第4章薄膜的形成与生长ppt课件
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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
源自文库
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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 、E 和 Es分别表示入射气相原子、再蒸 发原子和基体的能量。
2021/3/8
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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。
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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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。
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
2021/3/8
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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。
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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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。
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。
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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。
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。
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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。
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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◆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。
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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§4-1 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。
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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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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
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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 、E 和 Es分别表示入射气相原子、再蒸 发原子和基体的能量。
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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。
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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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。
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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。
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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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。
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。
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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。
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。
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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。
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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◆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。
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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§4-1 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。
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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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