精品课程《功能材料》ppt课件第七讲 功能薄膜材料

功能材料
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第七讲 功能薄膜材料
第一节 薄膜的定义及其特性 第二节 薄膜材料的分类 第三节 薄膜的形成过程 第四节 薄膜的结构特征与缺陷
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第一节 薄膜的定义及其特性
什么是“薄膜”（thin film），多“薄” 的膜才算薄膜？
薄膜有时与类似的词汇“涂层” （coating）、“层”（layer）、“箔” （foil）等有相同的意义，但有时又有些 差别。
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。
附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。
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（3）薄膜中的内应力
内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力 （或本征应力） 和非固有应力。固有应力来自 于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力 主要来自薄膜对衬底的附着力。
如金刚石超硬刀具膜： 金刚石膜/TiC/WC-钢衬底 欧姆接线膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-钢衬底。
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多功能薄膜：
各膜均有一定的电子功能，如非晶 硅太阳电池: 玻璃衬底/ITO（透明导电膜） /P-SiC/i-µc-Si/n-µc-Si/Al 和 a-Si/a-SiGe 叠层太阳电池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/Pa-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al 至 少 在 8 层以上，总膜厚在0.5微米左右。
由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数和晶格失 配能够把应力引进薄膜，或者由于金属薄膜与 衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成 的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶 格失配也能把应力引进薄膜。
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一般说来，薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。 在这种情况下，几乎对所有物质的薄膜，基片都 会发生弯曲。
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（1）电学薄膜
①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介 质薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅 化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。
在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和 缺陷态，对电子输运性能也影响较大。
在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用， 因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着 力问题，以及内应力的问题。
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（1）表面能级很大
表面能级指在固体的表面，原子周期排列的连续 性发生中断，电子波函数的周期性也受到影响， 把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆（Tamm） 在1932年进行了计算，得到了电子表面能级或称 塔姆能级。
弯曲有两种类型：一种是弯曲的结果使薄膜成为 弯曲面的内侧，使薄膜的某些部分与其他部分之 间处于拉伸状态，这种内应力称为拉应力。
另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的外侧，它 使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态， 这种内应力称为压应力。
如果拉应力用正数表示，则压应力就用负数表示。
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（4）异常结构和非理想化学计量比 特性
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第二节 薄膜材料的分类
按化学组成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为： 无机膜、有机膜、复合膜；
按相组成分为： 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜；
按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶 格膜等。
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按薄膜的功能及其应用领域分为：
电学薄膜 光学薄膜 硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 有机分子薄膜 装饰膜 、包装膜
通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度
作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其
厚度约在1µm左右。.
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薄膜材料的特殊性
同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄， 很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性 会受到薄膜厚度的影响。
由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以 表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射 和表面干涉对它的物性影响很大。
像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将会 对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄 膜半导体表面电导和场效应产生很大的影响，从 而影响半导体器件性能。
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（2）薄膜和基片的粘附性
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）。
与德布罗意波的干涉相关联的效应一般 称为量子尺寸效应。
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另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒
比电子能量E要大得多，根据量子力学知识，这些 电子有一定的几率，穿过势垒，称为隧道效应。
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（6）容易实现多层膜
多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积 在同一个衬底上（也称为复合膜），以改 善薄膜同衬底间的粘附性。
薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过 程，薄膜的结构不一定和相图相符合。
规定把与相图不相符合的结构称为异常结 构，不过这是一种准稳（亚稳）态结构， 但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳 态也是可以的，通过加热退火和长时间的 放置还会慢慢地变为稳定状态。
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化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是 多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。
当Ta在N2的放电气体中被溅射时，对应于一定的N2 分压，其生成薄膜 的成分却是任意的。
由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解， 所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。 可在很大范围内变化。
因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。
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（5）量子尺寸效应和界面隧道 穿透效应
传导电子的德布罗意波长，在普通金属 中小于1nm，在金属铋（Bi）中为几十 纳米。在这些物质的薄膜中，由于电子 波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量 将取分立的数值，由此会对电子的输运 现象产生影响。
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超晶格膜:
是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB…… 排列相互重在一起，人为地制成周期性结构后会显 示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小 到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子 能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超 薄层周期结构就称为超晶格结构。
当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如 非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似 的 量 子 化 特 性 ， 如 a-Si : H/a-Si1-xNx : H, aSi : H/a-Si1-xCx : H……。应用薄膜制备方法，很 容易获得各种多层膜和超晶格。