第4章薄膜的形成与生长ppt课件
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薄膜的形成过程及生长方式PPT课件
• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
.
3
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
.
4
• 5.12薄膜的生长模式
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上
升呈指数形式增加，因此，组织形态的
转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域。
.
17
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的Βιβλιοθήκη 升，薄膜中的孔洞迅速减少。 .
18
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
.
12
.
13
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向间的夹角。
• 实验证明，纤维状生长与薄膜沉积时原 子入射的方向性有关。
.
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
薄膜的形成过程及生长方式
• 主讲人：张宝贤 • 学号：12191082 • 班级：12级3班
.
1
目录
• 5.1 薄膜生长过程概述 • 5.2 形核阶段 • 5.3 薄膜生长过程与薄膜结构
习题
.
2
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•
薄膜的形成与生长
凝聚相单位体积自由能
体积自由能变化：
GV
4 3
r
3
Gv
f ( )
总的自由能变化：
G
临界核半径：
GS
GV
4
f
( ) (r 2 0
1 3
r
3
Gv
)
ΔG 0 r
r* 2 0
Gv
(Gv 0)
27
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析:
临界形核自由能:
b.每个临界核的捕获范围
c.所有吸附原子向临界核运动的总速度
30
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析-成核速率:
I Z ni* AV
（1）临界核密度：ni* n1 exp(G* / kT )
其中，吸附原子面密度 n1
J
a
J
o
exp
Ed kT
33
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
由于临界核中原子数目较少，可以分析它含有一定原子数目时所有 可能的形状，然后用试差法断定哪种原子团是临界核。
原子聚集理论中，结合能是以原子对结合能为最小单位的不连续变
化。
34
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
1.临界核形成条件： （1）较低基体温度T1，临界核是吸附在基体表面上的单个原子。每
9
一、凝结过程
D 0 exp(ED / kT )
o o
x (D a )1 2
10
一、凝结过程
D a02 / D
11
《光学薄膜的形成》PPT课件
薄膜的形成是由成核开始的。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是指形 成稳定核之后的过程。
薄膜生长模式是指薄 膜形成的宏观形式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程描述:
表面扩散势垒 表面扩散能
吸附能
ED
1 6
~
1 2
Ed
薄膜的形成——凝结过程
平均表面扩散时间 D
吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散
时间，用 D 表示。
D
o
exp
ED kT
式中， o 是表面原子沿表面水平方向振动周期，o o
平均表面扩散距离 x （设ao 为相邻吸附位置间距）
x 4Da
D ao2 / 4 D
x
4D a ao
a D
ao exp Ed
ED
2kT
薄膜的形成——凝结过程
薄膜制备时，要 达到完全凝结的 工艺设计原则：
• 提高淀积速率
• 降低基片温度
• 选用吸附能大 的基片
1. 单体吸附；
2.形成小原子团（胚芽）；
3.形成临界核（开始成核）； 4.临界核捕获原子，开始长大； 5.临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临界核； 6.稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成；
7.新面积吸附单体，发生“二次”成核； 8.小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有产生 新面积，并发生“二次”、“三次”成核；
宏观表面能计算、表面能概念、结构
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是指形 成稳定核之后的过程。
薄膜生长模式是指薄 膜形成的宏观形式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程描述:
表面扩散势垒 表面扩散能
吸附能
ED
1 6
~
1 2
Ed
薄膜的形成——凝结过程
平均表面扩散时间 D
吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散
时间，用 D 表示。
D
o
exp
ED kT
式中， o 是表面原子沿表面水平方向振动周期，o o
平均表面扩散距离 x （设ao 为相邻吸附位置间距）
x 4Da
D ao2 / 4 D
x
4D a ao
a D
ao exp Ed
ED
2kT
薄膜的形成——凝结过程
薄膜制备时，要 达到完全凝结的 工艺设计原则：
• 提高淀积速率
• 降低基片温度
• 选用吸附能大 的基片
1. 单体吸附；
2.形成小原子团（胚芽）；
3.形成临界核（开始成核）； 4.临界核捕获原子，开始长大； 5.临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临界核； 6.稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成；
7.新面积吸附单体，发生“二次”成核； 8.小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有产生 新面积，并发生“二次”、“三次”成核；
宏观表面能计算、表面能概念、结构
薄膜生长过程.pptx
第24页/共34页6.3 薄膜的非自源自成核理论二、薄膜的成核速率
形 核 率 是 在 单 位 面 积 上 ， 单 位 时 间 内 形 成 的 临 界 核 心 的 数 目 。 新 相形成所需要的原子可能来自：
(1) 气相原子的直接沉积；
(2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
在 形 核 最 初 阶 段 ， 已 有 的 核 心 数 极 少 ， 因 而 后 一 可 能 性 应 该 是 原
第9页/共34页
6.1薄膜生长过程概述
• 三种不同薄膜生长模式的示意图：
第10页/共34页
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与 衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加， 应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在 生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了 降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因 此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式 向岛状模式转变。
• 注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长 的自由能较低； 但其后，岛状生长的自由能变低了，岛 状生长反而变得更有利了。
第12页/共34页
在 薄 膜 沉 积 的 情 况 下 ， 核 心 常 出 现 在 衬 底 的 某 个 局 部 位 置 上 ， 如 晶体缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以 降低薄膜与衬底间的界面能，或可以降低使原子发生键合时所需 的激活能。因此，薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面 能够提供的形核位置的特性和数量。
2、在 Si的（111 ）晶面上外延生长 GaAs,由于第一层拥有五 个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到 饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。 这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变 为三维的岛状生长。
形 核 率 是 在 单 位 面 积 上 ， 单 位 时 间 内 形 成 的 临 界 核 心 的 数 目 。 新 相形成所需要的原子可能来自：
(1) 气相原子的直接沉积；
(2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
在 形 核 最 初 阶 段 ， 已 有 的 核 心 数 极 少 ， 因 而 后 一 可 能 性 应 该 是 原
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6.1薄膜生长过程概述
• 三种不同薄膜生长模式的示意图：
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6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与 衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加， 应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在 生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了 降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因 此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式 向岛状模式转变。
• 注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长 的自由能较低； 但其后，岛状生长的自由能变低了，岛 状生长反而变得更有利了。
第12页/共34页
在 薄 膜 沉 积 的 情 况 下 ， 核 心 常 出 现 在 衬 底 的 某 个 局 部 位 置 上 ， 如 晶体缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以 降低薄膜与衬底间的界面能，或可以降低使原子发生键合时所需 的激活能。因此，薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面 能够提供的形核位置的特性和数量。
2、在 Si的（111 ）晶面上外延生长 GaAs,由于第一层拥有五 个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到 饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。 这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变 为三维的岛状生长。
《薄膜生长机理》课件
物理模型
STEP 02
化学模型
基于物理过程建立数学模 型，用于描述薄膜生长的 微观机制。
STEP 03
热力学模型
基于热力学原理，研究薄 膜生长过程中的能量转化 和平衡。
考虑化学反应过程，模拟 不同组分在薄膜中的扩散 和反应。
薄膜生长的机制
气相沉积
气体分子在基底表面吸附、迁移、凝结形成薄膜 。
液相沉积
基片的影响
• 总结词：基片是薄膜生长的载体，其特性和状态对薄膜的生长和质量具有重要影响。
• 详细描述：基片的表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性对薄膜的生长和质量具有重要影响。基片的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜与基片之间的附着力和界面态，从而 影响薄膜的机械性能和电学性能。基片的晶格结构和热膨胀系数会影响薄膜的晶格结构和相组成，从而影响薄膜的物理性能和化学性能。为了获得高质量的薄膜，需要对基片进行严格 的表面处理和清洁，确保其表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性满足工艺要求。同时，在沉积过程中需要对基片进行适当的加热和冷却处理，以获得最佳的薄膜质量和 性能。
压力的影响
总结词
压力也是影响薄膜生长的重要因素之一，它能够改变 气体分子的密度和碰撞频率，从而影响化学反应速率 和物质输运过程。
详细描述
在薄膜生长过程中，压力的变化会影响气体分子的浓度 和分布，从而影响化学反应速率和物质输运过程。在化 学气相沉积等工艺中，反应气体分子的浓度和碰撞频率 对于薄膜的生长和质量具有重要影响。在一定压力范围 内，提高压力可以增加气体分子的碰撞频率和反应速率 ，有利于薄膜的生长。但过高的压力可能导致设备承受 过大负荷或引起其他工艺问题。因此，选择合适的压力 对于控制薄膜的生长同样具有重要意义。
面形成薄膜。
STEP 02
化学模型
基于物理过程建立数学模 型，用于描述薄膜生长的 微观机制。
STEP 03
热力学模型
基于热力学原理，研究薄 膜生长过程中的能量转化 和平衡。
考虑化学反应过程，模拟 不同组分在薄膜中的扩散 和反应。
薄膜生长的机制
气相沉积
气体分子在基底表面吸附、迁移、凝结形成薄膜 。
液相沉积
基片的影响
• 总结词：基片是薄膜生长的载体，其特性和状态对薄膜的生长和质量具有重要影响。
• 详细描述：基片的表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性对薄膜的生长和质量具有重要影响。基片的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜与基片之间的附着力和界面态，从而 影响薄膜的机械性能和电学性能。基片的晶格结构和热膨胀系数会影响薄膜的晶格结构和相组成，从而影响薄膜的物理性能和化学性能。为了获得高质量的薄膜，需要对基片进行严格 的表面处理和清洁，确保其表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性满足工艺要求。同时，在沉积过程中需要对基片进行适当的加热和冷却处理，以获得最佳的薄膜质量和 性能。
压力的影响
总结词
压力也是影响薄膜生长的重要因素之一，它能够改变 气体分子的密度和碰撞频率，从而影响化学反应速率 和物质输运过程。
详细描述
在薄膜生长过程中，压力的变化会影响气体分子的浓度 和分布，从而影响化学反应速率和物质输运过程。在化 学气相沉积等工艺中，反应气体分子的浓度和碰撞频率 对于薄膜的生长和质量具有重要影响。在一定压力范围 内，提高压力可以增加气体分子的碰撞频率和反应速率 ，有利于薄膜的生长。但过高的压力可能导致设备承受 过大负荷或引起其他工艺问题。因此，选择合适的压力 对于控制薄膜的生长同样具有重要意义。
面形成薄膜。
第4章薄膜的形成与生长ppt课件
2021/3/8
精品ppt
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◆入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住
的现象称为吸附。
2.物理吸附和化学吸附 ◆ 吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起
作用称为物理吸附；
◆吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。
物理吸附的特点：
物理吸附时，因范德华力的作用范围较大，故基 片表面原子与吸附原子之间的距离较远。若所吸 附的是双原子分子，这个间距可能大到0.4nm。
2021/3/8
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13
◆ Ed 与Ea 的差值 Qc 称为化 学吸附热，Ea称为激活能。
◆ 化学吸附是一种激活过程。
因为Q c 大于Q p，所以只有动 能较大的气相原子才能和基
体表面产生化学吸附。
◆ 当气相原子具有的动能大 于E d 时，它将不被基体表面 吸附，通过再蒸发或解吸而 转变为气相。因此 Ed 又称为 解吸能。
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1
第4章 薄膜的形成 与生长
§4-1 §4-2 §4-3 §4-4
凝结过程 核形成与生长 薄膜形成过程与生长模式 溅射薄膜的形成过程
2021/3/8
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2
薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许 多因素密切相关。因此，在讨论薄膜结构和性能 之前，先研究薄膜的形成问题。
薄膜的形成过程实质上是气—固转化、晶体生成的过 程，它大致可以分为下面几个主要的步骤： ①原子或分子撞击到固体的表面； ②它们被固体表面的原子所吸附或直接反射回空间；
就薄膜的整个形成过程来看，则是晶核的形
成与长大同时进行，即在基片上有的地方在
进行着成核过程，而在有晶核的地方，晶核
在长大。
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4
§4-1 凝结过程
薄膜的形成过程及生长方式
低压CVD
02
在较低的气体压力下，将反应气体引入反应室，通过加热或等
离子体激发等方式引发化学反应，在基底表面形成薄膜。
等离子体增强CVD
03
利用等离子体激发反应气体，使其发生化学反应，在基底表面
形成薄膜。
03
薄膜的生长方式
连续生长
连续生长
薄膜在形成过程中，原子或分子会持续不断地吸附在基底表 面，并逐渐堆积形成连续的薄膜。这种生长方式下，原子或 分子在表面扩散较快，比较容易形成结构致密的薄膜。
利用高能粒子轰击固体材 料表面，使其原子或分子 溅射出来，并在基底表面 凝结形成薄膜。
离子束沉积
通过将离子束注入到固体 材料表面，使其原子或分 子被溅射出来，并在基底 表面凝结形成薄膜。
化学气相沉积
常温常压CVD
01
在常温常压下，将反应气体引入反应室，通过加热或等离子体
激发等方式引发化学反应，在基底表面形成薄膜。
影响因素
连续生长受基底温度、表面扩散系数、吸附能等影响。在较 高温度下，原子或分子的扩散速度加快，更有利于连续生长 。
岛状生长
岛状生长
在薄膜形成过程中，原子或分子 首先在基底表面形成一个个独立 的团簇或小岛，随后这些小岛逐 渐合并扩展形成连续的薄膜。
影响因素
岛状生长受基底温度、表面能、 扩散系数等影响。较低的温度和 较高的表面能更有利于岛状生长 。
广泛应用
薄膜在电子、光学、生物医学等领域的应用越来越广泛，如柔性显示、太阳能电 池、生物传感器等。
薄膜的环境友好性
可降解薄膜
研究和发展可降解的生物塑料薄膜， 减少对环境的污染。
环保生产工艺
优化制备工艺，减少对环境的影响， 实现绿色生产。
薄膜材料物理之薄膜的形成PPT(25张)
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
•
3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
淀 积 速 率 淀 积 的 材 料 量
1、核的饱和密度
初始：每个稳定核（原子对）的捕获面积为：S=m（a
1 n0
）
ma
v p
v1
exp(Epx
/
kT
)
1 v0
exp( EP
/ kT )
是每个吸附原子迁移接触到的吸附点（并成核）
n0 基片单位面积上的吸附点数
/ kT
)
S
n
,
即在初始完全不凝结的情况下，基片温度升高时，成核数增加.
而在初始完全凝结的情况下，基片温度升高时，
成核数减小（但稳定核线度变大）.
证明如下：
n m c n0 , n R c ,
ma P
mc c
v
v1 exp( E Px
/ kT
),
v吸附原子迁移速度
Ii niAV
=n0(vR 0n0)i exp(iEP/kT)exp(Ei /kT)ARa0(vv10)exp[(EP EPX)/kT]
Ra0An0(vR 0n0)i
exp((i1)EPEi EPX kT
)
应用： 改变基片温度，可使临界核从一种原子团过渡到另一种原子团.
因为在转变温度时，两种临界核长成为稳定的速率是相等的. 例如：单原子核双原子核I1I2,求出转变温度T1.
第四章薄膜的形成与生长
█ 化学吸附时，由于化学健力的作用距离较小，所以化学吸附的原子与基片表 面间的距离仅为0.1nm-0.3 nm. █ 由于原子间的范德华力是普遍存在的，所以各种固体和液体材料的表面都发 生物理吸附； █ 因为物理吸附能较小，对于物理吸附来说，一般是在低温下发生吸附，高温 下发生解吸附； █ 范德华力的作用范围大于化学健力的范围，因而一般是先发生物理吸附，而 后才转为 化学吸附。对于一个吸附层来说，若第一个氮原子（或单分子）层或 前几个单原子层是化学吸附，以后的单原子层则转为物理吸附； █ 由于物理吸附不需要活化能，所以吸附过程很快，并且吸附速率随基片温度 及被吸附气体的压力变化很快。
一. 吸附过程 1. 吸附
♠ 固体表面与体内晶体结构的重大差异在于原子或分子的化学键断裂。原子或分子 在表面形成的这种键被称为不饱和键或悬挂键；
♠这种键具有吸附外来原子或分子的能力； ♠ 入射到基体的气相原子被这种悬挂键吸引的现象称为吸附。 2. 物理吸附和化学吸附 ♠ 吸附仅仅是由原子电偶极炬之间的范德华力起作用称为物理吸附； ♠ 是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。 物理吸附的特点： █ 物理吸附时，因范德华力的作用范围较大，故基片表面原子与吸附原子之间的 距离较远。若所吸附的双原子分子，这个间距可能大到0.4 nm.
4.3
(1) 从蒸发源发出的气相原子入射到基体表面 上，其中有一部分因能量较大而弹性反射 回去，另一部分则吸附在基体表面上。在 吸附的气相原子终有一小部分因能量稍大 而再蒸发出去；
(2) 吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，相 互碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在 基体表面上；
(3) 这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或 者释放一个单原子。这个过程反复进行， 一旦原子团中的原子数超过某一个临界值， 原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合， 只向着长大向发展形成稳定的原子团。
薄膜的形成与生长要点58页PPT
谢谢！
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
薄膜的形成与生长要点
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
61、奢侈之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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就薄膜的整个形成过程来看，则是晶核的形
成与长大同时进行，即在基片上有的地方在
进行着成核过程，而在有晶核的地方，晶核
在长大。
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4
§4-1 凝结过程
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或 分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到 凝结相的一个相变过程. 一．吸附过程
1. 吸附
◆ 固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就 是原子或分子间的结合化学键中断。原子或分子在 固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。 ◆ 这种键具有吸引外来原子或分子的能力。
3. 吸附能和解吸能 固体表面的特殊状态使它具有一种过量的能量称
为表面自由能。吸附使表面自由能减小。
基片表面是固体和气体的分界面，界面两边原子 的密度和性质不同，在基片表面有表面位能。这 是处在基片表面上的一个原子与其内部同样一个 原子的能量之差。
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8
基片表面上原子受两个力的作用：一是气体原子 的作用力，另一个是基片原子的作用力。基片原 子密度大于气体，所以后一个力远大于前者。表 面原子有向内移动的倾向，试图降低其位能。
范德华力的作用范围大于化学键力的范围，因而 一般是先发生物理吸附，而后才转为化学吸附。 对于一个吸附层来说，若第一个单原子（或单分 子）层或前几个单原子层是化学吸附，以后的单 原子层则转为物理吸附。
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由于物理吸附不需要活化能，所以吸附过程很快， 并且吸附速率随基片温度及被吸附气体的压力变 化很快。
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14
6 判据－热适应系数α
表征入射气相原子（或分子）与基体表面碰撞
时相互交换能量程度的物理量称为热适应系数，并
用α表示
Ti T Ei E
Ti Ts Ei Es
（7－11）
式中Ti 、T 和 Ts分别表示入射气相原子、再蒸发原子和基 体 的等效温度。Ei ห้องสมุดไป่ตู้E 和 Es分别表示入射气相原子、再蒸 发原子和基体的能量。
表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二 次蒸 发）； （3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表
面上立即反射回去。
2021/3/8
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三种情况讨论： ➢如果入射的蒸气分子动能不是很大，碰撞到基体 表面后，在短暂的时间内即失去法线方向的分速度， 附着在基体表面成为吸附原子。
➢如果当原子通过范氏力吸附在基体表面，但可能 达不到平衡，即还保留有平行于基体表面的动能， 且同时又有来自基体的热激发时，则吸附原子将在 基体表面移动。
2021/3/8
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◆ Ed 与Ea 的差值 Qc 称为化 学吸附热，Ea称为激活能。
◆ 化学吸附是一种激活过程。
因为Q c 大于Q p，所以只有动 能较大的气相原子才能和基
体表面产生化学吸附。
◆ 当气相原子具有的动能大 于E d 时，它将不被基体表面 吸附，通过再蒸发或解吸而 转变为气相。因此 Ed 又称为 解吸能。
2021/3/8
伴随吸附现象而释放的能量称为吸附能。
将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解 吸（脱附）。
除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。
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4.具有一定能量的气相原子，到达基片表面之后可 能发生 三种现象： 吸附、解吸、反射
（1）与基体表面原子进行能量交换被吸附； （2）吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体
华北电力大学研究生课程
薄膜技术与薄膜材料
谭占鳌 可再生能源学院
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第4章 薄膜的形成 与生长
§4-1 §4-2 §4-3 §4-4
凝结过程 核形成与生长 薄膜形成过程与生长模式 溅射薄膜的形成过程
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薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许 多因素密切相关。因此，在讨论薄膜结构和性能 之前，先研究薄膜的形成问题。
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化学吸附时，由于化学键力的作用距离较小，所 以化学吸附的原子与基片表面原子间的距离仅为 0.1nm～0.3nm。
由于原子之间的范德华力是普遍存在的，所以各 种固体和液体材料的表面都发生物理吸附。
因为物理吸附能较小，对于物理吸附来说，一般 是在低温下发生吸附，高温下发生解吸附。
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5. 吸附过程能量曲线
吸附过程用能量关系表示时可由 图7-1说明。
◆ 当入射到基体表面的气相原子
动能较小时，处于物理吸附状态，
其吸附能用 QP 表示。 ◆ 当这种气相原子动能较大但小
于或等于Ea 时则可产生 化学吸 附。只有当气相原子所具有的动
能达到吸附能Ed 数值时，才能达 到完全化学吸附。
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◆入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住
的现象称为吸附。
2.物理吸附和化学吸附 ◆ 吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起
作用称为物理吸附；
◆吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。
物理吸附的特点：
物理吸附时，因范德华力的作用范围较大，故基 片表面原子与吸附原子之间的距离较远。若所吸 附的是双原子分子，这个间距可能大到0.4nm。
当吸附原子在基体表面移动时，从一个势阱跃迁 到另一个势阱的过程中，吸附原子可能与其它吸附 原子互相作用，形成稳定的原子团或转变成吸附。
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但当吸附原子不能形成居留寿命增加的稳定原子团 时，将再次蒸发（二次蒸发）即发生解吸。
➢如果 入射原子到达基体表面后在法线方向上仍然 保留有相当大的动能，在基体表面仅作短暂停留 （约10-2秒），没有能量交换，将立即反射回去。
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薄膜形成过程一般分为三个阶段： 凝结过程 （薄膜形成的第一阶段） 核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程
小原子团的形成是凝结的开始，此时出现凝 结相，之后小原子团长大，成为晶核，许多 晶核继续长大，先是形成不连续的薄膜，然 后在薄膜平均厚度达到一定值时，才成为连 续薄膜。
薄膜的形成过程实质上是气—固转化、晶体生成的过 程，它大致可以分为下面几个主要的步骤： ①原子或分子撞击到固体的表面； ②它们被固体表面的原子所吸附或直接反射回空间；
③被吸附的粒子在固体表面发生迁移或扩散而移动到 表面上的合适的格点位置并进入晶格。
这些过程以及它们之间的相互关系就决定了薄膜的形 成过程和薄膜的性质。