库氏（Knoop）硬度（172.5度） •布氏（Brinell）硬度
第二部分第4章 薄膜的基本性质
着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法
§1. 薄膜的力学性质
主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦系数等 着重学习：
附着、应力、硬度
一、薄膜的附着
•定义：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。 •重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。 •附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。
K——玻尔兹曼常数；ε0——介电常数。
（2）热激活隧道效应模型
•金属小岛间产生势垒，电子能量低于势垒高度， 据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中 性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。
•电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故 与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。
——只有热激活的电子才能克服库的作用力而 穿过隧道，此模型导出的公式：