薄膜的基本性质
薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
薄膜的性质
几点讨论：
（1）从上式看出，要消除薄膜中的热应力，最根本 的办法就是选用热胀系数相同的薄膜和基片材料。 其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 （2）通常情况，Td>T, 若薄膜的弹性常数与温度无 关，薄膜和基片的热胀系数不随温度发生变化、为 常数时，薄膜的热应力随温度作线性变化。
F S 时，热应力为正，即是为张应力。反 （3） 之，热应力为负，即为压应力。
热应力 当薄膜的形成温度和测量或使用温度不同时，由于薄 膜和基片的热胀系数不同而引起的内应力，是一种可 逆的应力。
薄膜热应力的表达式为
F E ( F S ) Td T 1
E 弹性模量， F 薄膜的热胀系数， S 基片的热胀系数 Td 薄膜淀积温度，T 测量温度
④ 淀积方式 对薄膜附着力的影响非常明显。对于同样的薄膜/基 片组合，用溅射方法淀积的薄膜一般比用蒸发方法 制造的薄膜附着牢。 ⑤ 淀积速率 淀积速率增大，表示单位时间内入射的原子数目增 多，因而相对减少了成膜真空室中残留的氧分子的 入射几率，结果在薄膜与基片界面上生成的氧化物 中间层减少，导致薄膜附着力下降。 高速淀积的薄膜结构疏松，内应力较大，也导致附 着性能变差。
② 基片状态的影响 如果基片不经过清洁处理，将在其表面上留有一个 污染层，使基片表面的化学键达到饱和，故淀积上 薄膜以后，膜的附着力很差。因此，在制造薄膜时， 为了提高其附着性能，必须先对基片进行清洁和活 化处理（如离子轰击）。 ③ 基片温度 提高基片温度，有利于薄膜和基片间的原子扩散， 并且还会加速其化学反应，从面有利于形成扩散附 着和通过中间层的附着，所以附着力增大。但会使 薄膜晶粒增大，增加热应力，故不能过分提高基片 温度。
⑥ 淀积气氛 对薄膜附着力的影响，主要发生在薄膜的成长初期。 这时，在制膜的真空室内若有一定量的残留氧气或 水蒸气，氧和水蒸气将与入射的淀积原子相化合， 生成氧化物中间层，从而增强薄膜的附着。 若能增强氧和水蒸气的化学活性，例如使其处于电 离状态，则更能增强薄膜的附着。 成膜以后，若氧从外部或从薄膜和基片内部继续向 薄膜和基片间的界面扩散，则该界面随着时间的进 展，将继续发生氧化，使附着逐渐变强，一直达到 其强度饱和值。这种现象被称为附着力的时间效应。
薄膜和多层膜的光学性质
薄膜和多层膜的光学性质薄膜和多层膜是光学材料中非常重要的组成部分，它们的光学性质在科学研究以及工程应用中有着广泛的应用。
本文将探讨薄膜和多层膜的光学性质及其应用。
首先，我们先来了解一下薄膜的基本概念。
薄膜是指在其厚度相比于其它尺寸而言非常小的材料。
一般来说，我们所说的薄膜是在纳米级别或微米级别的材料。
薄膜天然存在于物质的表面，如水的表面存在一个薄膜。
此外，人工制备的薄膜也有很多应用，比如用于光学镀膜、光电子器件等。
薄膜的光学性质是指薄膜对光的吸收、反射、透射等现象。
其中，反射和透射是薄膜最常见的光学性质。
通过反射和透射可以观察到薄膜的厚度和折射率对光学性质的影响。
其次，让我们来了解一下多层膜的光学性质。
多层膜指的是由多个薄膜层次堆叠而成的结构。
多层膜的光学性质与薄膜相比更为复杂多样。
多层膜的光学性质主要与膜层的厚度、折射率以及薄膜的层数有关。
多层膜主要有两种类型，一种是周期多层膜，它由两种材料交替排列而成，如衬底材料和薄膜材料的交替堆叠。
另一种是非周期多层膜，它由多种材料交替排列。
不同类型的多层膜具有各自独特的光学性质。
在多层膜中，不同的薄膜层会产生干涉现象，从而导致光的衍射和透射。
这种干涉现象可以利用在光学器件中，比如反射镜、滤光片等。
利用多层膜的干涉效应，我们可以实现光的波长选择性，即只透过特定波长的光。
这种技术在光通信、激光器、光显示器等领域有着广泛的应用。
此外，多层膜还可以用于光学传感器的设计。
光学传感器是一种通过测量光的特性来获取被测物理量的传感器。
通过设计合适的多层膜结构，可以使光的特性对被测量敏感，进而实现对光学传感器性能的优化。
这在生物医学、环境监测、工业检测等领域的传感器应用中具有重要意义。
总之，薄膜和多层膜的光学性质是一个引人注目且具有广泛应用的研究领域。
通过对薄膜和多层膜光学性质的研究，我们能够深入了解材料的光学行为，进而开发出各种高效的光学器件和传感器。
随着科学技术的不断发展，我们相信薄膜和多层膜的光学性质将会发挥更加重要的作用，为人类社会的进步做出更大的贡献。
薄膜材料的结构和性质
薄膜材料的结构和性质薄膜材料是一种在现代工程和科技领域广泛应用的材料。
薄膜材料的结构和性质是决定其应用领域和性能的关键因素。
本文将介绍薄膜材料的结构和性质，并且阐述其在现代应用中的作用。
一、薄膜材料的结构薄膜材料是用溶液、气相、物理气相沉积或其他特殊方法制备的具有厚度在纳米到微米级之间的材料。
薄膜材料的结构可以分为单层膜和复合膜两种。
单层膜材料的结构简单，是由一个单一的材料组成的。
而复合膜材料由两种或两种以上的材料组成。
单层膜材料中，有机薄膜和无机薄膜是两种主要的类型。
有机薄膜可以是单一的高分子化合物，如聚合物和蛋白质，也可以是多种有机化合物的混合物。
然而，无机薄膜主要是由金属化合物和非金属化合物组成的，如氮化硅、氧化锌和氧化铝。
复合膜材料的结构复杂多样，包括两种材料的层状复合膜、不同材料的交替堆层膜和多元复合膜等。
其中，层状复合膜又可以分为层流复合、分子间作用层间复合以及互分布层间复合。
二、薄膜材料的性质薄膜材料的性质是其应用的关键，因为它们直接影响着材料的功能和性能。
薄膜材料的性质包括物理性质、化学性质和光学性质。
物理性质：薄膜材料的物理性质如密度、熔点、固化温度、硬度、弹性模量等往往与相应材料的体积相比有所变化。
例如，聚合物在形成薄膜后通常比原来的体积密度更低。
在这些性质方面，薄膜材料的行为往往是不同于体积材料的。
化学性质：薄膜材料的化学性质通常是由材料本身和加工方法共同决定的。
由于其表面积大、颗粒小，在化学反应和承受环境变化时，它们的响应也不同于体积材料。
面向化学特性的研究是用来检测这些特性并表征所使用薄膜材料的作用和性能的关键。
光学性质：薄膜材料的光学性质是其应用于光学晶体管等领域的原理依据。
光电材料必须具有较强的吸收、发射、调制和切换光学信号的能力。
因此，它们的光学性质应符合基本的光学特性，如透明度、折射率、色散、发射率和吸收率等。
三、薄膜材料在现代应用中的作用薄膜材料的结构和性质是使其在现代应用中具有广泛适用性的原因。
介质薄膜的性质半导体薄膜的性质
生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题：
(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性 外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影响。在CVD法制膜过程中：
1）气流速度过快，会形成不稳定的紊流，外延膜中间厚，边缘薄； 2）气流速度过慢，结果是膜的中间薄边缘厚。
此外， 外延膜电阻率均匀问题决定于薄膜形成时加入到反应气体中杂质的种类和数量。
电击穿时电子雪崩式增加产生大量焦耳热介质膜温度迅速上升介质膜电导随温度上升指数型增加进一步导致电流增大最后造成局部地区产生热分解挥发或熔化促成热击穿常见介质膜的击穿场强对于同一种介质膜因制造方法不同其击穿场强有较大的区别产生这种差异的原因是不同制造方法在介质薄膜制备过程中产生的针孔微裂痕纤维丝和杂质缺陷等不同
但因它属于异质外延生长，在SOS膜中还有缺点：如由于硅和蓝宝石热膨胀系数不 同，在膜中产生压应变、高密度晶格缺陷、在Si膜和蓝宝石基体间存在着过渡区、有 来自基体的Al自掺杂。
这些缺点对薄膜性质的影响表现在：
(1)热应变的影响
SOS膜的生长是在1000℃左右温度下进行。因室温下Si膜和蓝宝石基体的热膨 胀系数不同，在Si膜中产生压应力大约109dyn/cm2。由于压应力作用使Si膜导 带能量发生变化，从而引起电导率发生变化。
(2)自动掺杂效应 在外延膜生长过程中来自基体中的杂质掺杂称为自动掺杂效应。
抑制自动掺杂效应采取的措施： 减小外延膜生长时的气压(减压CVD)，减小外延膜成长速率，增大气体流量使用低蒸气
压掺杂剂
(3)结构缺陷
在外延膜中的结构缺陷有位错、积层缺陷、析出物、杂质异物和氧化缺陷等。从广 义角度看，还有氧、碳及重金属杂质、原子空位和填隙原子等点缺陷。目前研究较 多的缺陷是硅氧化时从表面引入的积层缺陷。(衡量这种缺陷的参数是积层缺陷长 度L，它与氧化时间t及温度T有关)。
7-1 薄膜的力学性质
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
第七章 薄膜的物理性质
力学性质 电学性质 性质与其结构密切相关。
薄 膜 的 力 学 性 质 附着性质 应力性质 弹性性质 机械强度 — 取决于薄膜成长的初始阶段
取决于生长阶段及其结构类型
1、薄膜的附着力
附着：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方 的吸附作用的状态。
几点讨论： 1）从上式看出，要消除薄膜中的热应力，最根本的办法就是选用热胀系数相 同的薄膜和基片材料。其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 2）通常情况，Td>T, 若薄膜的弹性常数与温度无关，薄膜和基片的热胀系数 不随温度发生变化、为常数时，薄膜的热应力随温度作线性变化。 3）当af＞as 时，热应力为正，即是为张应力。反之，热应力为负，即为压应 力。因此，可通过选择基片或者改变成膜温度的办法来改变薄膜中热应力 的性质和大小。 4）对于高熔点的金属薄膜及其他薄膜，随着成膜温度的提高，热应力可能成 为它内应力中的一个主要部分。对于低熔点金属和结构高度有序的薄膜， 因为它们的本征应力很小，所以热应力能成为它们内应力中的绝大部分。
2、薄膜的内应力
内应力的起因
热效应 相变 界面应力:晶格适配 杂质效应 此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺 陷、微孔的扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应 力的变化。
2、薄膜的内应力
内应力的测量方法
机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。
悬臂梁法、弯盘法 原理：
衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。
机械锁合 双电层吸引
两个接触面相互 扩散或溶解形成 渐变界面
物理实验技术中的薄膜材料与薄膜器件应用
物理实验技术中的薄膜材料与薄膜器件应用导言：薄膜材料和薄膜器件应用在当今的物理实验技术中扮演着重要的角色。
随着科学技术的不断进步，薄膜已经成为诸多领域的基础材料。
本文将讨论薄膜材料的性质和制备方法，并探讨其在物理实验技术中的应用。
薄膜材料的性质：薄膜材料相对于传统材料来说，具有独特的性质。
首先，薄膜具有较大的比表面积，这使得它们具有更高的反应活性。
其次，薄膜具有较好的光学透明性，这使得它们在传感器、显示器和光学设备等领域有着广泛的应用。
此外，薄膜还具有较高的机械强度和耐腐蚀性，这使得它们适用于各种环境下的应用。
薄膜材料的制备方法：目前，常用的薄膜制备方法主要包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法、溶液法和光化学法等。
物理气相沉积法通过在真空环境下使源材料蒸发并在基底表面沉积形成薄膜。
化学气相沉积法利用气相反应将源材料沉积在基底上。
溅射法则是通过溅射源将材料溅射到基底上形成薄膜。
溶液法是将源材料溶解在溶液中，然后通过浸泡、涂覆等方式使溶液中的材料在基底上沉积形成薄膜。
光化学法则是利用光与化学反应相结合，使源材料在基底上沉积形成薄膜。
薄膜材料的应用：薄膜材料在物理实验技术中的应用非常广泛。
首先，薄膜材料在光学器件中扮演着重要的角色。
例如，在太阳能光电转换器件中，薄膜材料可以用来制作阳极和阴极，从而实现太阳能的转化。
在显示器和光学器件中，薄膜材料可以用来制作透明电极和反射镜等。
其次，薄膜也被广泛应用于电子器件中。
例如，薄膜材料可以用来制造半导体器件中的晶体管和集成电路。
此外，薄膜材料还可以用于传感器和探测器等领域。
例如，在温度传感器中，薄膜材料可以通过测量电阻值的变化来实现温度的检测。
在生物医学传感器中，薄膜材料可以用来制作生物传感器，实现对生物分子的检测和监测。
结语：薄膜材料和薄膜器件应用在物理实验技术中具有重要地位。
薄膜材料的独特性质和多样的制备方法使得它们在各个领域具有广泛的应用。
无论是在光学器件、电子器件还是传感器等领域，薄膜材料都扮演着不可替代的作用。
3-第三讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
⑥淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑ 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
§2.2 附着力的测试方法 机械方法数种如下： 机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 ）、引拉法 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。 离心法、超声法、振动法等。 2.2.1 条带法 三种可能： 三种可能： ①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离下来； ②仅部分剥离下来； 未剥离→说明薄膜附着好→ ③未剥离→说明薄膜附着好→定性测量
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致 ②扩散附着 由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 离子轰击法、电场吸引法。 离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺） 基片加热法：加温曲线（工艺） 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20 30nm） 20离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm） 金属膜，再用高能（100KeV） 金属膜，再用高能（100KeV）氩离子对 它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法： 电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压 吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢， 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 扩散。 能大 扩散。
r 2 − a2
π r2P −W
•单位面积的剥离能 单位面积的剥离能: 单位面积的剥离能
E=
薄膜的光学性质
R p r1 p
Rs r1s
2
n1 cos 1 2 Tp t1 p n0 cos 0 n1 cos 1 2 Ts t1s n0 cos 0
n0 n1 R n0 n1
T
2
n0 n1
4n0 n1
2
光垂直入射时， P,S分量重叠
2 t 1 1 t 1 2 0 2
I n cos E n 4n n T t I n cos E n （n n ）
1 2 i 0 0 i 0 0 1
T+R+A=1,其中A称为能量吸收率。对全介质薄膜系统， 无吸收，则有T+R=1。
1.1 基本概念
等效介质的等效光学导纳 只要确定了组合导纳Y，就可以方便地计算单层膜的反射 和透射特性。因此问题就归结为求取入射界面上的H0和E0的 比值。下面给出组合导纳的表达式。
1.1 基本概念
i B cos 1 sin 1 1 矩阵 1 C 2 i sin cos 1 1 1 定义为基底和膜层组合的特征矩阵。 当膜层参数已知后，其矩阵元就确定了，便可以求出等效光学导纳Y， 进而就可以求得单层介质膜的反射率。 我们把 2 N1d1 cos1叫做薄膜的有效位相厚度，把N1d1 cos叫做
1.1 基本概念
薄膜的界面特性也可用能量关系来表示，得到相应的能 量反射率R和能量透射率T，直接可用光强来表征。
R=Ir / Ii
T=It / Ii
It :界面的透射光强
Ir :界面的反射光强 Ii :界面的入射光强
1.1 基本概念
能量反射率R和能量透射率T与振幅反射系数和振幅透射 系数间的关系如下： 垂直入射时： 2
基本薄膜材料汇总
基本薄膜材料汇总基本薄膜材料是一种表面积极大、具有一定机械强度、且相对薄的材料。
其主要特点是具有高比表面积、透明度好、透光性高、可弯曲性强等优点，在许多领域都有广泛的应用。
下面是关于基本薄膜材料的1200字以上的汇总。
1.聚合物薄膜聚合物薄膜是一种广泛应用的薄膜材料。
它具有优良的物理、化学性质，透明度高，可塑性强，且可以通过不同的制备方法制得不同特性的薄膜。
常见的聚合物薄膜有聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜等。
2.金属薄膜金属薄膜是用金属材料制成的一种薄膜，其具有优异的导电性、导热性能和光学特性。
金属薄膜常见的有铝薄膜、银薄膜、铜薄膜等。
金属薄膜广泛应用于电子、光电、太阳能等领域。
3.陶瓷薄膜陶瓷薄膜是用陶瓷材料制成的一种薄膜，具有优异的耐高温性、耐腐蚀性和绝缘性能。
常见的陶瓷薄膜有二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜、氧化锆薄膜等。
陶瓷薄膜广泛应用于微电子、光电、陶瓷膜分离等领域。
4.碳薄膜碳薄膜是以碳为主要成分的一种薄膜材料，具有优异的机械性能和化学稳定性。
碳薄膜可分为石墨样碳膜、金刚石样碳膜和非晶碳膜等。
碳薄膜广泛应用于涂层材料、生物医学、光学涂层等领域。
5.有机无机复合膜有机无机复合膜是由有机物质和无机物质组成的一种薄膜材料，具有有机物质和无机物质的优良特性。
有机无机复合膜具有优异的机械性能、热稳定性和光学特性。
常见的有机无机复合膜有有机硅薄膜、有机金属薄膜等。
有机无机复合膜广泛应用于光学涂层、防护涂层等领域。
总结起来，基本薄膜材料包括聚合物薄膜、金属薄膜、陶瓷薄膜、碳薄膜和有机无机复合膜等。
这些薄膜材料具有各自的特性和应用领域，广泛应用于电子、光电、材料科学等领域。
随着科学技术的发展，薄膜材料的种类将不断增加，其应用领域也将愈加广阔。
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着 须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
气相沉积技术原理
蒸发速率：单位时间内膜料单位面积上蒸发出来的材料 质量
理想最高蒸发速率
G m
4.38 103 ps
Ar /T
T为蒸发表面的热力学温度，K
ps为温度T时的材料饱和蒸汽压
气A相r沉为积膜技术料原理的相对分子量
13
1.2 蒸气粒子的空间分布 蒸气粒子的空间分布显著的影响了蒸发粒子在基体上的 沉积速率和基体上的膜厚分布。 蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。 两种蒸发源：点源，小平面源
气相沉积技术原理
2
1.2 薄膜的基本性质
① 力学性质 ② 导电性 ③ 电阻温度系数 ④ 密度 ⑤ 时效变化
气相沉积技术原理
3
二、薄膜的形成过程及研究方法
2.1 薄膜的形成过程
气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段 基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并
相互作用，使吸附原子有序化，形成临界核，然后长大 成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。 临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并 受到薄膜制备方法的限制。 魔数（幻数，magic number）的限制
I. 物理气相沉积(PVD)：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、
脉冲激光沉积等等
II. 化学气相沉积(CVD)：CVD，MOCVD、PECVD等
气相沉积技术原理
12
第二节 真空蒸镀
一、真空蒸镀原理
1.1 膜料在真空状态下的蒸发特性
真空蒸镀是将工件放入真空室，用一定的方法加热膜料， 使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。
单一空间点源对平板工件上任一点的沉 积厚度为：
t m
h
4 (h2 r2)3
气相沉积技术原理
14
塑料薄膜基本知识
塑料薄膜基本知识塑料薄膜基本知识塑料薄膜是一种常用的包装材料，它具有轻巧、耐磨、防水等优良特性，广泛应用于食品、医药、日化等行业。
本文将就塑料薄膜的基本知识进行详细介绍。
一、塑料薄膜的分类1.按用途分类：按用途，可分为食品包装用膜、工业包装用膜、医用包装用膜、农用包装用膜、建筑保护用膜等。
2.按材质分类：按材质，可分为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚氯乙烯膜、聚乙烯醇膜等。
3.按生产方式分类：按生产方式，可分为吹塑薄膜、挤塑薄膜、复合薄膜等。
二、塑料薄膜的性能指标1.外观质量：包括透明度、平整度、无色点、无瑕疵等。
2.物理机械性能：包括强度、拉伸率、撕裂强度、抗刺破性、热封性等。
3.化学性质：包括抗氧化性、抗紫外线、抗静电、耐久性等。
4.安全卫生性能：包括无毒无味、无异味、不污染食品等。
三、塑料薄膜的应用1.食品包装：塑料薄膜广泛应用于食品包装领域，如薯片包装、豆制品包装、肉类包装等。
2.药品包装：医用包装薄膜用于制备药瓶、药盒，具有耐高温、耐化学药品腐蚀等优点。
3.日化用品包装：洗发水、沐浴露等日化用品多采用塑料薄膜包装，具有防水、易清洗等特点。
4.文化用品包装：如书籍、音像制品等包装，以透明塑料膜为主，具有纸张包装难以达到的防水性能。
5.基础设施建设：塑料薄膜具有隔水、防水、隔离、防草等保护作用，应用于地基防渗、塑料温室大棚、水池防渗等领域。
四、塑料薄膜的环保问题随着环境保护意识的增强，塑料薄膜的环保问题也日益受到关注。
塑料薄膜在制造、使用和处理的过程中都有可能造成环境污染。
因此，产业协会和政府相关部门应引导生产企业加强环保意识，推广生产环保型塑料薄膜，并加强塑料薄膜回收、利用。
总之，塑料薄膜是一种非常重要的包装材料，具有广泛的应用前景，但同时也需要引起人们的环保意识。
希望在未来的发展中，生产企业和政府部门共同努力，推广更加环保的塑料薄膜，共同创造一个更加美好的生活环境。
第四章 薄膜的性质讲解
六、 表声波性能
表声波在压电介质中传播时，其质点位移 振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速 衰减，因此表声波能量主要集中在表面下 一二个波长的范围内。下图示出了压电介 质中表声波传播示意图。
压电介质中表声波传播示意图
表声波性能函数式
由于表声波的性质与体声波的不同，所以 压电材料在表声波方面所表现出的性能显 著地不同于它的体声波性能。 可将薄膜的表声波性能表达为下列函数式： 表声波性能=F（原材料，基片，薄膜结构， 波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度 波数积）
二、 体积电阻率
从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说， 8 10 cm 都希望它具有很高的电阻率，至少应该 v AIN薄膜的电阻率为2×1014~1×1015 cm ，远 高于108 cm ，因而在这方面AIN是十分优异的 薄膜。
有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其 电子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不 相同的。
第三节 薄膜的光学特性
当光照在薄膜上时，一部分光会被薄膜物 质所吸收，一部分光在薄膜表面被反射， 也有一部分光会穿过薄膜而透射出去。如 果是多层薄膜还会发生多重反射效应，其 计算结果很复杂。
薄膜材料的光学常数关系
固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系 n ( ) 确定的，而 n ( )有下列关系：
四、击穿场强
因为电介质的击穿场强属于强度参数，而 且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电 薄膜的击穿场强有相当大的分散性； 按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄 膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减少而 逐渐增大。但是实际上，因为薄膜中含有 不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著， 所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的 击穿场强反而急剧变小。
气相沉积技术分析
随着原子沉积增加，使通道加宽，空洞减少，最后形成连续的薄膜。
P在磨各机冲以模功V模损类械裁上、能D具、磨零、；翻见涂的腐损件冷因边图层使蚀、、镦咬模3。技用、咬医、合等术过融合疗粉引)，针程合、器末起加对中、腐械成产涂，粘蚀等型品冲层早着、。等或后压期等粘其模模可／失。着中具具以成效而、，的)从，型经融因拉P根加V模常合磨伤D本涂涂出等损问具上层层现引引题的予后技。起起(以可解如术失失失解提：决可效效效决高引方以的的的，寿伸广案因工产其命模泛数具品抗2、—应通、(磨如拉2用常模损：0伸倍于是具、 ②相 用体这随用体但由镜其失薄虽构当 这然高其随一化其因P一虽构在冲P模镀②因②由由②影其但 相冲模随化但由③用体因化化影P在薄失虽构随(用体当3VVV)对比各取种着各取耐于(中效膜然。岛种而精中着、学中咬、然。模压具(对咬对于于对响中耐比压具着学耐于对各取咬学学响模膜效然。着各取岛层DDDFPI法法涂V模 之种 向 薄 原 种 向 冲 表 ， 的 一 原 在薄 ， 度 ， 原 薄 气 ， 合 薄 原 具 是 表 模 合 模 此 此 模 到 最 冲之 是 问 原 气 冲 此 模 种 向 合 气 气 到 具 可 的 原 原 种 向 在M状D是与层)具下 工外膜子工外击面因因般子基 膜由的因子膜相因引膜子的大面具引具法法具产方击 下大题子相击法具工外引相相产的以因子子工外基加)、法能 C技基， 艺延表沉艺延性分磨数有力底 表于要磨沉的沉磨起的力处批改基起基比比基品便性 ，批主沉沉性比表艺延起沉沉品使定数力沉艺延底岛扫等V够术体用 方薄面积方薄能析损通以显上 面C求损积定积损产定显理量性体产体较较体的的能 用量要积积能较面方薄产积积的用义通显积方薄上D状描镀V法在针的法膜起增法膜较技引常下微不 起。引增义的引品义微中零处的品的简简的交是较 零集增是较简的法膜品的是交过为常微增法膜不PP生隧D膜VV的工对是热，等伏加，等差术起是三镜断 伏起加和过起或和镜，件理热或热单单热货原差 件中加利差单改，等或过利货程：是镜加，等断长道DD的比具冲法 法在处控。较，控。，的失磨种的扩 较失，基程失模基的成的处模处，，处周子， 成在，用，，性控。模程用周中按磨的，控。扩C。显方V较钢压就 就工理制大使制特进效损生分大 大效使本可效具本分型方理具理均均理期力特 型模使气特均处制具可气期，照损分使制大微D法／完(完法具；一，通一别步的、长辨时，的通性以的的性辨生法；的；可可；。显别生具通态别可理一的以态。早一、辨通一时高镜. 成全 全有钢定表道定是，产腐模率， 表产道质在产拉质率产很拉在在微是 产损道物是在。定拉在物期定腐率道定，速(S型不 不些的的面加的在现品蚀式相岛 面品加常品伤相实多伤真真镜在 实坏加质在真的伤常质失的蚀相加的岛T钢M模发 发方变工粗宽工间在、：当会 粗宽压问当用，问空空，间 用、宽在间空工问压在效需、当宽工会(((、如如如)、具生 生面态艺糙，艺断可融高相 糙，下题高工有题槽槽因断 工产，固断槽艺题下固经要融高，艺相模：：：原的变 变适点参。空参切用合，互 。空进，艺镀内内为切 艺品空体切内参进体常，合，空参互具(((冲冲冲如如如子解形 形用以数洞数削多、但联 洞行但之硬进进薄削 之质洞表削进数行表出利、但洞数联钢裁裁裁：：：力决。 。，上，减，时种粘仍系 减，仍一铬行行膜时 一量减面时行，，面现用粘仍减，系)、、、的引引引显方尤的可少可，方着然起 少也然。、，，在， 。缺少发，，可也发。特着然少可起冷冷冷回伸伸伸微案其高以，以很法等不来 ，可不合因因不很 陷，生很因以可生殊等不，以来镦镦镦火模模模镜是温得最得容来。能， 最以能金此此同容 和最化容此得以化的。能最得，、 、 、温、 、 、(用处A到后到易观看构 后在看的被被阶易 模后学易被到在学制看后到构粉粉粉度拉拉拉F于进不形不发察到成 形低到电广广段发 具形反发广不低反备到形不成M末末末下伸伸伸凸行)同成同生薄临岛 成压临镀泛泛沉生 的成应生泛同压应技临成同岛等成成成，模模模模处结连结脆膜界的 连下界法用用积脆 刃连，脆用结下，术界连结的。型型型在、、、类理构续构裂的核通 续进核，于于后裂 磨续生裂于构进生，核续构通等等等金翻翻翻的，的的的。形，道 的行，有表表，。 等的成。表的行成在，的的道模模模属边边边冷所薄薄薄成所。 薄。所氮面面样，薄固面薄。固基所薄薄。具具具表模模模锻以膜膜膜��
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• （5）杂质效应 • 在沉积薄膜时，环境气氛对内应力的影响较大，真空室内的残余
气体进入薄膜中将产生压应力。
• 由于晶粒间界的扩散作用，即使在低温下也可产生杂质扩散从而
形成压应力。
• （6）原子、离子埋入效应 • 对于溅射薄膜、膜内常有压应力存在。一方面由于溅射原子由
10eV左右的能量，在形成薄膜时可能形成空位或填隙原子等缺陷 使薄膜体积增大；另一方面，反溅射过程中的加速离子或加速的 中性原子常以1～102eV(甚至更高）的能量冲击薄膜，它们除了 作为杂质被薄膜捕获外，薄膜表面原子向内部移动埋入导致薄膜 体积增大，从而在薄膜中形成内应力。这种内应力是由原子、离 子埋入引起的，因而称原子、离子的埋入效应。
的大小因制作工艺条件的不同而不同。
• 应力为正表示拉伸应力，膜本身有收缩趋势；应力为负表
示压缩应力，膜本身有伸展的趋势。
• 在绝大多数场合下，蒸镀膜中存在拉伸应力，溅射膜中存
在压缩应力
1.内应力形成的原因
• 对于内应力的原因许多人进行了大量研究，
提出了各种理论模型。因此应力现象比较 复杂，很难用一种机理进行说明。目前对 内应力的成因有如下一些理论：
核电阻温度系数也会变化。膜越薄，这种变化就越显著激 烈。可以理解为，这是由于接近岛状或者海峡结构的薄膜 其粒子在基片上的再蒸发、重排、氧化等而引起化学变化 的缘故。在膜较厚时也会由于晶格缺陷的变化而发生不可 逆的变化。对于薄膜来说，TCR和电阻率对于温度的可逆变 化只是在某一限定范围之内的，与整块材料完全不同的。
• （2）提高基体温度 • 在沉积薄膜时提高基体温度，有利于薄膜与基体间原子的相
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，使粘附力增大。但基体温度过高，会使薄膜晶 粒粗大，增加膜中的热应力，从而影响薄膜的其它性能。因 此，在提高基体温度时应作全面考虑。
• （3）制造中间过渡层 • 当基体和薄膜的热膨胀系数相差较大时将产生很大的热应
• ①简单附着； • ②扩散附着； • ③通过中间层附着； • ④宏观效应附着。
附着的四种类型示意图
简单附着 通过中间层附着
扩散附着 宏观效应附着
• （1）简单附着时，薄膜和基体之间存在一个很清楚的
分界面。这种附着是由两个接触面相互吸引形成的。当 两个不相似或不相容的表面相互接触时就易形成这种附 着。
第二节 薄膜的力学性能
• 薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之间的附
着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着性不好的薄膜 无法使用。
• 薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜
内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之间的热膨胀 系数的不同，也会使薄膜产生应力，过大的内应力将使薄 膜卷曲或开裂导致失败。
电子必须以某种方法通过微晶体之间的空间，因此，在膜 层较薄时，电阻率是非常大的。当膜厚增加达到数百埃， 电阻率就会急剧地减小；但是，因晶粒界面的接触电阻起 很大的作用，所以和整块材料时相比，电阻率还是要大的 多。晶粒界面上会吸附气体，发生氧化，当这些地方为半 导体时，甚至会出现随温度的升高电阻减小的情况。
• （4）通过宏观效应的附着包括机械锁合和双电层吸引等。机
械锁合是一种宏观的机械作用。当基体表面比较粗糙，有各种 微孔或微裂纹时，在薄膜形成过程中，入射到基体表面上的气 相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝中形成这种 宏观机械锁合。如果基体表面上各种微缺陷分布均匀适当，通 过机械锁合作用可提高薄膜的附着性能。
三、薄膜的密度
• 一般说来，薄膜的密度要比整块材料的密
度低。因此，同样重量的膜也比整块材料 的膜要厚些。也可以说，这是由于某种程 度的粗糙性造成的。
• 在以测定重量来计算膜厚的情况下，有必
要预先测定出密度来。
四、经时变化
• 薄膜在制成后也会十分缓慢地变化，这跟普通金属那样经
过充分地退火除去了各种各样的缺陷是不同的。薄膜在制 造时由于急速地冷却而包含有各种各样的缺陷、变形等等， 这是它变化的起因。在使用薄膜时，一般要求经时变化越 小越好。为此，就要研究各种各样的制造条件。膜越薄， 经时变化越大。这种经时变化，一般在初期比较剧烈。因 此，在薄膜做成以后，如果在高温下放置数小时（按膜和 基片材料而有所不同），则往往会使以后的变化比较小， 我们把这种处理称为老化。
第二章 薄膜的性质
在以固体电路为中心的电子学领域中，以及在分子束 外延膜等有应用前途的光电子学领域中，单晶膜起着 重要的作用。但是常用的还是以多晶膜为多。这里， 叙述有关薄膜的基本性质。
一、导电性
金属的导电性是由于金属内部的自由电子逆电场方 向流动造成的。电子在与电场相反的方向上被加速， 但又由于与晶格碰撞而失去这之前从电场中得到的 能量，这样就限制了它的速度。它与晶格碰撞会使 温度升高，而晶格的热振动越是剧烈，碰撞的机会 也就越多，这就是金属的电阻值随着温度的升高而 增大（具有正温度系数）的主要原因。
电介质膜
• 电介质多数是化合物，由它们制备的薄膜是作为
绝缘体使用的，但其中包含的缺陷比金属膜要多 得多，且组成成分得差异也很大，因此，在多数 场合下，绝缘性和介电特性都比整块材料要差。 为了除去这些缺陷，在薄膜制成之后，需要进行 热处理。
• 从制法上来说，溅射方法容易得到电介质膜。将
电介质直接进行溅射时，可得到100～200nm/s的 沉积速率。也可以利用其它的反应性溅射来制造 电介质膜。
• （7）表面张力（表面能） • 在薄膜沉积过程中，由于小岛的合并或晶粒的合并引起表面张力
的变化，从而引起膜内应力的变化。
2、 内应力的测量
• 内应力的测量方法有： • ①悬壁梁法； • ②弯盘法； • ③X射线衍射法； • ④激光拉曼法。
3、 内应力与薄膜的物理性能
• （1）内应力引起磁各向异性，内应力是
• （1）热应力（热收缩效应）沉积过程中，薄膜由
高温冷却到周围环境温度过程中原子逐渐变成不能 移动的状态，这种热收缩就是产生内应力的原因。 由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，加之沉积过程 的温差，故薄膜产生一附加应力，使薄膜和基体的 结合发生变形，这个应力称为热应力。因此，在选 择基体时应尽量选择热膨胀系数与薄膜热膨胀系数 相近的材料。
• 所以在各种应用领域中，薄膜的附着力与内应力都是首先
要研究的课题。
一、薄膜的粘附力
• 薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜
应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造 过程中普遍关心的问题。
1. 附着现象：
• 从宏观上看，附着就是薄膜和基体表面相
互作用将薄膜粘附在基体上的一种现象。 薄膜的附着可分为四种类型：
• （5）热处理 • 沉积薄膜后进行适当的热处理，如经过热退火处理消除缺
陷产生的应力或增加相互扩散来提高粘附力。
• （6）晶格匹配 • 由于基体与薄膜的晶格失配，将产生热应力，因而尽量选择基
体和薄膜材料的晶格结构相近的材料作为基体，可以提高粘附 力。
• （3）通过中间层的附着是在薄膜和基体之间形成一种化合物
中间层（一层或多层），薄膜再通过这个中间层与基体间形成 牢固的附着。这种中间层可能是一种化合物的薄层，也可能是 含有多种化合物的薄膜。其化合物可能是由薄膜与基体两种材 料形成的化合物，也可能是与真空室内环境气氛形成的化合物， 或者两种情况都有。由于薄膜和基体之间由这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯的界面。
二、薄膜的内应力
• 用通常方法加工的各种零件是在良好的热平衡状态下制造
的。即使如此，仍然会存在一定程度的残余应力。
• 多数薄膜不是在热平衡状态下制造的，而是从岛状构造开
始合成一体生长而成的。各个岛或是固体，或是液体，都 不是在热平衡状态下充分地合成一体的，合成一体后也不 可能是充分退火态的。
• 在真空中制成的薄膜，可以肯定会残留一定的内应力。它
• 由上可以看出，附着或结合的全部现象实质上都是建立在原子
间电子的交互作用的基础上。
2.附着表征
• 黏附力或者结合能的测定可分为两大类。
一类是机械法，另一类是形核法。
• 机械法大致有：①划痕试验法；②拉力试
验法；③剥离试验法；④磨损法；⑤离心 力试验法；⑥弯曲法；⑦碾压法；⑧锤击 法；⑨压痕法；⑩气泡法等。
通过磁致伸缩现象向薄膜提供能量的。而 且还对薄膜的磁性能产生影响。
• （2）内应力引起超导点的变化，如引起
Pb膜超导点的下降。
3.提高粘附力的途径
• （1）对基体进行清洁处理 • 基体的表面状态对粘附力的影响很大，如果表面有一层污染
层，将使薄膜不能与基体直接接触，范德华力大大减弱，扩 散附着也不可能，从而附着性能极差，解决的方法是对基体 进行严格清洗，还可用离子轰击法进行处理。
• 基片温度对薄膜的内应力影响也很大，因为基片的
温度直接影响吸附原子基片表面的迁移能力，从而 影响薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数量和分布， 而这些都与内应力大小有关。
• （2）相变效应 • 薄膜的形成过程实际上也是一个相变过程，即由气相变为液
相再变为固相。这种相变肯定带来体积上的变化，产生内应 力。
• 单晶膜是在高温下生成的，没有晶粒界面的问题，所以一
般说来电阻率小些。如果蒸镀和溅射比较，溅射的膜由于 核的密度较高，电阻率也较小些。
导电性
• 膜厚远远大于平均自由程 • 随着膜厚增加，薄膜的电阻率会接近整块
材料的值，但一般仍要比整块的值大一些。 这是由于微晶粒之间的接触电阻核晶体中 存在的晶格缺陷的密度大于整块材料的这 两个因素加起来造成的。
五、电介质膜
• 电介质是不显示电导性的绝缘体的总称。在绝缘
体内晶格的周围存在着电子云，其内部没有自由 运动的电子。如果施加外电场，离子和电子云的 位置会发生位移，产生极化。在导体中是不存在 电场的，与此相反，在绝缘体中，因介电常数有 限，从而能产生有限电场，并且，绝缘体会发生 介电感应现象，这就是所谓“电介质”名称的含 义。与极化有关的压电性和热电性都是这类材料 的重要性质。