第6章薄膜材料的表征方法
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薄膜材料的表征与应用前景
薄膜材料的表征与应用前景薄膜材料是一种厚度较薄的材料，具有广泛的应用领域。
在现代科学技术领域中，薄膜材料正变得越来越重要，例如电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
在这些领域中，薄膜材料都有着很重要的作用。
因此，如何进行薄膜材料的表征是非常重要的，下面将从表征方法、薄膜材料技术应用、应用前景三方面进行探讨。
一、薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法主要有X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等技术。
其中，X射线衍射属于一种常用的材料分析方法，可以得到薄膜的晶体结构、晶格常数、谱线宽度、拓扑结构等信息。
透射电子显微镜可以得到薄膜的显微组织结构，包括富含结构信息的多晶体薄膜、单晶薄膜以及异质结构。
扫描电子显微镜则可用来分析物质表面形态和组成，并且可对样品的形貌、大小、质量等进行观察和计量。
原子力显微镜则可以对样品的表面形貌进行观察，并能够创造分子层面的逼真图像，是一种非常常用的表征方法。
不同的薄膜材料在表征方法上存在很大的差异，例如，半导体薄膜材料需要更精确的表征技术，而对于金属薄膜材料则主要采用透射电子显微镜进行分析。
在分析时也需要注意用适当的方法。
二、薄膜材料技术应用薄膜材料的技术应用广泛，涉及到电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
其中，太阳能电池是薄膜材料的典型应用之一。
采用薄膜材料制造的太阳能电池，不仅可以提高转换效率，而且重量更轻、性能更佳。
此外，薄膜材料还可以用于生物传感器领域。
由于薄膜具有微观尺寸范围，因此具有内在的生物相容性和高灵敏度，并且还可以按照需要设计其结构或功能，如含有肝素和酶等的超薄膜，有利于抑制血栓形成和生物膜。
三、薄膜材料技术应用前景在各种新能源材料中，薄膜材料已经成为研究热点。
太阳能电池、燃料电池等的制造关键是新材料的开发，而在这些中，薄膜材料的开发将成为未来的重要方向。
薄膜材料的表征方法
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
膜厚d 的计算
通常,光波的偏振状态由两个参数描述:振幅和相位。为方便 起见,在椭偏仪法中,采用Ψ 和△这两个参数描述光波反射时 偏振态的变化,它们的取值范围为: 0 ≤Ψ ≤π/ 2 ,0≤△< 2π。 (Ψ , △) 和( Rp , Rs) 的关系定义为总反射系数的比值,如下 式所示 Rp/Rs＝tanyexp（iΔ） 式中, tgΨ 表示反射前后光波P、S 两分量的振幅衰减比, △=δp -δs 表示光波P、S 两分量因反射引起的相应变化之 差。 由此可见,Ψ 和△直接反映出反射前后光波偏振状态的变化。 在波长、入射角、衬底等确定的条件下,Ψ 和△是膜厚和薄 膜折射率( n) 的函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n) 结合公式，测量y和Δ，就可以求出薄膜折射率n和薄膜的 厚度d。
薄膜材料的表征方法
衰减,衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等.
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发SEM ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 S
EM ➢ 透射电子TEM
➢ 俄歇电子：内层电子激发AES,表面层成分分析
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.3 薄膜结构的表征方法
6.3.1 X射线衍射法 －－ 物相定性分析
材料的成份和组织结构是决定其性能的基本因素,化学分析能给 出材料的成份,金相分析能揭示材料的显微形貌,而X射线衍射分 析可得出材料中物相的结构及元素的存在状态.因此,三种方法不 可互相取代.
物相分析不仅能分析化学组成,更重要的是能给出元素间化学结 合状态和物质聚集态结构.
质量的方法,甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一个 原子层的高水平.
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物
理现象. 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:
一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定. 在大多数的情况下,这种方法主要是被用来测量沉积速度. 将其与电子技术相结合,不仅可实现沉积速度、厚度的检测,还 可反过来控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于薄膜沉积 过程的自动控制.
垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发 生振荡.
当n1> n2n2＝1.5,相当于玻璃时,反射极大的位置： h = 2m+1λ/4n1
对于n1< n2,反射极大的条件变为： h = m+1λ/2n1
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发SEM ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 S
EM ➢ 透射电子TEM
➢ 俄歇电子：内层电子激发AES,表面层成分分析
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.3 薄膜结构的表征方法
6.3.1 X射线衍射法 －－ 物相定性分析
材料的成份和组织结构是决定其性能的基本因素,化学分析能给 出材料的成份,金相分析能揭示材料的显微形貌,而X射线衍射分 析可得出材料中物相的结构及元素的存在状态.因此,三种方法不 可互相取代.
物相分析不仅能分析化学组成,更重要的是能给出元素间化学结 合状态和物质聚集态结构.
质量的方法,甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一个 原子层的高水平.
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物
理现象. 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:
一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定. 在大多数的情况下,这种方法主要是被用来测量沉积速度. 将其与电子技术相结合,不仅可实现沉积速度、厚度的检测,还 可反过来控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于薄膜沉积 过程的自动控制.
垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发 生振荡.
当n1> n2n2＝1.5,相当于玻璃时,反射极大的位置： h = 2m+1λ/4n1
对于n1< n2,反射极大的条件变为： h = m+1λ/2n1
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薄膜材料的表征方法完整版本
21、没有人陪你走一所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
21、没有人陪你走一所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
薄膜物理与技术-6 现代薄膜分析方法
照相室（底片） 或数字暗室
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （3）透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscopy)
一、测量原理：
1、把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子在 穿过样品的同时与样品原子碰撞而改变方向，从而产生立 体角散射； 2、散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可形成明暗 不同的影像； 3、通常：TEM的分辨率达 0.1~0.2 nm； 放大倍数为 n×104~n×106倍。
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
转晶法测得花状金纳米颗粒XRD谱
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
应用P170：
定性相分析 定量相分析 测定结晶度 测定宏观应力
测定晶粒大小 确定晶体点阵参数 测定薄膜厚度
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 电子束的作用区域及主要成像粒子：
1、电子束入射到样品表面后，会与表面层的原 子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m； 2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分 析的主要激发粒子是： （1）最表层 (10Å)：俄歇电子； （2）浅层 (50~500Å)：二次电子； （3）梨形区上部：背散射电子； （4）梨形区下部：特征X射线。
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
X射线的发现：1895年，伦琴对阴极射线的研究过程中发现 了一种穿透能力很强的射线 ——X射线（伦琴射线）
薄膜材料的表征方法
详细描述
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
感谢您的观看
THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
薄膜材料性能表征方法介绍
磁化率测试可以用于研究薄膜材料的磁学性质，如磁各向 异性、磁晶各向异性等，对于理解材料的磁学行为和优化 磁性薄膜的应用具有重要意义。
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
薄膜材料的表征与测量方法PPT(55张)
隧道效应电流是电子 波函数重叠的量度， 它与两金属电极之间 的距离以及衰减常数 有关。
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隧道效应
由于电子具有波动性，在金
属中的电子并非仅存在于表
面边界以内，即电子刻度并
不是在表面边界上突然降低
为零，而是在表面边界以外
按指数规律衰减，衰减长度 约1nm。这样，如果两块金 属表面互相靠近到间隙小于 1nm时，它们的表面电子云 将发生重叠。如果将探针极
为简单起见，可先假设在第二个界面上，光全 部被反射回来并到达薄膜表面的C点，在该点 处，光束又会发生发射和折射。
要想在P点观察到光的干涉极大，其条件是直 接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束 之间的光程差为波长的整数倍。
6
7
不透明薄膜厚度测量的等厚干涉 （FET）和等色干涉（FECO）法
40
优点
有原子量级的极高分辨率，能够分辨出单个原子。
直接观测到单原子层表面的局部结构，如表面缺 陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等。
能够实时地得到表面的三维图像，可测量具有周 期性和不具备周期性的表面结构。特别有利于对 表面摩擦磨损行为和性能变化等动态过程研究。
可以在不同环境条件下工作，包括真空、大气、 低温，甚至试样浸湿在水或电解液中。适用于研 究环境因素对试样表面的影响。
原理：基于石英晶体片的固有振动频率随其质 量的变化而变化的物理现象。
16
17
§6.2 薄膜结构的表征方法
薄膜结构的研究可以依所研究的 尺度范围划分为以下三个层次:
薄膜的宏观形貌,包括薄膜尺寸、形状、厚度、 均匀性等；
薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小 和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织 构等；
第6章薄膜材料的表征方法
石英晶体振荡器可以和微型机相连接，根据晶体振荡频率 的变化，计算机可以方便地计算膜层的厚度，并且根据振 荡频率随时间的变化，即可确定薄膜的淀积速率。通过与 计算机相连接的键盘，可以输入要求的各层薄膜的淀积速 率和厚度。然后计算机实现对蒸发源功率的自动调节，以 控制薄膜的淀积速率。一旦厚度（即频率的变化）达到预 定值，自动切断蒸发源电源并关闭挡板。
m 1 h
2n1
经典模型认为物质的表面并不是一个抽象的几何概念， 而是由刚性球的原子（分子）紧密排列而成，是实际存 在的一个物理概念。下图是实际表面和平均表面的示意 图。平均表面是指表面原子所有的点到这个面的距离代 数和等于零，平均表面是一个几何概念。通常，将基片 一侧的表面分子的几何的平均表面称为基片表面SS;薄膜 上不与基片接触的那一侧的表面分子的集合的平均表面 称为薄膜形状表面ST，将所测量的薄膜原子重新排列， 使其密度和块状材料相同且均匀分布在基片表面上，这 时的平均表面称为薄膜质量等价表面SM；根据测量薄膜 的物理性质等效为一定长度和宽度与所测量的薄膜相同 尺寸的块状材料的薄膜，这时的平均法
1、 光干涉法
如用光照射薄膜，由于空气和薄膜的折射率不同，直 接从膜表面反射回来的光线与经过膜层从基片表面反射 回来的光线就存在着光程差，因此两束光便产生了光的 干涉,而透射进入基片的光波也同样会产生干涉。 利用薄膜的光干涉来测量薄膜的厚度，目前已有一套完 整的方法，如干涉色测量膜厚法和等厚干涉条纹法，也 就是说的多光束干涉法，即MBI法。
在薄膜与衬底均是透明的，而且它们的折射率分别为n1和n2 的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的 光学厚度n1h的变化而发生振荡，如图所示那样，n1不同， n2=1.5（相当于玻璃）。
对于n1>n2的情况，反射极大的位臵出现在：
薄膜材料的表征方法-
械、电子或光学得方法被放大几千倍甚至一百万 倍,因而垂直位移得分辨率可以达到1nm左右。
❖ 要测膜厚,首先要制备出有台阶得薄膜。制 备台阶得方法常用掩膜镀膜法,即将基片得 一部分用掩膜遮盖后镀膜,去掉掩膜后形成 台阶。由于掩膜与基片之间存在着间隙,因 此这种方法形成得台阶不就是十分清晰,相 对误差也比较大,但可以通过多次测量来提 高精确度,探针扫过台阶时就能显示出台阶 两侧得高度差,从而得到厚度值。
❖ 椭偏光谱学就是一种利用线偏振光经样品反射后转变
为椭圆偏振光这一性质以获得样品得光学常数得光谱 测量方法,它区别于一般得反射透射光谱得最主要特 点在于不直接测算光强,而就是从相位空间寻找材料 得光学信息,这一特点使这种测量具有极高得灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构,如消光式、光度式等,消光式 椭偏仪通过旋转起偏器与检偏器,对某一样品,在一定 得起偏与检偏角条件下,系统输出光强可为零。由消 光位置得起偏与检偏器得方位角,就可以求得椭偏参 数。然而,这种方法在具有较大背景噪声得红外波段
❖ 主要缺点就是: ①容易滑伤较软得薄膜并引起测量误差; ②对于表面粗糙得薄膜,其测量误差较大; ③需要事先制备带有台阶得薄膜样品; ④只能用来测量制成得薄膜得厚度,不能用于
制膜过程中得实时监控。
3.2 薄膜结构得表征
❖ 薄膜结构得表征方法(扫描电子显微镜:透射电子显微镜;X射线 衍射方法;低能电子衍射与反射式高能电子衍射)
常用薄膜厚度测量方法
❖ 薄膜厚度得测量广泛用到了各种光学方法。这就是因为, 光学方法不仅可被用于透明薄膜,还可被用于不透明薄膜; 不仅使用方便,而且测量精度高。这类方法多利用光得干 涉现象作为测量得物理基础。
❖ 椭圆偏振仪原理及应用:
❖ 在椭圆偏振技术(Ellipsometry)发展起来之前,早期光学常 数得测量通常就是在一定光谱范围内测量正入射样品得 反射率,然后由K-K关系分析获得材料得复折射率、复介 电函数等光学常数。在Drude与Stutt提出物理得测量原 理之后,经过人们得不懈努力,这一方法得到了不断得完善。
❖ 要测膜厚,首先要制备出有台阶得薄膜。制 备台阶得方法常用掩膜镀膜法,即将基片得 一部分用掩膜遮盖后镀膜,去掉掩膜后形成 台阶。由于掩膜与基片之间存在着间隙,因 此这种方法形成得台阶不就是十分清晰,相 对误差也比较大,但可以通过多次测量来提 高精确度,探针扫过台阶时就能显示出台阶 两侧得高度差,从而得到厚度值。
❖ 椭偏光谱学就是一种利用线偏振光经样品反射后转变
为椭圆偏振光这一性质以获得样品得光学常数得光谱 测量方法,它区别于一般得反射透射光谱得最主要特 点在于不直接测算光强,而就是从相位空间寻找材料 得光学信息,这一特点使这种测量具有极高得灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构,如消光式、光度式等,消光式 椭偏仪通过旋转起偏器与检偏器,对某一样品,在一定 得起偏与检偏角条件下,系统输出光强可为零。由消 光位置得起偏与检偏器得方位角,就可以求得椭偏参 数。然而,这种方法在具有较大背景噪声得红外波段
❖ 主要缺点就是: ①容易滑伤较软得薄膜并引起测量误差; ②对于表面粗糙得薄膜,其测量误差较大; ③需要事先制备带有台阶得薄膜样品; ④只能用来测量制成得薄膜得厚度,不能用于
制膜过程中得实时监控。
3.2 薄膜结构得表征
❖ 薄膜结构得表征方法(扫描电子显微镜:透射电子显微镜;X射线 衍射方法;低能电子衍射与反射式高能电子衍射)
常用薄膜厚度测量方法
❖ 薄膜厚度得测量广泛用到了各种光学方法。这就是因为, 光学方法不仅可被用于透明薄膜,还可被用于不透明薄膜; 不仅使用方便,而且测量精度高。这类方法多利用光得干 涉现象作为测量得物理基础。
❖ 椭圆偏振仪原理及应用:
❖ 在椭圆偏振技术(Ellipsometry)发展起来之前,早期光学常 数得测量通常就是在一定光谱范围内测量正入射样品得 反射率,然后由K-K关系分析获得材料得复折射率、复介 电函数等光学常数。在Drude与Stutt提出物理得测量原 理之后,经过人们得不懈努力,这一方法得到了不断得完善。
薄膜材料的表征
生物医学领域
总结词
薄膜材料在生物医学领域的应用主要包括生物传感器、药物载体、组织工程等。
详细描述
由于薄膜材料的生物相容性和良好的机械性能，它们在生物医学领域中具有广泛的应用 前景。例如，薄膜材料可以作为生物传感器的敏感膜，用于检测生物分子或细胞；也可 以作为药物载体，实现药物的定向传输和释放；还可以作为组织工程的支架材料，用于
光学器件领域
总结词
薄膜材料在光学器件领域的应用主要涉及滤 光片、反射镜、增反膜等。
详细描述
薄膜材料具有高反射性、高透射性、高定向 性等特点，因此在光学器件领域中具有广泛 的应用前景。通过在光学元件表面制备不同 特性的薄膜，可以实现各种光学器件的功能 ，如反射镜可以改变光的方向，滤光片可以
过滤特定波长的光等。
详细描述
透射电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数，能够观察薄膜材料的晶格条纹、晶界、相界等微观结构特征，并提 供更深入的晶体结构和相组成信息。
04 薄膜材料的物理性能表征
电学性能
描述薄膜材料的导电能力、 介电常数等电学性质。
•·
导电性能：通过测量薄膜 的电阻、电导率等参数， 评估其导电能力。
电荷输运机制：研究薄膜 中电荷的输运方式，如电 子、空穴的传输特性。
薄膜材料的表征
目录
CONTENTS
• 引言 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的结构表征 • 薄膜材料的物理性能表征 • 薄膜材料的化学性能表征 • 薄膜材料的实际应用与展望
01 引言
目的和背景
薄膜材料在电子、光学、生物医学等 领域具有广泛应用，对其性能的表征 是实现有效应用的关键。
表征的目的在于了解薄膜材料的结构、 成分、物理和化学性质，为优化制备 工艺、提高性能提供依据。
薄膜材料的表征
薄膜材料的表征新能源12级3班杨铎12191070摘要：薄膜材料和薄膜器件日益广泛应用及其可靠性指标体系的日益健全，要求学术界对其结构和性能的特殊性给出科学解释。
因此，薄膜材料的表征对材料的应用是至关重要的。
薄膜样品结构和性能的表征依赖测试设备及测试方法。
薄膜材料的表征参数通常包括薄膜厚度，这通常用探针法等进行测量；薄膜形貌表征，主要通过扫描隧道显微镜、原子力显微镜等进行测量；薄膜成分的表征，它主要用X射线电子能谱、俄歇电子能谱来测量；薄膜晶体结构的表征，它通常使用X射线衍射仪或电子衍射仪来测量；薄膜的应力表征，这可以通过直接测量变形量方法和简介X射线衍射测量方法等对其来进行测量。
通过对以上内容的概括和总结及对比总结出薄膜材料的测试的研究情况。
关键词：薄膜，测试，表征1. 薄膜简介1.1薄膜材料的发展在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。
自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。
生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。
生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。
细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。
膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。
细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。
细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。
1.2薄膜材料的应用人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。
它的一个很重要的应用就是海水的淡化。
虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。
薄膜材料的表征方法一
AES (Auger electron spectroscopy)俄歇电子能谱 LEED (low energy electron diffraction)低能电子衍射 MEED (medium energy electron diffraction)中能电子衍射 RHEED ( reflection high energy electron diffraction)反射高能电子衍射 RBS (Rutherfold backscattering)卢瑟福背散射 SEM (scanning electron microscopy)扫描电子显微镜 SIMS (secondary ion mass spectroscopy)二次离子质谱 TEM (transmission electron microscopy)透射电镜 UPS (ultra-violet photoelectron spectroscopy)紫外光电子谱 XRD (x-ray diffraction) X射线衍射 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) X射线光电子谱 STM (scanning tunnel microscopy) 扫描隧道显微镜 AFM (atomic force microscopy) 原子力显微镜
薄膜的厚度测量；
薄膜结构和表面形貌的表征；
薄膜成分的分析。 对于不同用途的功能薄膜材料，还需测量其电学、光学、声学、力学、热学、磁学等性质。
Introduction
General idea and category
General idea: beam in and beam out。 通过探测出射粒子流的强度分布以及q\m、E、θ、φ 等参数来分析样品的性质。
General idea and category
薄膜的厚度测量；
薄膜结构和表面形貌的表征；
薄膜成分的分析。 对于不同用途的功能薄膜材料，还需测量其电学、光学、声学、力学、热学、磁学等性质。
Introduction
General idea and category
General idea: beam in and beam out。 通过探测出射粒子流的强度分布以及q\m、E、θ、φ 等参数来分析样品的性质。
General idea and category
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1 m0
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2
dm
负号表示频率随沉积质量增加而下降
设工作面积为S，薄膜密度为ρm
df
1 2
f0 m0
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Kdm
KmSdt
此即频率变化与膜厚变化的关系，由此可知，厚度的变化 与振荡频率成正比。但在较大频移下，不成正比
石英晶体振荡器可以和微型机相连接，根据晶体振荡频率 的变化，计算机可以方便地计算膜层的厚度，并且根据振 荡频率随时间的变化，即可确定薄膜的淀积速率。通过与 计算机相连接的键盘，可以输入要求的各层薄膜的淀积速 率和厚度。然后计算机实现对蒸发源功率的自动调节，以 控制薄膜的淀积速率。一旦厚度（即频率的变化）达到预 定值，自动切断蒸发源电源并关闭挡板。
石英晶体振荡法测量元件
石英晶体振荡器探头在真空室的安装
一、石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体） 的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是： 从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片， 它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面 上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到 管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简 称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封 装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
吸附层、氧化层及其他分子的扩散层 空隙、凝聚等晶格缺陷 气孔 晶粒界面
基片
dM dT
dP
•形状膜厚dT是最接近于直观形式的膜厚。dT 只与表面原子（分子）有关，并且包含着薄膜 内部结构的影响；
•质量膜厚dM反映了薄膜中包含物质的多少， 通常以/cm为单位，它消除了薄膜内部结构的 影响（如缺陷、针孔、变形等）；
经典模型认为物质的表面并不是一个抽象的几何概念， 而是由刚性球的原子（分子）紧密排列而成，是实际存 在的一个物理概念。下图是实际表面和平均表面的示意 图。平均表面是指表面原子所有的点到这个面的距离代 数和等于零，平均表面是一个几何概念。通常，将基片 一侧的表面分子的几何的平均表面称为基片表面SS;薄膜 上不与基片接触的那一侧的表面分子的集合的平均表面 称为薄膜形状表面ST，将所测量的薄膜原子重新排列， 使其密度和块状材料相同且均匀分布在基片表面上，这 时的平均表面称为薄膜质量等价表面SM；根据测量薄膜 的物理性质等效为一定长度和宽度与所测量的薄膜相同 尺寸的块状材料的薄膜，这时的平均表面称为薄膜物性 等价表面SP。
•物性膜厚dP在实际使用上较有用，而且比较 容易测量，它与薄膜内部结构和外部结构无直 接关系，主要取决于薄膜的性质（如电阻率、 透射率等）。
三种定义的膜厚往往满足下列不等式：
dT dM dP
由于实际表面的不平整性，以及薄膜不可避免有 各种缺陷、杂质和吸附分子等存在，所以不论用 那种方法来定义和测量T膜厚，都包含着平均化的 统计概念，而且所得膜厚的平均值是包括了杂质、 缺陷以及吸附分子在内的薄膜的厚度值。
电阻法，电容法，涡流法，电压法
干涉色法，椭圆偏振法，光吸收法
石英晶体振荡法
这是一种利用改变石英晶体电极的微小厚 度，来调整晶体振荡器的固有振荡频率 的方法。利用这一原理，在石英晶片电 极上淀积薄膜，然后测其固有频率的变 化就可求出质量膜厚。由于此法使用简 便，精确度高，已在实际中得到广泛应 用。此法在本质上也是一种动态称重法。
厚度是指两个完全平整的平行平面之间的距离，是一个可 观测到实体的尺寸。因此，这个概念是一个几何概念。理 想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。由于 薄膜仅在厚度方向是微观的，其他的两维方向具有宏观大 小。所以，表示薄膜的形状，一定要用宏观方法，即采用 长、宽、厚的方法。因此，从这个意义上讲，膜厚既是一 个宏观概念，又是微观上的实体线度。由于实际上存在的 表面是不平整和不连续的，而且薄膜内部还可能存在着针 孔、杂质、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，要严格地 定义和精确测量薄膜的厚度实际上是比较困难的。膜厚的 定义应根据测量的方法和目的来决定。因此，同一薄膜， 使用不同的测量方法将得到不同的结果，即不同的厚度。
2、压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生 机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在 晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电 效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生 机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在 一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非 常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振 幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称 为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的 谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
二、石英晶体振荡测量膜厚原理
石英晶体的杨氏模量E0，质量m0，固有频率f0之间的关系为
1/ 2
f0
N
E0 m0
N是与石英晶体的切割方式和尺寸大小有关的一个常数
c
N 2
ρ是晶体密度，c是切变弹性系数
如果晶体表面沉积其他物质，其质量m0会增加，从而石 英晶体的谐振频率发生变化，则有
df
1 2
NE01/ 2
优点：测量简单，能够在制膜过程中连续测量膜厚。
缺点：测量的膜厚始终是在石英晶体振荡片上的薄膜厚度。 并且每当改变晶片位置或蒸发源形状时，都必须重新校正； 若在溅射法中应用此法测膜厚，很容易收到电磁干扰。
第6章 薄膜材料的表征方法
膜厚的测量
薄膜的厚度直接影响着膜的使用特性，而几乎 所有的薄膜性质都与膜厚有关。因此，不仅需 要对所制得的薄膜厚度进行精确测量，还需要 在薄膜形成的过程中对其厚度进行监控，以便 制备符合厚度的薄膜。
一. 膜厚的分类
所谓薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的1～104的原子 层或分子层。在此方向上，薄膜具有微观结构。
表1 膜厚的测试方法
膜厚定义 形测试方法 触针法，测微计法
多次反射干涉法，双光线干涉法
电子显微镜法
质量膜厚 物性膜厚
质量测定法
原子数测定法 电学方法 光学方法
化学天平法，微量天平法，扭力天平 法，石英晶体振荡法 比色法，X射线荧光法，离子探针法， 放射性分析法