第四章无机薄膜材料与制备技术
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又可分为地膜和大棚膜);包装薄膜(包装膜按其具体用途， 又可分为食品包装膜和各种工业制品用包装膜等)及用于 特殊环境、具有特殊用途的透气薄膜，水溶薄膜及具有压 电性能的薄膜等。 • ⑶按薄膜的成型方法分类:有挤出塑化、然后吹塑成型的 薄膜，称为吹塑薄膜;经挤出塑化，然后熔融料从模具口 流延成型的薄膜，称为流延薄膜;在压延机上由几根辊筒 辗压塑化原料制成的薄膜，称为压延薄膜。
这是对该波函数就会产生新的约束条件，按照周期性条件求解所产生的能隙中 会出现几个电子态能级—表面态能级。
• 薄膜材料具有非常大的比表面，因而受表面影响巨大，而表面态的数目和表 面原子数目具有同一数量级，因此表面能级数量会影响到薄膜内的电子输运状 况，特别是在半导体等载流子少的物质中将产生更为严重的影响。
• 薄膜的结构包括单晶、多晶和非晶结构
• 在理想情况下，较高的衬底温度和较低的沉积速 率有利于高度完整性的薄膜，将导致单晶薄膜的 生长。
• 在实际的单晶薄膜生长中，还采用高度完整的单 晶基片作为薄膜生长的衬底。
• 如果对单晶基片、衬底温度和沉积速率等 进行恰当的控制，薄膜可沿单晶基片的结 晶轴方向呈单晶生长，称之为外延。根据 衬底与被沉积薄膜是否属于同种物质，
第四章无机薄膜材料与制备技术
4.1薄膜及其特征 4.2薄膜的形成与生长 4.3薄膜的物理制备方法 4.4薄膜的化学制备方法 4.5 薄膜的表征 4.6 典型薄膜材料简介
4.1薄膜及其特征
• 1.薄膜的定义
• 薄膜简介：
•
能源、材料和信息科学是当前新技术革命的先导和
支柱，作为特殊形态材料的薄膜科学，已成为微电子、
• 2.薄膜的特征
•
虽然物质的种类还未变，但是物质的性质可能已经发生了巨大的变化，表现
出许多奇异的物理化学性质，使它的机械性质、载流子输运机理、超电导、磁
性、光学和热力学性质发生了巨大的变化，这些奇异的特性都是由薄膜的尺寸 效应引起的。如：
• 熔点降低
•
纳米铅的熔点比块状铅低150℃
• 表面散射
•
• 单晶外延又可分为同质外延和异质外延。
• 外延生长在半导体器件和集成电路中，具有极其 重要的作用。实现外延生长必须满足三个基本条件：
• 第一个条件是吸附原子必须有高的迁移率，因而 基片温度和淀积速率是相当关键的，单晶薄膜一般 都在高温低速区域。
• 第二个条件是基片与薄膜材料的结晶相容性。对 异质外延来讲。衬底材料和薄膜之间晶格一般不匹 配。在点阵常数差别不大时，晶界两侧的晶体点阵 将出现应变；而差别较大时，单靠引入点阵应变己 不能完成点阵之间的连续过渡，因而在界面上将出 现平行于界面的刃位错。生长就越容易实现。
信息、传感探测器、光学及太阳能电池等技术的基础。
• 当今薄膜科学与技术已经发展成为一门跨多个领域的 综合性学科，涉及物理、化学、材料科学、真空技术和 等离子体技术等领域，近年来薄膜产业规模正日益发展 壮大。
• 卷渡薄膜产品、所料金属化制品、建筑薄膜制品、光 学薄膜、太阳能电池薄膜、液晶薄膜、刀具硬化薄膜、 光学磁盘等
4.1薄膜及其特征
• 2.薄膜的特征
• 薄膜材料的制备方法和形成过程完全不同于块 体材料，使其具有与块体材料迥然不同许多独 特性质。
• 通常认为三维块体材料内部的物理量是连续的， 因而其某种物理性质和其体积无关。
• 当材料的厚度变成微米或纳米量级时，有些物 理量便会在表面处中断，表面的能态与内部的 能态则截然不同，导致表面粒子所受到的力不 同于体内粒子产生明显的非对称性。
• 第三个条件是要求基片干净、光滑、化学性质稳 定。
• 非晶结构有时也称作无定形态或玻璃态结 构，非晶膜是高度无序态的无定形膜，形 成无定形膜的条件是低的表面迁移率。在 制备薄膜的时候，比较容易得到非晶态结 构，这是因为制备方法可以比较容易地实 现获得非晶态结构的外界条件，即较高的 过冷度和低的原子扩散能力。采用较高的 沉积速率和较低的衬底温度，可以显著提 高薄膜的成核率，提高相变过程的过冷度， 抑制原子扩散，从而形成非晶薄膜。
•
4.1薄膜及其特征
美国官方文件曾说：“18世纪电器改变了整个工业 过程，而20世纪的膜技术将改变整个面貌，目前没 有一项技术能像膜一样广泛地应用”。
日本把膜技术作为21世纪基础技术进行研究与开发， 早在1987年东京国际膜会议上，明确指出：“21世 纪的多数工业中，膜分离技术扮演着战略角色”。
•
薄膜的尺寸效应还包括薄膜的干涉效应、量子尺寸效应以及平面磁化单轴磁
各向异性等众多奇异的物理特性。
• 3.薄膜的结构与缺陷
• 薄膜的结构
• 薄膜的结构一般包括薄膜的晶体结构、微观结构 及表面结构
• （1）薄膜的晶体结构
• 薄膜的晶体结构与沉积时吸附原子的迁移率有关， 它可以从完全无序到高度有序的单晶膜
• 薄膜材料是指厚度介于纳米到微米间的薄金属 或有机物层。电子半导体功能器件和光学镀膜 是薄膜技术的主要应用。
Βιβλιοθήκη Baidu
4.1薄膜及其特征
• 分类 • 薄膜的品种分类没有统一的规定。通常人们习惯的分类方
式有以下三种: • ⑴按薄膜成型所用原料分类:有聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、
聚氯乙烯薄膜和聚酯薄膜等。 • ⑵按薄膜用途分类:有农用薄膜(这里根据农膜的具体用途，
国际上有一种流行的说法，即“谁掌握了膜技术， 谁就掌握了化工的未来”。
还有更多的专家把膜技术的发展称为“第三次工业 革命”。
• 以上这些观点足以说明膜技术在未来具有举足轻重 的作用。
4.1薄膜及其特征
• 薄膜是一种薄而软的透明薄片。用塑料、胶粘 剂、橡胶或其他材料制成。薄膜科学上的解释 为:由原子，分子或离子沉积在基片表面形成 的二维材料。例:光学薄膜、复合薄膜、超导 薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等等。 薄膜被广泛用于电子电器，机械，印刷等行业。
薄膜的电导率明显地随着薄膜的厚度的减小而降低。薄膜表面的散射效应还
会影响其电阻温度系数、霍尔系数、热电系数、电流磁场效应等
• 表面能级
•
在固体的表面，原子周期性排列的连续性发生中断，电子波函数的周期性也
受到影响。一般在固体内部是周期性的电子波函数，而在固体外则，电子波函
数则呈现指数衰减，而使二者平滑连接所得到的函数即为表面电子态波函数。
这是对该波函数就会产生新的约束条件，按照周期性条件求解所产生的能隙中 会出现几个电子态能级—表面态能级。
• 薄膜材料具有非常大的比表面，因而受表面影响巨大，而表面态的数目和表 面原子数目具有同一数量级，因此表面能级数量会影响到薄膜内的电子输运状 况，特别是在半导体等载流子少的物质中将产生更为严重的影响。
• 薄膜的结构包括单晶、多晶和非晶结构
• 在理想情况下，较高的衬底温度和较低的沉积速 率有利于高度完整性的薄膜，将导致单晶薄膜的 生长。
• 在实际的单晶薄膜生长中，还采用高度完整的单 晶基片作为薄膜生长的衬底。
• 如果对单晶基片、衬底温度和沉积速率等 进行恰当的控制，薄膜可沿单晶基片的结 晶轴方向呈单晶生长，称之为外延。根据 衬底与被沉积薄膜是否属于同种物质，
第四章无机薄膜材料与制备技术
4.1薄膜及其特征 4.2薄膜的形成与生长 4.3薄膜的物理制备方法 4.4薄膜的化学制备方法 4.5 薄膜的表征 4.6 典型薄膜材料简介
4.1薄膜及其特征
• 1.薄膜的定义
• 薄膜简介：
•
能源、材料和信息科学是当前新技术革命的先导和
支柱，作为特殊形态材料的薄膜科学，已成为微电子、
• 2.薄膜的特征
•
虽然物质的种类还未变，但是物质的性质可能已经发生了巨大的变化，表现
出许多奇异的物理化学性质，使它的机械性质、载流子输运机理、超电导、磁
性、光学和热力学性质发生了巨大的变化，这些奇异的特性都是由薄膜的尺寸 效应引起的。如：
• 熔点降低
•
纳米铅的熔点比块状铅低150℃
• 表面散射
•
• 单晶外延又可分为同质外延和异质外延。
• 外延生长在半导体器件和集成电路中，具有极其 重要的作用。实现外延生长必须满足三个基本条件：
• 第一个条件是吸附原子必须有高的迁移率，因而 基片温度和淀积速率是相当关键的，单晶薄膜一般 都在高温低速区域。
• 第二个条件是基片与薄膜材料的结晶相容性。对 异质外延来讲。衬底材料和薄膜之间晶格一般不匹 配。在点阵常数差别不大时，晶界两侧的晶体点阵 将出现应变；而差别较大时，单靠引入点阵应变己 不能完成点阵之间的连续过渡，因而在界面上将出 现平行于界面的刃位错。生长就越容易实现。
信息、传感探测器、光学及太阳能电池等技术的基础。
• 当今薄膜科学与技术已经发展成为一门跨多个领域的 综合性学科，涉及物理、化学、材料科学、真空技术和 等离子体技术等领域，近年来薄膜产业规模正日益发展 壮大。
• 卷渡薄膜产品、所料金属化制品、建筑薄膜制品、光 学薄膜、太阳能电池薄膜、液晶薄膜、刀具硬化薄膜、 光学磁盘等
4.1薄膜及其特征
• 2.薄膜的特征
• 薄膜材料的制备方法和形成过程完全不同于块 体材料，使其具有与块体材料迥然不同许多独 特性质。
• 通常认为三维块体材料内部的物理量是连续的， 因而其某种物理性质和其体积无关。
• 当材料的厚度变成微米或纳米量级时，有些物 理量便会在表面处中断，表面的能态与内部的 能态则截然不同，导致表面粒子所受到的力不 同于体内粒子产生明显的非对称性。
• 第三个条件是要求基片干净、光滑、化学性质稳 定。
• 非晶结构有时也称作无定形态或玻璃态结 构，非晶膜是高度无序态的无定形膜，形 成无定形膜的条件是低的表面迁移率。在 制备薄膜的时候，比较容易得到非晶态结 构，这是因为制备方法可以比较容易地实 现获得非晶态结构的外界条件，即较高的 过冷度和低的原子扩散能力。采用较高的 沉积速率和较低的衬底温度，可以显著提 高薄膜的成核率，提高相变过程的过冷度， 抑制原子扩散，从而形成非晶薄膜。
•
4.1薄膜及其特征
美国官方文件曾说：“18世纪电器改变了整个工业 过程，而20世纪的膜技术将改变整个面貌，目前没 有一项技术能像膜一样广泛地应用”。
日本把膜技术作为21世纪基础技术进行研究与开发， 早在1987年东京国际膜会议上，明确指出：“21世 纪的多数工业中，膜分离技术扮演着战略角色”。
•
薄膜的尺寸效应还包括薄膜的干涉效应、量子尺寸效应以及平面磁化单轴磁
各向异性等众多奇异的物理特性。
• 3.薄膜的结构与缺陷
• 薄膜的结构
• 薄膜的结构一般包括薄膜的晶体结构、微观结构 及表面结构
• （1）薄膜的晶体结构
• 薄膜的晶体结构与沉积时吸附原子的迁移率有关， 它可以从完全无序到高度有序的单晶膜
• 薄膜材料是指厚度介于纳米到微米间的薄金属 或有机物层。电子半导体功能器件和光学镀膜 是薄膜技术的主要应用。
Βιβλιοθήκη Baidu
4.1薄膜及其特征
• 分类 • 薄膜的品种分类没有统一的规定。通常人们习惯的分类方
式有以下三种: • ⑴按薄膜成型所用原料分类:有聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、
聚氯乙烯薄膜和聚酯薄膜等。 • ⑵按薄膜用途分类:有农用薄膜(这里根据农膜的具体用途，
国际上有一种流行的说法，即“谁掌握了膜技术， 谁就掌握了化工的未来”。
还有更多的专家把膜技术的发展称为“第三次工业 革命”。
• 以上这些观点足以说明膜技术在未来具有举足轻重 的作用。
4.1薄膜及其特征
• 薄膜是一种薄而软的透明薄片。用塑料、胶粘 剂、橡胶或其他材料制成。薄膜科学上的解释 为:由原子，分子或离子沉积在基片表面形成 的二维材料。例:光学薄膜、复合薄膜、超导 薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等等。 薄膜被广泛用于电子电器，机械，印刷等行业。
薄膜的电导率明显地随着薄膜的厚度的减小而降低。薄膜表面的散射效应还
会影响其电阻温度系数、霍尔系数、热电系数、电流磁场效应等
• 表面能级
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在固体的表面，原子周期性排列的连续性发生中断，电子波函数的周期性也
受到影响。一般在固体内部是周期性的电子波函数，而在固体外则，电子波函
数则呈现指数衰减，而使二者平滑连接所得到的函数即为表面电子态波函数。