第九讲薄膜材料的组织结构2
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薄膜材料的组织结构教学课件
结构对其光学性能具有显著影响。
详细描述
高分子薄膜的光学性能主要取决于其分子结构和聚集态 结构。高分子薄膜中的分子排列方式会影响光的吸收、 反射和透射等行为。此外，高分子薄膜的结晶度、取向 和相分离等聚集态结构也会影响其光学性能。因此，通 过控制高分子薄膜的组织结构，可以调节其光学性能， 如透明度、反射率和颜色等。
VS
复合相
复合相是指由两种或多种材料组成的一种 新的相。在薄膜材料中，复合相的形成可 以改善单一材料的性能，实现优异的综合 性能。通过制备具有复合相的薄膜材料， 可以满足各种不同的应用需求，如高强度、 高硬度、耐腐蚀等。
亚稳相与稳定相
亚稳相
亚稳相是指一种不稳定的相，其结构或成分 与稳定相有所不同。在薄膜材料的制备过程 中，亚稳相的形成是常见的现象。亚稳相的 存在可能会导致薄膜材料的性能不稳定，但 有时也可以通过控制亚稳相的形成来优化薄 膜材料的性能。
利用溶质的扩散和反应，在单晶基底 上生长单晶薄膜的方法。
溶胶-凝胶法
通过将前驱物溶液与适当的溶剂混合， 形成溶胶，然后经过凝胶化、干燥、 热处理等过程，制备出氧化物、氮化 物等无机薄膜的方法。
07
薄膜材料的性能测试与表征
光学性能测试
总结词
了解薄膜材料的光学性能是评 估其质量的重要指标。
反射光谱分析
THANKS
感谢观看
稳定性
稳定性是指薄膜材料在各种环境条件下保持其结构和性能的能力。包括温度、湿度、化 学环境等对薄膜材料稳定性的影响。提高稳定性是保证薄膜材料长期可靠性的重要因素。
表面与界面结构对性能的影响
力学性能
表面与界面结构对薄膜材料的力 学性能有显著影响。良好的表面 与界面结构可以提高薄膜材料的
详细描述
高分子薄膜的光学性能主要取决于其分子结构和聚集态 结构。高分子薄膜中的分子排列方式会影响光的吸收、 反射和透射等行为。此外，高分子薄膜的结晶度、取向 和相分离等聚集态结构也会影响其光学性能。因此，通 过控制高分子薄膜的组织结构，可以调节其光学性能， 如透明度、反射率和颜色等。
VS
复合相
复合相是指由两种或多种材料组成的一种 新的相。在薄膜材料中，复合相的形成可 以改善单一材料的性能，实现优异的综合 性能。通过制备具有复合相的薄膜材料， 可以满足各种不同的应用需求，如高强度、 高硬度、耐腐蚀等。
亚稳相与稳定相
亚稳相
亚稳相是指一种不稳定的相，其结构或成分 与稳定相有所不同。在薄膜材料的制备过程 中，亚稳相的形成是常见的现象。亚稳相的 存在可能会导致薄膜材料的性能不稳定，但 有时也可以通过控制亚稳相的形成来优化薄 膜材料的性能。
利用溶质的扩散和反应，在单晶基底 上生长单晶薄膜的方法。
溶胶-凝胶法
通过将前驱物溶液与适当的溶剂混合， 形成溶胶，然后经过凝胶化、干燥、 热处理等过程，制备出氧化物、氮化 物等无机薄膜的方法。
07
薄膜材料的性能测试与表征
光学性能测试
总结词
了解薄膜材料的光学性能是评 估其质量的重要指标。
反射光谱分析
THANKS
感谢观看
稳定性
稳定性是指薄膜材料在各种环境条件下保持其结构和性能的能力。包括温度、湿度、化 学环境等对薄膜材料稳定性的影响。提高稳定性是保证薄膜材料长期可靠性的重要因素。
表面与界面结构对性能的影响
力学性能
表面与界面结构对薄膜材料的力 学性能有显著影响。良好的表面 与界面结构可以提高薄膜材料的
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。
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• 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。
薄膜的结构特征和缺陷
3、薄膜的表面结构 在薄膜的沉积、形成、成长过程中，入射到基体表 面上的气相原子是无规律的，所以薄膜表面都有一定的 粗糙度。粗糙度对光学性能关，在基体温度和真空度较低时，容易出现多孔结构。 所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构，溅射薄膜的 柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面 扩散速率很小的情况下凝聚形成的。
薄膜的结构特征与缺陷
薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能， 主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，以及对性能的影 响。
一、薄膜的结构 薄膜的组织结构是指它的结晶形态，薄膜结 构可分为三种类型： 1、组织结构 2、晶体结构 3、表面结构
1、薄膜的组织结构 (1)非晶态结构。 从原子排列情况来看它是一种近程有序、远程 无序的结构，只有少数原子排列是有秩序的，显示 不出任何晶体的性质，这种结构称为非晶结构或玻 璃态结构。 形成非晶薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表 面扩散速率。可以通过降低基体温度、引入反应气 体和掺杂等的方法制成非晶薄膜。
(2)多晶结构。 多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所 组成。在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的 特征(原子有规则的排列)。由众多小岛聚结形成的 薄膜就是多晶薄膜。 用真空蒸发法或阴极溅射法制成的薄膜，都是 通过岛状结构生长起来的，所以必然产生许多晶粒 间界，从而形成多晶结构。
(3)纤维结构。 纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜，根据取 向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构。 生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的 各个阶段：初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。
(4)单晶结构。 单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。外延生长 需要满足三个基本的条件。 a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率，所以基体温 度和沉积速率就相当重要。在一定的蒸发速率条件下， 大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温 度，即外延生长温度。 b、基体与薄膜材料的结晶相溶性。 c、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。 满足以上三个基本条件，才能制备结构完整的单晶薄膜。
薄膜材料介绍课件
组织工程
薄膜材料可作为组织工程的支架材料，用于再生医学领域 。
其他领域
包装行业
薄膜材料在包装行业中 广泛应用，如食品包装 、药品包装等。
装饰行业
薄膜材料可用于制造各 种装饰品，如玻璃贴膜 、汽车贴膜等。
信息存储
薄膜材料可用于高密度 信息存储，如光盘和磁 记录介质。
05
薄膜材料的发展趋势与 挑战
新材料开发
分类
根据材料类型，薄膜材料可以 分为金属薄膜、绝缘体薄膜、 半导体薄膜、聚合物薄膜等。
根据制备方法，薄膜材料可以 分为物理气相沉积薄膜、化学 气相沉积薄膜、溶胶-凝胶法薄 膜等。
根据应用领域，薄膜材料可以 分为光学薄膜、电子薄膜、生 物薄膜、能源薄膜等。
通常具有较高的透明度，允许光线透过 ，适用于各种光学应用。
薄膜材料介绍课件
contents
目录
• 薄膜材料的定义与分类 • 薄膜材料的特性与性能 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的应用领域 • 薄膜材料的发展趋势与挑战
01
薄膜材料的定义与分类
定义
01
薄膜材料是指厚度在微米至纳米 范围内的薄层材料，通常由一种 或多种材料组成。
02
薄膜材料可以具有各种不同的性 质，如光学、电学、磁学、力学 等，这使得它们在许多领域都有 广泛的应用。
能源领域
太阳能电池
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其特点是薄、轻、可弯 曲。
燃料电池
薄膜材料可用于制造燃料电池的电极和隔膜。
储能电池
薄膜材料在储能电池领域也具有广泛应用，如锂离子电池的电极材料 。
生物医学领域
生物传感器
薄膜材料可用于制造生物传感器，用于检测生物分子和细 胞。
薄膜材料可作为组织工程的支架材料，用于再生医学领域 。
其他领域
包装行业
薄膜材料在包装行业中 广泛应用，如食品包装 、药品包装等。
装饰行业
薄膜材料可用于制造各 种装饰品，如玻璃贴膜 、汽车贴膜等。
信息存储
薄膜材料可用于高密度 信息存储，如光盘和磁 记录介质。
05
薄膜材料的发展趋势与 挑战
新材料开发
分类
根据材料类型，薄膜材料可以 分为金属薄膜、绝缘体薄膜、 半导体薄膜、聚合物薄膜等。
根据制备方法，薄膜材料可以 分为物理气相沉积薄膜、化学 气相沉积薄膜、溶胶-凝胶法薄 膜等。
根据应用领域，薄膜材料可以 分为光学薄膜、电子薄膜、生 物薄膜、能源薄膜等。
通常具有较高的透明度，允许光线透过 ，适用于各种光学应用。
薄膜材料介绍课件
contents
目录
• 薄膜材料的定义与分类 • 薄膜材料的特性与性能 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的应用领域 • 薄膜材料的发展趋势与挑战
01
薄膜材料的定义与分类
定义
01
薄膜材料是指厚度在微米至纳米 范围内的薄层材料，通常由一种 或多种材料组成。
02
薄膜材料可以具有各种不同的性 质，如光学、电学、磁学、力学 等，这使得它们在许多领域都有 广泛的应用。
能源领域
太阳能电池
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其特点是薄、轻、可弯 曲。
燃料电池
薄膜材料可用于制造燃料电池的电极和隔膜。
储能电池
薄膜材料在储能电池领域也具有广泛应用，如锂离子电池的电极材料 。
生物医学领域
生物传感器
薄膜材料可用于制造生物传感器，用于检测生物分子和细 胞。
9-第9讲--薄膜材料物理--第四章薄膜的表面和界面+
1．我国建设社会主义法治国家必须要建设中国特色社会主义法治体系。
下列属于中国特色社会主义法治体系的主要内容的是()①形成完备的法律规范体系②严酷的刑罚实施体系③严密的法治监督体系④形成完善的党内法规体系A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④答案 C解析中国特色社会主义法治体系的主要内容包括：完备的法律规范体系、高效的法治实施体系、严密的法治监督体系、有力的法治保障体系、完善的党内法规体系，故①③④正确，②说法不正确。
故选C。
2．《中共中央关于全面推进依法治国若干重大问题的决定》指出：只有在党的领导下依法治国、厉行法治，人民当家作主才能充分实现，国家和社会生活法治化才能有序推进。
这说明()A．中国共产党是依法治国的主体和力量源泉B．中国共产党的领导是社会主义法治最根本的保证C．中国共产党具有与时俱进的执政能力D．中国共产党实现了最广大人民的根本利益答案 B解析A说法不对，人民是依法治国的主体和力量源泉，不是中国共产党。
只有在党的领导下依法治国、厉行法治，人民当家作主才能充分实现，国家和社会生活法治化才能有序推进，说明党的领导是社会主义法治最根本的保证，B符合题意。
C、D说法正确，但与题意不符。
3．当前，中国人民正在全面落实依法治国基本方略，加快建设社会主义法治国家。
下列关于依法治国的说法正确的是()①全面推进依法治国是一场广泛而深刻的革命②全面依法治国必须要坚持中国共产党的领导③全面依法治国的总目标就是打击贪污腐败分子④要坚持法治国家、法治政府、法治社会一体建设A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④答案 B解析全面推进依法治国总目标是建设中国特色社会主义法治体系，建设社会主义法治国家，③说法错误，不选。
①②④说法正确。
故选B。
4．中共中央提出了全面推进依法治国的总目标、重大任务及180多项重要改革举措，涵盖依法治国各个方面，为法治中国建设描绘出新的路线图。
全面推进依法治国()①是实现国家治理体系和治理能力现代化的必然要求②前提是让部分维权意识薄弱的公民尊法、信法、守法、用法③总目标是纠正一些党政领导干部以言代法、以权压法、徇私枉法④要落实改革举措，直面法治建设的突出问题，回应人民群众期待A．①②B．①④C．②④D．③④答案 B解析依法治国的前提是有法可依，并非是让部分维权意识薄弱的公民尊法、信法、守法、用法，②错误；依法治国的总目标是建设中国特色社会主义法治体系，建设社会主义法治国家，③错误；①从依法治国的必要性角度分析，④说明依法治国的要求，二者说法正确。
薄膜材料的组织结构(2)
Stony 薄膜应力模型
薄膜内应力均匀分布 衬底内应力线性分布
薄膜厚度很小， 则衬底应变很小
体系表现出 的曲率半径
模型的三点基本假设: 薄膜的厚度远小于衬底的厚度 薄膜中的应力均匀分布 衬底内的应力呈线性分布
描述薄膜中应力的 Stony 方程
由模型推导出求薄膜应力的 Stony 方程：
薄膜中的应力
首先，薄膜与基底常属于不同的材料；其次， 薄膜的沉积过程往往又要在较高的温度、非平 衡的条件下进行。因此，薄膜材料的一个特殊 问题是薄膜中普遍存在的应力
薄膜应力的分布一般来说是不均匀的。但由于 薄膜应力问题的复杂性，薄膜应力多是指薄膜 在断面上的应力的平均值 薄膜中总存在应力。它被称为内应力或残余应 力，其数值随材料、制备技术的不同而不同， 甚至可达100-10000kg/mm2 (0.1-10GPa)数量级
薄膜应力的激光动态监测法
薄膜的曲率可用光学的方法很方便地予以监测；用 监测沉积过程中薄膜对激光束的反射角变化的方法 ，可实现对薄膜应力的动态监测
薄膜应力的构成
薄膜应力产生的原因很复杂，但通常可被视为 它是以下两类应力之和：
th in
这两类应力是 热应力 th：由于薄膜与衬底材料热膨胀系数 的差别和温度的变化共同引起的应力 生长应力 in：由于薄膜生长过程的不平衡性 或薄膜所特有的微观结构所导致的应力，又被 称为内秉应力（或本征应力）
薄膜中应力的测量
薄膜中存在应力的一个最直接的结果是其在薄 膜中要引起相应的应变，因而可以用多种方法 对其进行测量（例如用X-射线衍射的方法）
最直观的薄膜应力测量方法是由测量薄膜的曲 率变化计算薄膜中应力的方法，即应用定量描 述薄膜应力-形变关系的斯通利（Stoney）方 程（1909）
薄膜材料概述ppt课件
.
3
薄膜材料历史
可能最早的纳米薄膜 ：古代铜镜表面的防 锈层（纳米氧化锡薄 膜）
其年代可以追溯到商 代，甚至更早
.
4
薄膜学
薄膜的历史，要追溯到三千多年以前。 近30年来，真正作为一门新型的薄膜科学与技
术。 目前，薄膜材料已是材料学领域中的一个重要
分支，它涉及物理、化学、电子学、冶金学等 学科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业 、光学工业等方面有着特殊的应用，逐步形成 了一门独特的学科“薄膜学”。
.
29
薄膜基底种类
基底又称：基片，衬底
陶瓷基底 金属基底 各种工具刀具件 玻璃基底 树脂基底 高分子基底 柔性基底
单晶硅
.
玻璃
晶圆
30
薄膜基底
科研用各种基底
.
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉31
薄膜内应力会导致：薄膜卷曲， 膜层断裂，导致失效
.
40
薄膜内应力
薄膜内应力的测量方法，大致可分为两种：即 测量晶格畸变和测量基体变形。
在测量晶格畸变时均采用x射线衍射法。
在测量基体变形时采用圆形基体或短条形基体。
在采用圆形基体时，因受薄膜的应力作用整个 基体都均匀地变形。如果开始时基体是平面状，然 后变成碗状并可看作球面的一部分，则测量球面曲 率再计算出应力。这时可用牛顿环法、光截面显微 镜法和触针法进行观察测量。
.
24
薄膜的形成机理
(2) 层生长型（Frank-Vanber Merwe型）
特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均 匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第 三层……。
薄膜材料_精品文档
薄膜材料作业问题一：薄膜的结构形态有哪些类型，如何控制薄膜的结构？薄膜结构有三种类型：组织结构、晶体结构和表面结构。
（一）组织结构:薄膜的组织结构是指它的结晶形态。
四种类型；无定形结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。
1、无定形结构该结构称为非晶结构或玻璃态结构。
原子排列:近程有序结构。
就是在2—3个原子距离内原子排列是有秩序的，大于这个距离其排列是杂乱无规则的。
这种结构显示不出任何晶体的性质。
通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂方法实现上述条件。
如硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形成无定形薄膜。
有些氧化物薄膜(如TiO2、ZrO2、Al2O3等)，基体温度在室温时都有形成无定形薄膜的趋向。
在83％ZrO2—l7％SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉积原子尺寸的不同—形成无定形薄膜。
无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。
氧化物、硫化物薄膜等—呈不规则的网络结构(玻璃态)；合金薄膜—呈随机密堆积的结构。
用衍射法研究时，这种结构在射线衍射中呈现很宽的漫散射峰，在电子衍射图中则显示出很宽的弥散形光环。
2、多晶结构。
多晶结构薄膜—由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。
在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征(原子有规则的排列)。
由众多小岛聚结形成薄膜就是多晶薄膜。
在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发现的介稳相结构。
例的在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。
掺入Y2O3可防止介稳相产生而形成稳定的立方相。
3、纤维结构纤维结构薄膜—晶粒具有择优取向的薄膜根据取向方向、数量分为：单重纤维结构和双重纤维结构。
单重纤维结构晶粒只在一个方向上择优取向—一维取向薄膜；在两个方向上有择优取向—二维取向薄膜。
非晶态基体:多晶薄膜都倾向于显示出择优取向例如:面心立方结构中[111]表面具有最低的表面自由能，在非晶态基体上这种结构的多晶薄膜显示的择优取向是[111]。
六角形密堆积多晶薄膜显示[0001]，体心立方结构的多晶薄膜显示[110]择优取向。
薄膜材料及其制备-PPT课件
22
磁控反应溅射
三、化学气相沉积-CVD
1. 基本原理特点 在一定温度条件下，利用气态先驱反应物，通过化学反应或与金属 表面发生作用，在基体表面形成金属或化合物等固态膜或镀层。 采用相应的化学反应及外界条件（温度、气体浓度、压力等），可 制备各种薄膜。 单质、氧化物、硅化物、氮化物等。 气体压力大，利于提高沉积速度 固体电子器件所需的各种薄膜 轴承和工具的耐磨涂层 发动机或核反应堆部件高温防护涂层 复杂件表面均匀涂覆 薄膜种类、范围广 薄膜成分易控制 效率高、运行成本低
●
24
还原反应 某些元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等虽然也可以气态形式 存在，但它们具有相当的热稳定性，因而需要采用适当的还原剂才能 将这些元素置换、还原出来。取决于系统自由能
●
如： SiCl4 (g)+2H2=Si(s)+4HCl (g) WF6 (g)+3H2=W(s)+6HF(g)
(1200℃) (300℃)
在同一蒸发沉积装置中可以安置多 个坩埚，可同时或分别蒸发和沉积多 种不同物质。
10
装置中，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加 速，并经过横向布置的磁场偏转270°后到达被轰击坩埚处。磁场偏转 法可避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。 其缺点是电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热 效率较低；另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的 热辐射。
既可用直流，又可用交流。缺点是 放电过程中容易产生微米级电极颗粒 的飞溅，影响被沉积薄膜的均勾性。
12
激光蒸发装置 使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然，也具有 加热温度高，可避免坩埚污染，蒸发速率高，蒸发过程容易控制等 特点。多用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发光源。
磁控反应溅射
三、化学气相沉积-CVD
1. 基本原理特点 在一定温度条件下，利用气态先驱反应物，通过化学反应或与金属 表面发生作用，在基体表面形成金属或化合物等固态膜或镀层。 采用相应的化学反应及外界条件（温度、气体浓度、压力等），可 制备各种薄膜。 单质、氧化物、硅化物、氮化物等。 气体压力大，利于提高沉积速度 固体电子器件所需的各种薄膜 轴承和工具的耐磨涂层 发动机或核反应堆部件高温防护涂层 复杂件表面均匀涂覆 薄膜种类、范围广 薄膜成分易控制 效率高、运行成本低
●
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还原反应 某些元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等虽然也可以气态形式 存在，但它们具有相当的热稳定性，因而需要采用适当的还原剂才能 将这些元素置换、还原出来。取决于系统自由能
●
如： SiCl4 (g)+2H2=Si(s)+4HCl (g) WF6 (g)+3H2=W(s)+6HF(g)
(1200℃) (300℃)
在同一蒸发沉积装置中可以安置多 个坩埚，可同时或分别蒸发和沉积多 种不同物质。
10
装置中，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加 速，并经过横向布置的磁场偏转270°后到达被轰击坩埚处。磁场偏转 法可避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。 其缺点是电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热 效率较低；另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的 热辐射。
既可用直流，又可用交流。缺点是 放电过程中容易产生微米级电极颗粒 的飞溅，影响被沉积薄膜的均勾性。
12
激光蒸发装置 使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然，也具有 加热温度高，可避免坩埚污染，蒸发速率高，蒸发过程容易控制等 特点。多用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发光源。
薄膜的结构与缺陷课堂上课.ppt
学习课堂
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薄膜的结构和缺陷——习题、思考题
1. 薄膜结构是指那些结构？其特点是什么？ 2. 蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？ 3. 薄膜主要缺陷类型及特点？ 4. 薄膜的主要分析方法有那些？基本原理是什么？
★ 薄膜结构与组分的分析方法
表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面 的信息而采用的一些实验方法和手段。
薄膜微观结构： （1）薄膜表面和横断面的形貌。 （2）薄膜内部的结晶构造。
Excitation source
Signal Detector
Event
Sample
学习课堂
34
入射电子 Auger电子
学习课堂
40
XPS的仪器
学习课堂
41
XPS的仪器
学习课堂
42
XPS原理：
1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被 激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素 价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的XPS不同。
2 被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中 hv=入射光子（X射线或UV）能量
阴极发光
样品
背散射电子 二次电子 X射线
透射电子
入射电子与样品相互作用后学习，课堂使样品原子较外层电子（价35 带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。
各种信息的作用深度
从图中可以看出， 俄歇电子的穿透 深度最小，一般 穿透深度小于 1nm，二次电子 小于10nm。
学习课堂
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➢ 扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscope（ SEM））分析
n C N exp(SV / k) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT)
薄膜材料的组织结构共85页文档
薄膜材料的组织结构
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
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应力造成薄膜破坏的情况
(a) 拉应力
(b) 压应力
应力造成薄膜破坏的一个实例
Image of a telephone cord buckle on a film. After cutting the film, the buckle geometry and the discontinuity reveal film stress relaxation.
薄膜与衬底材料性质的差别越大，沉积温度与 使用温度差别越大，则热应力也越大，并可能 因此导致薄膜的破坏
例如，在 1000C 对钢表面进行 TiC 涂层后， 涂层内会在降温过程中产生压应力，其数值约 为 =160kg/mm2
薄膜中的生长应力——其起源
薄膜的生长应力：由于薄膜生长过程、其微观结 构的非平衡性所导致出现的薄膜应力
薄膜内应力均匀分布 衬底内应力线性分布
薄膜厚度很小， 则衬底应变很小
模型的三点基本假设: 薄膜的厚度远小于衬底的厚度 薄膜中的应力均匀分布 衬底内的应力呈线性分布
体系表现出 的曲率半径
描述薄膜中应力的 Stony 方程
由模型推导出求薄膜应力的 Stony 方程：
f
E
sd
2 s
6(1 s )rdf
薄膜应力的激光动态监测法
薄膜的曲率可用光学的方法很方便地予以监测；用 监测沉积过程中薄膜对激光束的反射角变化的方法 ，可实现对薄膜应力的动态监测
薄膜应力的构成
薄膜应力产生的原因很复杂，但通常可被视为 它是以下两类应力之和：
th in
这两类应力是 热应力 th：由于薄膜与衬底材料热膨胀系数 的差别和温度的变化共同引起的应力
由此，热应力的计算公式为
f
TE f 1 f
f —— 薄膜 s —— 衬底 —— 线膨胀系数 T —— 温度 —— 泊松比 E —— 弹性模量
薄膜中的热应力
温度变化、薄膜-衬底热膨胀系数的差别是薄膜 热应力产生的原因。因而，只要薄膜与衬底的 材料不同，且在薄膜制备以后存在温度的变化 ，热应力就是不可避免的。并且，薄膜-衬底系 统的任何温度变化都会产生热应力
Stony 方程的三点基本假设： 薄膜的厚度远远小于衬底的厚度，df<<ds。 因此，与厚度很小的薄膜相比，衬底的应变 很小 薄膜中的应力是均匀分布的 衬底内的应力为线性分布的
Stony 方程的推导方法：
应用由薄膜、衬底二者组成的材料体系满足
合力 F 、合力矩 M 各自为零的平衡条件
Stony 薄膜应力模型
f —— 薄膜 s —— 衬底 E —— 弹性模量 d —— 厚度 —— 泊松比 r —— 曲率半径
式中的负号表明，在系统的曲率半径 r 为正（即 薄膜上表面向上凸出）时，薄膜中的应力为压应 力；否则，应力为拉应力
由测量得到薄膜弯曲的曲率半径，即可根据材 料特性和薄膜厚度，计算得出薄膜中的应力
薄膜中应力的测量
薄膜中存在应力的一个最直接的结果是其在薄 膜中要引起相应的应变，因而可以用多种方法 对其进行测量（例如用X-射线衍射的方法）
最直观的薄膜应力测量方法是由测量薄膜的曲 率变化计算薄膜中应力的方法，即应用定量描 述薄膜应力-形变关系的斯通利（Stoney）方 程（1909）
描述薄膜中应力的Stony方程
在实验中，尚不能测量薄膜中的生长应力，即不 能依靠实验将薄膜的生长应力直接测量出来
通常，薄膜中生长应力需采用如下的方法确定： 根据薄膜和衬底的热膨胀系数、薄膜的沉积 温度和最终温度计算求出热应力 再根据公式
th in
从实验测出的总应力中减去热应力的部分， 即得出薄膜的生长应力
薄膜中生长应力的起源
有杂质原子溶入薄膜的情况。如混杂在薄膜晶 格内的惰性气体杂质、溶解在活泼金属中的氧 原子等，都会使薄膜内出现压应力
有原子、原子团扩散、离开薄膜的情况。如 PECVD 方法沉积的 Si3N4 薄膜中，会由于沉积 产物中释放出 NH3 气分子，薄膜内部原子密度 变化，从而产生相应的拉应力
生长应力 in：由于薄膜生长过程的不平衡性 或薄膜所特有的微观结构所导致的应力，又被 称为内秉应力（或本征应力）
薄膜中的热应力
薄膜与衬底一般属于不同的材料，它们的线膨 胀系数一般总存在差别
薄膜的沉积过程一般又是在比较高的温度下进 行的。因而，若在薄膜沉积后有温度的变化， 则薄膜与衬底两者将有不同的热涨冷缩倾向
生长应力的产生与薄膜的沉积过程有关，其机制十 分复杂。按其作用机理，薄膜生长应力的影响 因素常被归纳为以下三个类别：
化学成分方面的原因 微观结构方面的原因 粒子轰击过程方面的影响
薄膜中生长应力的起源 ——化学成分方面的原因
薄膜的沉积过程往往是非平衡的。在薄膜沉积 的同时或以后，薄膜内部还可能发生某种化学 反应的过程，并在薄膜中诱发应力，如
薄膜中的应力
首先，薄膜与基底常属于不同的材料；其次， 薄膜的沉积过程往往又要在较高的温度、非平 衡的条件下进行。因此，薄膜材料的一个特殊 问题是薄膜中普遍存在的应力
薄膜应力的复杂性，薄膜应力多是指薄膜 在断面上的应力的平均值
薄膜中总存在应力。它被称为内应力或残余应 力，其数值随材料、制备技术的不同而不同， 甚至可达100-10000kg/mm2 (0.1-10GPa)数量级
薄膜材料的沉积过程涉及到各种非平衡的过程：
较低的薄膜沉积温度 高能粒子的轰击 气体和杂质原子的混入 大量缺陷和孔洞的存在 亚稳相、甚至非晶态相的形成 薄膜组织的不断演变等
它们都造成薄膜材料的组织状态偏离平衡态，并 因此在薄膜中留下应力。由此也可以理解，薄膜 应力的分布也应是不均匀的
薄膜中的生长应力——其计算
由于薄膜与衬底在界面处相互制约，因而薄膜 与衬底中将各自产生应变，并诱发应力
这部分由薄膜与衬底材料线膨胀系数不同和温 度变化共同引起的薄膜应力被称为热应力
薄膜中热应力的计算
由上述的定义，即可求出薄膜中形成的热应力 若衬底的厚度远大于薄膜的厚度，则衬底应变可
被忽略。此时，热应力造成的应变为
f (s f )dT T