第八讲_薄膜材料的组织结构(1)
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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
薄膜的结构与缺陷
2019/10/15
15 15
原因：
① 晶格常数不匹配
晶格常数失配数 m=(b-a)/a
当m≈2%时，晶格畸变层厚度为n个Å 当m≈4%时，晶格畸变层厚度可达几百Å
当m>12%时，晶格畸变到完全不匹配
② 薄膜中有较大的内应力和表面张力
简单理论计算：
设基体表面一个半球形晶粒，半径为r,单位长度表面自 由能为σ 。表面张力作用对晶粒产生的压力 f 为
(8-3)
说明晶格常数变化比(即应变)
a a
与半径
r
成反比，
r 越小， a 越大。说明薄膜中晶格常数不同于
块状材料a的晶格常数。
③ 热胀系数不同
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17 17
三、薄膜的表面结构
1、表面形态
(1) 不连续膜(岛状、颗粒)，一般厚度较小，50Å以下。 (2) 多孔网状膜
(3) 连续状膜
热力学能量理论分析：理想的薄膜表面应具有最小表面积，
才能使其总能量达到最低值，但实际上是不可能的。
实际情况：
◆ 薄膜的表面具有一定的粗糙度，厚度在各处不均匀。
若薄膜的平均厚度为d，它按无规则变量的泊松几率分布，
由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
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A、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。
B、10-2~10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟等超导薄 膜，由于氧化层阻挡晶粒生长而形成无定形薄膜。
C、83%ZrO2 -17%SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉
201积9/10原/15 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
66
2.多晶结构
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。
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
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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。
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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。
《薄膜材料简介》课件
随着科技的发展，薄膜材料的性能要求越来 越高，高效能化成为薄膜材料的重要发展趋 势。
环保化
随着环保意识的提高，环保型薄膜材料的需求越来 越大，薄膜材料的环保化成为未来的重要发展方向 。
智能化
随着智能化技术的不断发展，智能化薄膜材 料的应用越来越广泛，成为薄膜材料的重要 发展方向。
面临的挑战
技术创新
溅射沉积
利用高能离子轰击靶材，使靶材 原子或分子被溅射出来，并在基 材表面凝结形成薄膜。
离子镀
利用电场将气体离子加速到基材 表面，通过离子轰击将靶材原子 或分子沉积在基材表面形成薄膜 。
化学气相沉积法
01
常温化学气相沉积
在常温下，将反应气体通过热解 、化学反应等过程在基材表面形 成薄膜。
02
热化学气相沉积
将反应气体加热至较高温度，使 其发生热解或化学反应，在基材 表面形成薄膜。
03
等离子体增强化学 气相沉积
利用等离子体激发反应气体，使 其发生化学反应并在基材表面形 成薄膜。
溶胶-凝胶法
溶液制备
将原料溶解在溶剂中，制备成均一的溶液。
凝胶化
将溶胶进行热处理或引发剂引发，使其形成 凝胶。
溶胶制备
将溶液进行水解、聚合等反应，形成溶胶。
电学特性
薄膜材料具有导电、绝缘、半导电等特性，使其在电子器件、传感器 和能源存储等领域有广泛应用。
用途
光学仪器制造
太阳能电池
利用薄膜材料的高透光性和低反射性，制 造各种光学仪器，如相机镜头、望远镜和 显微镜等。
通过在太阳能电池表面镀制特定光谱选择 吸收的薄膜材料，提高光电转换效率。
显示面板制造
柔性电子产品
能量转换膜
用于燃料电池、太阳能电池和锂电 池等。
环保化
随着环保意识的提高，环保型薄膜材料的需求越来 越大，薄膜材料的环保化成为未来的重要发展方向 。
智能化
随着智能化技术的不断发展，智能化薄膜材 料的应用越来越广泛，成为薄膜材料的重要 发展方向。
面临的挑战
技术创新
溅射沉积
利用高能离子轰击靶材，使靶材 原子或分子被溅射出来，并在基 材表面凝结形成薄膜。
离子镀
利用电场将气体离子加速到基材 表面，通过离子轰击将靶材原子 或分子沉积在基材表面形成薄膜 。
化学气相沉积法
01
常温化学气相沉积
在常温下，将反应气体通过热解 、化学反应等过程在基材表面形 成薄膜。
02
热化学气相沉积
将反应气体加热至较高温度，使 其发生热解或化学反应，在基材 表面形成薄膜。
03
等离子体增强化学 气相沉积
利用等离子体激发反应气体，使 其发生化学反应并在基材表面形 成薄膜。
溶胶-凝胶法
溶液制备
将原料溶解在溶剂中，制备成均一的溶液。
凝胶化
将溶胶进行热处理或引发剂引发，使其形成 凝胶。
溶胶制备
将溶液进行水解、聚合等反应，形成溶胶。
电学特性
薄膜材料具有导电、绝缘、半导电等特性，使其在电子器件、传感器 和能源存储等领域有广泛应用。
用途
光学仪器制造
太阳能电池
利用薄膜材料的高透光性和低反射性，制 造各种光学仪器，如相机镜头、望远镜和 显微镜等。
通过在太阳能电池表面镀制特定光谱选择 吸收的薄膜材料，提高光电转换效率。
显示面板制造
柔性电子产品
能量转换膜
用于燃料电池、太阳能电池和锂电 池等。
薄膜材料概述ppt课件
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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”。
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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
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玻璃
晶圆
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薄膜基底
科研用各种基底
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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
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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。
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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。
第一章 薄膜及其特性【PPT精选文档】
氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属 来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固 附着。
Si、Cr、Ti、W等易氧化（氧化物生成能大） 物质的薄膜都能比较牢固地附着。
若在上述这些物质的薄膜上再沉积金属等， 可以获得附着力非常大的薄膜。
为增加附着力而沉积在中间的过渡层薄膜称 为胶粘层（glue），合理地选择胶粘层在薄 膜的实际应用是极为重要的。
②耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍 膜和非晶与微晶不锈钢膜；用于涡轮发动机叶片 表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。
③润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊 场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固体润滑 膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。
（4）有机分子薄膜
有 机 分 子 薄 膜 也 称 LB （ LangmuirBlodgett）膜，它是有机物，如羧酸及 其盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等 构成的分子薄膜，其厚度可以是一个分 子层的单分子膜，也可以是多分子层叠 加的多层分子膜。多层分子膜可以是同 一材料组成的，也可以是多种材料的调 制分子膜，或称超分子结构薄膜。
1x x
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。
（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。
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。
（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。 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。
薄膜材料及其显微结构1
晶带3型结构
Ts/Tm0.5时将使得原子的体扩散开始发挥重要
作用，因此晶粒开始迅速长大，直至超过薄膜厚 度，组织是经过充分再结晶的粗大等轴晶式的晶 粒外延组织，晶粒内部缺陷密度很低。
在晶带2晶带3的情况下，基片温度已经 很高，气压或入射粒子能量对薄膜组织 的影响较小。 在温度较低时，晶带1和晶带T型生长过 程中原子的扩散能力不足，因而这两类 生长又被称为抑制型生长。晶带2和晶带 3型的生长被称为热激活型生长。
多晶态和单晶态。
薄膜的结构与块状不同，它含有较多的缺陷， 并且处于介稳态的可能性较大。若薄膜是晶体 结构时，它的晶粒较小、晶界较多，且易于择 优取向。 薄膜的结构明显依从于基片和制造工艺。 随着厚度的减小，薄膜逐渐从连续结构转变为 不连续结构。 通常，它的表面积远大于它的几何面积。
由于薄膜的结构显著地区别于块材，所以它的
入射原子冲击基片后，将在其表面作扩散运动，占 据其晶格中的一些空位。由于原子的这种表面迁移， 在某种程度上，薄膜表面上的谷被填充、峰被削平， 结果膜的表面积减小、表面能被降低。 此外，原子的表面迁移还能导致一定晶面的发展， 特别是那些低能晶面（低指数面）。但在表面原子 运动的情况下，生长最快的晶面会消耗生长较慢的 晶面，导致薄膜表面的粗糙度又增大。薄膜表面的 这种结构常在基片温度较高下出现。
临界核和最小稳定核随基片温 度的变化
成核速率对基片温度的依存关 系
T13单原子到 三原子核的 转变温度
岛状结构的长大机制
a-Ostwald吞并 b-熔结 c-岛的迁移
驱动力来源于岛状结构的薄膜力图降低自身表面自由能的趋势
薄膜形成各阶段示意图
薄膜生长过程分类示意图
薄膜的结构特征和缺陷优秀文档
2、薄膜的晶体结构 但是在聚结阶段，当两个小岛相遇时，如果它们的位向有轻微差别，在结合处将形成位错。 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。晶体 晶体的主要特征是其中原了有规则的排列。
与此同时，薄膜中的晶格常数也与材料块状时的值有较大的差别。 外延生长需要满足三个基本的条件。
的主要特征是其中原了有规则的排列。在大多数情况下， 位错是晶态薄膜中最普遍存在的一种线性缺陷，是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格结构中一种“线型”的不完整结构。
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。
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。
(2)多晶结构。 c、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。
3、薄膜的晶界与层错
多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所 但是在聚结阶段，当两个小岛相遇时，如果它们的位向有轻微差别，在结合处将形成位错。
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。粗糙度对光学性能影响较大。
由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密切 相关，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。
但是由于薄膜及其成膜过程的特殊性，因而薄膜中缺陷的形成原因和分布等也表现出一定的持续性，特别是其数量一般都大大超过块
中晶粒的晶格常数也常常和块状晶体不同。 状材料。
位错是晶态薄膜中最普遍存在的一种线性缺陷，是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格结构中一种“线型”的不完整结构。
产生这种现象的原因有两个：一是薄膜材料本身的晶 粗糙度对光学性能影响较大。
第八讲薄膜材料的组织结构
形态 T 型的薄膜组织
虽然薄膜仍保持了细纤维状的组织特征，纤维
内缺陷密度较高，但高能量粒子的溅射效应使
纤维边界明显地较为致密，纤维间的孔洞减少
拱形的表面形貌特征消失
薄膜的强度较形态 1 时显著提高
•A.V. Shah et a•lm. /icSroolacrrEynsetargllyinMeaterials &
Solar Cells 78 (2003) 469–491
•Amorphous
•columns
•200C, PECVD时，Si 薄膜的形态随气相过饱和度
SiH4/H2 增加而变化：形核率增加，晶粒度减小。当 然, 此时动力学因素不应是限制性因素
•层状生长
•原子的能量相对不变
• 原子转移到薄膜表面时，原子的能量相对增加，则它们
倾向于聚集成岛，以降低其能量
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第八讲薄膜材料的组织结构
•薄膜核心的形成
一般，在薄膜沉积初期，要经历非自发形核阶段 非自发形核要有两个条件: • 有合适的形核表面 • 有驱动力 —— 相变自由能 GV
薄膜结构形成过程中，原子的沉积过程可粗分 为三个微观过程
气相原子的沉积 原子在薄膜表面的扩散 原子在薄膜内部的扩散
薄膜的生长模式可分为外延、非外延式生长两 种。其中，非外延式的薄膜生长模式导致四种 典型的薄膜组织形态
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第八讲薄膜材料的组织结构
四种典型的薄膜组织形态的决定因素
•讨论：PVD、CVD两种不同情况下，薄膜核心形
成时体自由能变化表达式的具体情形
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第八讲薄膜材料的组织结构
•复习：非自发形核理论的要点
形成一个新相核心时，系统总的自由能变化为
薄膜材料的组织结构
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
界面附着力的可能机理
上述三种机理或单独,或共同决定着薄膜与衬 底间附着力的大小
而多数薄膜的附着力的机制一般也不能确切 地知道,例如下列的材料体系：
玻璃 - 氧化物薄膜： 光学薄膜 钢铁 – 氮化物薄膜： 防护涂层 硅 – Ta-Si化合物： 电路导线 高分子材料 - Al： 气密性薄膜 金刚石薄膜-硬质合金： 耐磨涂层
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
Esds2 6(1s)rdf
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
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
界面附着力的可能机理
上述三种机理或单独,或共同决定着薄膜与衬 底间附着力的大小
而多数薄膜的附着力的机制一般也不能确切 地知道,例如下列的材料体系：
玻璃 - 氧化物薄膜： 光学薄膜 钢铁 – 氮化物薄膜： 防护涂层 硅 – Ta-Si化合物： 电路导线 高分子材料 - Al： 气密性薄膜 金刚石薄膜-硬质合金： 耐磨涂层
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
Esds2 6(1s)rdf
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
第八讲_薄膜材料的组织结构(1)
原子从体材料转移到薄膜中时
其自由能的变化量随原子层数 N 的变化
每个原子的能量都有所增加
岛状生长
原子的能量转为增加 G.H. Gilmer et al. / Materials Computational 开始时，每个原子的能量有所降低 Science 12 (1998) 层状生长 354±380 原子的能量相对不变
层状-岛状 (Stranski-Krastanov) 生长模式：在最 开始的 1-2 个原子层的层状生长之后，生长模 式从层状模式转为岛状模式 这种模式转变的机制较复杂，但其本质是薄膜 生长过程中各种能量的相互消长,比如
外延时晶格常数并不匹配，应变能逐渐积累；随后 发生应变能的松弛 在表面能较高的晶面发生层状外延后，为降低表面 能，转变为低能面的生长 在 Si 上生长 GaAs 时，Si 所需要的三个键合电子被 As 的五个外层电子所满足，且剩余一对电子，使表 面不再倾向于接受其他原子，即吸附了As 原子的 Si(111) 表面已被钝化
形成一个新相核心时，系统总的自由能变化为
4 3 G r GV 4 r 2 3
临界核心的半径为
2 r* GV
形成临界核心时，系统的自由能变化
16 3 G* 2 3GV
形成的临界核心的面密度，或形核率
G* kT
n* ns e
ns为一个相应的常数
形态 3 型的薄膜组织
形态3型的薄膜组织形成于Ts/Tm>0.5的温度区间
温度的升高使原子的体扩散开始变得很充分
薄膜沉积时，薄膜内已在发生再结晶过程
形态 3 型的薄膜组织
薄膜的组织变为经过充分再结晶的粗大的等轴 晶组织，晶粒较大，直至可超过薄膜的厚度 晶粒内部缺陷密度很低，晶界趋于完整
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薄膜沉积过程的概述
薄膜会形成特有的组织形态，它取决于其生长 过程的两个阶段：新相的形核、薄膜的生长
形核时：气态原子、分子在衬底表面开始凝聚
形成一些细小、可运动的原子团 “岛” 小岛不断接受新的原子，合并而长大 新的表面又会形成新的小岛
这一合并的过程一般要到薄膜的厚度达到数十 纳米以上时才告结束
SiC 衬底上形成的 Au-1at%Ge 核心
使薄膜核心成长的物质来源 于沉积来和扩散来的原子
WYNBLATT: INTERFACI AL SEGREGATI ON Acta mater. 48 (2000) 4439– 4447
薄膜一定是经由非自发形核过程凝结出的新物质，即 形核阶段一定是薄膜形成过程的第一个阶段
然, 此时动力学因素不应是限制性因素
控制薄膜形核率的方法
有两种极端的情况，第一种极端情况
要获得晶粒细小、表面平整、均匀的多晶薄膜 ，即要提高 n*，减小 r*
热力学方面：在薄膜的形核阶段,提高气相的 过饱和度，大幅度降低 G* 而提高 n*, 使 r* 小到只含有少量的原子
动力学方面：降低沉积温度，抑制原子和小 核心的扩散，抑制晶核的长大，冻结细晶粒 组织
有合适的形核表面 有驱动力 —— 相变自由能 GV
GV
kT
ln
pV p
kT
ln JV J
其中pv和p是凝结相的平衡蒸气压和实际压力，Jv和J是凝结 相的蒸发通量和沉积通量，是原子体积,上式还可写成
kT GV ln(1 S)
其中，S 是气相的过饱和度。当气相存在过饱和现象时， GV<0，它就是新相形核的驱动力
层状生长 (Frank-van der Merwe) 模式：薄膜从 开始起即采取二维铺展开的生长模式 这表明，被沉积物质与衬底之间的浸润性很好 ，被沉积物质更倾向于与衬底原子相键合；同 时，后沉积下的原子也倾向于一层一层地接续 生长。这时，已没有意义十分明确的形核阶段 出现
薄膜沉积初期生长的三种模式
但，温度对 n* 的影响还需动力学方面的考虑： 低温时化学反应的速率可能剧烈降低，造成 CVD 薄膜的形核率反而降低
(111)NaCl 上, Cu 薄膜的组织与
温度及沉积速率 间的关系
T/Tm=0.51
多晶薄膜
控制因素：
沉积速率或气 相过饱和度
沉积的温度
单晶薄膜
T/Tm=0.39
例：Si 薄膜沉积组织随 Si 过饱和度的演变
层状-岛状 (Stranski-Krastanov) 生长模式：在最 开始的 1-2 个原子层的层状生长之后，生长模 式从层状模式转为岛状模式 这种模式转变的机制较复杂，但其本质是薄膜 生长过程中各种能量的相互消长,比如
外延时晶格常数并不匹配，应变能逐渐积累；随后 发生应变能的松弛
在表面能较高的晶面发生层状外延后，为降低表面 能，转变为低能面的生长
薄膜沉积速率 R，衬底温度 T 是影响薄膜沉
积过程和薄膜组织的两个最重要的因素
薄膜沉积速率增加、物质沉积通量 J 或气相 压力 p上升时，G*将降低，而n*将迅速增加 ，即薄膜沉积速率增加可提高形核率
温度降低时，新相平衡蒸气压pv 降低，G*降低， 且吸附原子脱附几率降低，这均使n*增加；即降 低温度可提高形核率
在 Si 上生长 GaAs 时，Si 所需要的三个键合电子被 As 的五个外层电子所满足，且剩余一对电子，使表 面不再倾向于接受其他原子，即吸附了As 原子的 Si(111) 表面已被钝化
原子从体材料转移到薄膜中时
其自由能的变化量随原子层数 N 的变化
每个原子的能量都有所增加 岛状生长
原子的能量转为增加
第八讲
薄膜材料的微观组织
Microstructures of thin films
提要
薄膜的形核理论 连续薄膜的形成 薄膜微观结构的形成 非晶薄膜、薄膜织构和外延薄膜 薄膜的应力和附着力
(111) NaCl晶面上Ag的形核和薄膜生长过程
图中的数字指薄膜 的名义厚度
薄膜非自发形核核心的示意图
G.H. Gilmer et al. /
C开o始mp时ut，ati每on个al 原Ma子te的ria能ls 量有所降低
Science 12 (1998) 354±380
层状生长
原子的能量相对不变
原子转移到薄膜表面时，原子的能量相对增加，则它们倾向 于聚集成岛，以降低其能量
薄膜核心的形成
一般，在薄膜沉积初期，要经历非自发形核阶段 非自发形核要有两个条件:
其他措施：还可采用离子轰击等方法，促进 形成大量的新相形核地点，抑制岛状核心呈 三维充分发展
薄膜形核过程的示意图
J > Jv ?
蒸发或凝结
J 是欲凝结物质的沉积通量
讨论：PVD、CVD两种不同情况下，薄膜核心形成 时体自由能变化表达式的具体情形
复习：非自发形核理论的要点
形成一个新相核心时，系统总的自由能变化为
G
4 3
r
3
GV
4r
2
临界核心的半径为
2 r*
GV
形成临界核心时，系统的自由能变化
16 3 G* 3GV2
形成的临界核心的面密度，或形核率
G*
n* ns 形核自由能变化随核心半径的变化
即，在薄膜形 核时，决定形 核驱动力的主
要因素是？
曲线 2 时,气相的过饱和度 S 大于曲线 1 时 形核驱动力越大, 则临界核心的半径越小
温度T -沉积速率R 对薄膜形核率的影响
孤立的小岛相互连接成片，但仍留下一些孤立 的孔洞和沟道
薄膜沉积初期生长的三种模式
Volmer-Weber (VW 模式)
Frank-van der Merwe (FM 模式)
Stranski-Krastanov (SK 模式)
薄膜沉积初期生长的三种模式
岛状生长 (Volmer-Weber) 模式：在薄膜沉积时 ，总是形成三维的新相核心 岛状核心的形成表明，被沉积物质与衬底之间 的浸润性较差；前者倾向于自己相互键合起来
A.V. Shah et aml. i/cSroolcarryEsntearlglyinMeaterials &
Solar Cells 78 (2003) 469–491
Amorphous
columns
200C, PECVD时，Si 薄膜的形态随气相过饱和度 SiH4/H2 增加而变化：形核率增加，晶粒度减小。当