薄膜材料制备原理、技术及应用知识点2013by张为政
材料的薄膜制备和应用
材料的薄膜制备和应用材料薄膜制备的意义材料的薄膜制备是一种重要的材料制备方法，其可以将材料压制成薄膜状，从而改变其物理和化学性质，拓展了材料的应用领域。
相较于传统的材料制备方法，薄膜制备具有以下优势：首先，薄膜制备可以在材料的表面形成光滑均匀的薄膜层，提升材料的光学和电学性能；其次，薄膜制备可以增加材料的界面积，提高材料的化学反应速率，对于某些催化和电化学反应具有重要意义；此外，薄膜制备还可以改变材料的结晶状态，进一步调控材料的力学性能和表面形貌。
薄膜制备的方法薄膜制备的方法多种多样，常见的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法、磁控溅射、蒸镀等。
下面将分别介绍这些方法的原理和特点：1. 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）物理气相沉积是一种通过物理蒸发、溅射或其它物理手段将材料沉积在基底表面的方法。
其主要特点是沉积的薄膜具有很高的致密性和良好的附着力，适用于制备金属、合金和无机材料等。
2. 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）化学气相沉积是一种以气体为原料，在高温下通过化学反应使原料气体中的成分沉积在基底表面上的方法。
其主要特点是可以制备高质量、纯度高的薄膜，适用于制备金刚石、二维材料和功能性薄膜等。
3. 溶液法（Solution Method）溶液法是一种将材料以溶液的形式制备成薄膜的方法。
其主要特点是制备过程简单、成本较低，适用于大面积、柔性、光电和光伏等领域的应用。
4. 磁控溅射（Magnetron Sputtering）磁控溅射是一种利用高速离子轰击靶材，使靶材表面原子离解并沉积到基底表面的方法。
其主要特点是可以制备薄膜的成分和结构易调控，适用于制备金属、合金和氧化物等。
5. 蒸镀（Vacuum Evaporation）蒸镀是一种通过将材料加热至蒸发温度，并在真空中使其凝聚在基底表面上的方法。
其主要特点是制备过程简单、可扩展性强，适用于制备金属、氧化物和有机材料等。
薄膜材料的制备及其应用
薄膜材料的制备及其应用一、薄膜材料的基本概念和制备方法薄膜是指宽度很小，但厚度相对较薄的材料。
薄膜材料由于具有在空间限制下的卓越性质，被广泛应用于化学、生物、光电等领域。
常见的薄膜材料有聚合物、金属、陶瓷、玻璃等。
1.基于聚合物的薄膜制备方法聚合物薄膜制备方法包括溶液浇铸、界面聚合、自组装、化学气相沉积等多种技术。
其中，溶液浇铸法是最为普遍的一种方法，即将聚合物分散于溶剂中，通过蒸发-干燥过程制备膜材料。
2.基于金属的薄膜制备方法金属薄膜制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、物理溅射和热蒸发等技术。
其中，物理气相沉积法是最常用的一种方法，依靠金属的高温蒸发和沉积，形成薄膜材料。
3.基于陶瓷的薄膜制备方法陶瓷薄膜材料的制备采用包括溶胶-凝胶法、物理气相沉积、离子束沉积和磁控溅射等多种技术。
其中，溶胶-凝胶法是一种低温制备技术，制备出的膜材料具有良好的化学稳定性和高纯度。
二、薄膜材料的应用1.生物医学领域在生物医学领域，薄膜被广泛应用于药物递送、人工器官、组织工程等方面。
聚合物薄膜材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，广泛用于药物递送系统和组织工程中。
金属薄膜由于其良好的导电性能，可用于人体电刺激和成像等领域。
2.能源领域薄膜在太阳能电池、燃料电池、半导体器件等领域也有着重要的应用。
例如，聚合物薄膜用于太阳能电池、金属薄膜用于燃料电池、氧化物薄膜用于半导体领域。
3.环境领域薄膜在环境领域的应用主要包括水处理、气体净化、油污处理等方面。
例如，纳米复合薄膜用于水处理，可有效过滤掉微小颗粒和化学污染物；纳米多孔结构薄膜用于气体净化，可去除有害氧化物和有机物质；陶瓷薄膜用于油污处理，可高效分离和去除油污。
三、薄膜材料的发展趋势1.可持续、环保的材料未来薄膜材料的制备趋势是转向可持续、环保的材料。
例如，生物可降解聚合物薄膜可以在使用后被自然分解，减少环境影响。
2.多功能化材料未来的薄膜材料也将具备多种功能，例如，与生物组织相容、导电、光学响应等。
薄膜材料的制备及其应用
薄膜材料的制备及其应用薄膜材料是一种非常重要的材料，在形态和用途上都非常广泛。
与传统的块材料不同，薄膜材料可以制备成各种形状和大小，非常适合各种特殊需求的场合。
薄膜材料的制备技术也变得越来越成熟和多样化，能够满足不同领域的需求。
本文将从薄膜材料的制备和应用两个方面阐述其重要性。
一、薄膜材料的制备方法薄膜制备的方法有很多，可以根据需要选择不同的方法。
其中一些主要的方法有：1. 溅射法。
该方法是一种常见的薄膜制备方法，依靠高温下的原子或离子的加速碰撞使得物质凝聚在样品表面上，形成一层薄膜。
2. 化学气相沉积法。
该方法利用气相反应，使物质沉积在样品表面上，也是一种经常使用的薄膜制备方法。
3. 溶液法。
该方法利用一定的溶剂将物质溶解，然后通过各种方式沉积在样品表面上，也是一种略微便宜的方法。
薄膜材料的制备方法可以根据具体情况进行选择。
例如，需要制备高质量的薄膜材料，则溅射法和化学气相沉积法更适用，对薄膜材料的结晶质量有更高的要求。
需要大规模制备时，则可以使用溶液法，因为溶液法的成本相对较低。
二、薄膜材料的应用薄膜材料在很多领域都有广泛的应用，其中一些主要的领域有：1. 太阳能电池。
薄膜太阳能电池相对于其他太阳能电池的优势在于其更低的制造成本和更低的重量。
这就是为什么薄膜太阳能电池在过去几年里变得越来越流行的原因。
2. 光电显示器。
我们的笔记本电脑和手机等电子产品中使用的另一个薄膜材料是透明电极。
这种材料可以被施加电压来产生电子，从而控制光的透过。
3. 薄膜防护层。
薄膜材料不仅可以用来制造电子产品，还可以用来保护它们。
例如，我们可以使用一层防护膜来保护手机或平板电脑的屏幕免受划伤或破碎。
4. 超级电容器。
超级电容器是利用电容器原理储存电能的装置，其制作的核心就是薄膜电极。
使用薄膜电极具有较大的表面积，从而增加了超级电容器储存电能的能力。
总的来说，薄膜材料在现代科技领域的应用非常广泛，其制备方法也越来越成熟。
薄膜材料的制备和表征分析
薄膜材料的制备和表征分析近年来，薄膜材料的制备和表征分析已经成为了一个热门的研究领域。
薄膜材料，指的是厚度在几纳米到几百微米之间的材料，由于其极小的尺寸和高比表面积，具有很多独特的物理、化学和材料特性。
这种材料近年来被广泛应用于复杂的电子器件、生物医学、分析化学等领域。
因此，对薄膜材料的制备方法和表征分析技术进行深入的研究和探究，有助于更好地开发和应用这种材料。
一、薄膜材料制备技术薄膜材料的制备技术有很多种类。
常见的制备方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射镀膜、离子束镀膜、分子束外延以及涂覆法等。
其中，物理气相沉积通常使用的设备是真空蒸发装置。
在它的内部，材料样品被放在坩埚中。
而且通过高压电弧，材料样品被化为离子状态和粒子状态的气体。
这些气体以极高浓度流被导入真空室中，使其射到表面上，从而形成薄膜。
化学气相沉积是一个沉淀对应物质的方法，它是一种将气态物质化为固态物质的方法。
其核心原理是在气相沉积过程中，物质原子或分子通过化学反应，形成薄膜。
溅射镀膜是利用氩离子轰击靶材使材料离开靶材沉积在基板表面上形成薄膜。
离子束镀膜和分子束外延则是利用起始物质，通过强气流、热电子和离子的束束出射，碰撞到物质的靶材，然后使其形成薄膜。
涂覆法比较简单，通常是一种在基板表面上涂覆薄膜溶液或者膜浆，然后通过烘干、烘烤等处理过程形成自臻的薄膜。
此外，近年来又兴起了一种被称为“自组装”的制备方法，如自组装膜、自组装量子点等，这种方法利用材料分子之间的相互作用力，通过自发的方式组装形成薄膜。
二、薄膜材料表征分析技术表征分析技术是研究薄膜材料特性的重要手段，它可以为薄膜材料的使用和进一步研究提供基础性数据和依据。
常见的表征分析技术包括扫描电镜成像、X射线衍射、拉曼光谱、电子能谱等。
扫描电镜是一种利用电子束照射样品表面，通过检测样品电子信息制成图片或场景的技术。
它可以提供材料表面的拓扑形态，包括结构、相貌和纹理等特征。
X射线衍射技术通过探测材料的晶体结构，实现快速精确地分析材料的进化、物性与性能等方面的问题。
薄膜材料制备原理、技术及应用
薄膜材料制备原理、技术及应用薄膜材料是在基材上形成的一层薄膜状的材料，通常厚度在几纳米到几十微米之间。
它具有重量轻、柔韧性好、透明度高等特点，广泛应用于电子、光学、能源、医疗等领域。
薄膜材料制备的原理主要涉及物理蒸发、溅射、化学气相沉积等方法。
其中，物理蒸发是指将所需材料制成块状或颗粒状，利用高温或电子束加热，使材料从固态直接转变为蒸汽态，并在基材上沉积形成薄膜。
溅射是将材料制成靶材，用惰性气体或者稀释气体作为工作气体，在高电压的作用下进行放电，将靶材表面的原子或分子溅射到基材上形成薄膜。
化学气相沉积是指在一定条件下，将气态前体分子引入反应室，通过化学反应沉积到基材上，形成薄膜。
薄膜材料制备技术不仅包括上述原理所述的基本制备方法，还涉及到不同材料、薄膜厚度、表面质量等方面的特定要求。
例如，为了提高薄膜的品质和厚度均匀性，可采用多台蒸发源同时蒸发的方法，或者通过旋涂、喷涂等方法使得所需薄膜材料均匀地覆盖在基材上。
此外，为了实现特定功能，还可以通过控制制备条件、改变材料组成等手段来改变薄膜的特性。
薄膜材料具有多种应用领域。
在电子领域，薄膜材料可以用于制作集成电路的介质层、金属电极与基板之间的隔离层等。
在光学领域，薄膜材料可以用于制作光学滤波器、反射镜、透明导电膜等。
在能源领域，薄膜材料在太阳能电池、锂离子电池等器件中扮演重要角色。
在医疗领域，薄膜材料可以用于制作人工器官、医用伽马射线屏蔽材料等。
此外，薄膜材料还应用于防腐蚀涂料、食品包装、气体分离等领域。
虽然薄膜材料制备技术已经相对成熟，但是其制备过程中仍然存在一些挑战。
例如，薄膜厚度均匀性、结晶性能、粘附性能等方面的要求十分严格，制备过程中需要控制温度、压力、物质流动等多个参数的影响，以确保薄膜的质量。
此外，部分薄膜材料的制备成本相对较高，制约了其在大规模应用中的推广。
总的来说，薄膜材料制备原理、技术及其应用具有重要的实际意义。
通过不断改进制备技术，提高薄膜材料的制备效率和质量，将有助于推动薄膜材料在各个领域的更广泛应用。
《薄膜材料的制备》PPT课件
m为气体分子的质量
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1.2.1 真空蒸发镀膜
• 蒸发速率 1 m J7.75M 2pPa k/g(m 2s) T 从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，还 不断与真空中的残留气体分子相碰撞，使蒸发分子失去 定向运动的动能，而不能沉积于基片。为保证80－90％ 的蒸发元素到达基片，一般要求残留气体的平均自由程 是蒸发源至基片距离的5-10倍。
《薄膜材料的制备》PPT 课件
1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.1 薄膜的形成机理
薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制 膜技术的发展也十分迅速。 制膜方法—分为物理和化学方法两大类； 具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种， 而每种方式又可分成多种方法。
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1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.2 物理气相沉积
如果势垒很低，形核率高，形成很多的小聚集体，这时薄 膜的厚度虽然很薄，但它会成为连续的。
• 高的脱附能Ed和低的扩散激活能ES都有利于气相原 子在衬底表面的停留和运动，因而会提高形核率。
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薄膜材料的制备及其应用
薄膜材料的制备及其应用随着科学技术的发展，薄膜材料在工业、生活中应用越来越广泛。
那么，什么是薄膜材料呢？简单地说，薄膜材料就是厚度很薄的材料，通常在几纳米到几百微米之间。
它具有许多优良的性能，比如光透过性、电绝缘性、机械性强等，因此在电子、光学、医学、环保等领域有着广泛的应用。
薄膜材料的制备方法很多，下面就介绍几种常见的方法。
1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种将材料在高真空下蒸发形成薄膜的方法。
这种方法能让材料形成单晶状态，并且薄膜的结构均匀。
但是，真空蒸发法收率低，难以控制厚度，且材料成本较高。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是将材料置于空气不及其它气体的真空区域中，然后在材料表面上放置一排镀失控的靶材，高能电子或离子轰击靶材，使其蒸发，材料形成薄膜。
这种方法能有效控制薄膜厚度和成分，并且成本低，是大量生产薄膜材料的主要方法。
3. 溶液法溶液法又称溶液旋涂法，是在材料分子间溶解剂中制备薄膜的方法。
该方法速度快，降低了制造成本，但难以制造低缺陷率的薄膜。
薄膜材料拥有的优良性质是由于分子间相互作用力和表面效应的影响。
因此，薄膜材料在许多领域中都有着广泛的应用。
下面就以电子和生命科学为例分别介绍一下薄膜材料在这两个领域中的应用。
1. 电子方面的应用半导体电子学是薄膜材料的主要应用领域之一。
半导体薄膜可以制造出用于制作半导体器件的掩模、曝光和电子束光刻的压电材料和透镜材料。
此外，具有特殊电学性能的有机或无机高分子材料可以制造出各种电路板。
并且，一些薄膜材料可以转换为导电薄膜，例如透明导电薄膜用于制造液晶显示器和触摸屏，复合导电薄膜用于制造柔性电子纸、可擦写电子图书和柔性电子纸屏幕等。
2. 生命科学应用生命科学中的薄膜材料主要用于细胞培养、过滤纯化、药物控释等，例如，被广泛使用的细胞培养板使用薄膜材料制作。
另外，纳米孔薄膜为分离和处置废水、有色中和和固体废物处理提供了可行的环保方法。
其它的，薄膜材料还可以制造出用于医学治疗和组织工程的生物材料，如胶原薄膜、海藻酸薄膜等。
薄膜材料制备原理技术及应用
平均自由程：气体分子在两次碰撞的时间里走过的平均距离。
（λ=）。
π气体分子通量：气体分子对单位面积表面的碰撞频率，也即单位面积上气体分子的通量。
（Φ==克努森方程）流导：真空管路中气体的通过能力。
真空泵的抽速：定义，=p为真空泵入口处的气体压力，Q为单位时间内通过真空泵入口的气体流量。
Pvd：利用某物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。
Cvd：利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。
在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜的方法被称为外延生长。
旋片式机械真空泵、罗茨泵以及涡轮分子泵是机械式气体输运泵的典型例子，而油扩散泵则属于气流式气体输运泵。
捕获式真空泵包括低温吸附泵、溅射离子泵等。
电偶规、电阻规（皮拉尼规）原理：以气体的热导率随气体的压力变化为基础而设计。
缺点：在测量区间内指示值呈非线性，测量结果与气体种类有关，零点漂移严重。
优点：结构简单，使用方便。
真空体系的构成：真空室、测量室、阀门……阴影效应：蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积到衬底上。
害处：破坏薄膜沉积的均匀性、受到蒸发源方向性限制，造成某些位置没有物质沉积。
利用：目的性使用一定形状的掩膜，实现薄膜选择性的沉积。
单质、化合物蒸发存在的问题及解决：成分偏差，易于蒸发的组元优先蒸发将造成该组元的不断贫化，进而蒸发率不断下降。
解决;1,使用较多的物质作为蒸发源，即尽量减少组元成分的相对变化率。
2，向蒸发源不断少量添加被蒸发物质（使物质组元得到瞬间同步蒸发）3，利用加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别控制和调节每个组元的蒸发速率。
蒸发沉积纯度取决于：1蒸发源物质的纯度2加热装置，坩埚等可能造成的污染3真空系统中的残留气体。
电子束蒸发装置：电阻加热装置有来自坩埚，加热元件以及各种支撑部件可能的污染，其热功率及温度也有一定的限制，不适合高纯度或难熔物质的蒸发。
电子束蒸发发可以克服。
缺点：电子束的绝大部分能量被坩埚的水冷系统带走，其热效率较低。
薄膜技术的原理和应用
薄膜技术的原理和应用近年来，薄膜技术在各个领域得到广泛应用，如电子、光电、能源、材料等领域均与薄膜技术有着密切的联系。
那么，究竟薄膜技术的原理是什么，它的应用又有哪些呢？一、薄膜技术的原理薄膜技术简单来说就是通过一定方法将一种材料沉积在另一种材料表面的过程，使得材料表面形成一层薄膜。
薄膜技术可以根据材料沉积的方式分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种。
其中，物理气相沉积是指将一种被覆材料蒸发后沉积在另一种基材表面形成薄膜的过程。
常见的物理气相沉积技术有热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等。
而化学气相沉积是指通过化学反应将一种气态前体沉积在另一种基材表面形成薄膜的过程。
常见的化学气相沉积技术有化学气相沉积（CVD）、物理化学气相沉积（PACVD）等。
二、薄膜技术的应用1. 光电设备在光学领域，薄膜技术可以制造大量光学元件，如反射镜、光学滤波器、半导体激光器等。
这些元件通常是由不同种类和厚度的薄膜层组成的。
例如，在光学滤波器中，通过蒸发不同厚度的金属或氧化物形成多层薄膜，可以达到隔离、反射、透过光的效果。
2. 电子领域在电子领域，薄膜技术可用于制造薄膜晶体管、光致发光器件、量子阱电流调制器、传感器等。
在薄膜晶体管的工作过程中，薄膜需要拥有一定的导电性，因此需要在薄膜表面涂覆金属、氧化物等材料，以提高薄膜的导电性。
3. 其他领域此外，薄膜技术还广泛应用于其它领域，如能源、生物医学、环保等。
在太阳能电池的制作过程中，通过将硅薄膜形成在玻璃基板上，可以提高太阳能的吸收效率。
在生物医学领域，薄膜技术可以制造人工心脏瓣膜、人工骨骼、药物包装等产品。
总之，薄膜技术在众多领域都有着重要的应用，并为不同领域的技术创新提供了基础保障。
随着科技的发展，我们相信薄膜技术将有越来越广阔的应用空间。
薄膜材料制备原理、技术及应用
薄膜材料制备原理、技术及应用1. 引言1.1 概述薄膜材料是一类具有微米级、甚至纳米级厚度的材料，其独特的性质和广泛的应用领域使其成为现代科学和工程中不可或缺的一部分。
薄膜材料制备原理、技术及应用是一个重要且广泛研究的领域，对于探索新材料、开发新技术以及满足社会需求具有重要意义。
本文将着重介绍薄膜材料制备的原理、常见的制备技术以及不同领域中的应用。
首先，将详细讨论涂布法、旋涂法和离子束溅射法等不同的制备原理，分析各自适用的场景和优缺点。
然后，将介绍物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的薄膜制备技术，并比较它们在不同实际应用中的优劣之处。
最后，将探讨光电子器件、传感器和生物医药领域等各个领域中对于薄膜材料的需求和应用，阐述薄膜材料在这些领域中的重要作用。
1.2 文章结构本文将按照以下顺序进行介绍：首先，在第二部分将详细介绍薄膜材料制备的原理，包括涂布法、旋涂法以及离子束溅射法等。
接着，在第三部分将探讨物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的制备技术。
然后，在第四部分将介绍薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的应用，包括各个领域需求和现有应用案例。
最后，在结论部分对整篇文章进行总结，并提出未来研究方向和展望。
1.3 目的本文旨在全面系统地介绍薄膜材料制备原理、技术及应用，为读者了解该领域提供一个基本知识框架。
通过本文的阐述，读者可以充分了解不同的制备原理和方法，并了解到不同领域中对于特定功能或性质的薄膜材料的需求与应用。
同时，本文还将重点突出薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的重要作用，以期为相关研究提供参考和启发。
以上为“1. 引言”部分内容的详细清晰撰写，请根据需要进行修改补充完善。
2. 薄膜材料制备原理：2.1 涂布法制备薄膜：涂布法是一种常见的制备薄膜的方法，它适用于各种材料的制备。
首先，将所需材料以溶解或悬浮态形式制成液体，然后利用刷子、喷雾或浸渍等方式将液体均匀地涂敷在基板上。
薄膜材料及其制备-PPT课件
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。
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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。
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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。
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点2013by张为政
薄膜材料制备原理、技术及应⽤知识点2013by张为政薄膜材料制备原理、技术及应⽤知识点1⼀、名词解释1. ⽓体分⼦的平均⾃由程:⾃由程是指⼀个分⼦与其它分⼦相继两次碰撞之间，经过的直线路程。
对个别分⼦⽽⾔，⾃由程时长时短，但⼤量分⼦的⾃由程具有确定的统计规律。
⽓体分⼦相继两次碰撞间所⾛路程的平均值。
2. 物理⽓相沉积（PVD）：物理⽓相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表⽰在真空条件下，采⽤物理⽅法，将材料源——固体或液体表⾯⽓化成⽓态原⼦、分⼦或部分电离成离⼦，并通过低压⽓体(或等离⼦体)过程，在基体表⾯沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理⽓相沉积的主要⽅法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离⼦体镀、离⼦镀膜，及分⼦束外延等。
发展到⽬前，物理⽓相沉积技术不仅可沉积⾦属膜、合⾦膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
3. 化学⽓相沉积（CVD）：化学⽓相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在⽓态条件下发⽣化学反应，⽣成固态物质沉积在加热的固态基体表⾯，进⽽制得固体材料的⼯艺技术。
它本质上属于原⼦范畴的⽓态传质过程。
4. 等离⼦体鞘层电位：等离⼦区与物体表⾯的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。
5. 溅射产额：即单位⼊射离⼦轰击靶极溅出原⼦的平均数，与⼊射离⼦的能量有关。
6. ⾃偏压效应：在射频电场起作⽤的同时，靶材会⾃动地处于⼀个负电位下，导致⽓体离⼦对其产⽣⾃发的轰击和溅射。
7. 磁控溅射：在⼆极溅射中增加⼀个平⾏于靶表⾯的封闭磁场，借助于靶表⾯上形成的正交电磁场，把⼆次电⼦束缚在靶表⾯特定区域来增强电离效率，增加离⼦密度和能量，从⽽实现⾼速率溅射的过程。
8. 离⼦镀：在真空条件下，利⽤⽓体放电使⽓体或被蒸发物部分离化，产⽣离⼦轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基⽚上。
结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术⽽发展的⼀种PVD⽅法。
薄膜的制备技术原理及应用
薄膜的制备技术原理及应用1. 简介薄膜是指在厚度较薄的材料表面形成一层均匀的覆盖物。
在许多领域，薄膜制备技术被广泛应用，如电子器件、光学器件、能源存储等。
本文将介绍薄膜的制备技术原理及其在不同领域的应用。
2. 薄膜制备技术原理2.1 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition, PVD)物理气相沉积是一种将材料从固态直接转变为薄膜状态的制备方法。
其基本原理是在真空环境中，通过蒸发或溅射，将源材料沉积到基底上。
2.1.1 蒸发法 (Evaporation)蒸发法在物理气相沉积中被广泛应用。
源材料首先被加热至其沸点，然后分子经过蒸发，成为气态粒子，最终在基底表面沉积。
2.1.2 溅射法 (Sputtering)溅射法通过将高能量粒子轰击源材料，使其表面原子迅速离开，然后在基底上形成薄膜。
溅射法制备的薄膜通常具有较好的质量和均匀性。
2.2 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD)化学气相沉积是一种基于化学反应形成薄膜的制备方法。
其基本原理是在高温和高压条件下，将气态前驱体分解产生反应物，在基底上沉积形成薄膜。
2.2.1 热CVD (Thermal CVD)热CVD是一种常见的化学气相沉积方法，其反应物通常是气态前驱体。
通过调节温度和气体流量，控制反应物在基底上的沉积。
2.2.2 低压CVD (Low Pressure CVD)低压CVD是在低压条件下进行的化学气相沉积方法。
通过控制气体压力和底座温度，可以精确控制反应物的沉积速率和组成。
2.3 溶液法 (Solution Process)溶液法是在液相中形成溶液，然后将溶液沉积到基底上形成薄膜的制备方法。
溶液法制备薄膜成本低、工艺简单，因此在某些领域具有广泛的应用。
2.3.1 染料敏化太阳能电池 (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs)染料敏化太阳能电池是一种利用染料分子吸收光能并将其转化为电能的光电转换装置。
材料科学中的薄膜制备技术
材料科学中的薄膜制备技术材料科学是研究物质的组成、结构、性质及其应用的学科。
薄膜制备技术是材料科学中的一个重要分支，它可以制备具有特殊性质的薄膜材料，广泛应用于各个领域。
本文将介绍薄膜制备技术的基本原理、分类以及应用。
一、薄膜制备技术的基本原理薄膜制备技术是指在基底表面上制备出一层较薄的材料，并形成具有特定形态和性质的结构。
薄膜制备技术的基本原理是控制材料的沉积速度和沉积粒子的能量，使它们在表面上形成均匀且密实的结构。
薄膜制备技术主要涉及到材料的选择、沉积方法、基底表面处理等方面。
1. 材料选择在薄膜制备技术中，选择适合的材料是关键步骤。
材料的选择应结合材料的物理和化学性质以及其应用要求。
例如，要制备导电薄膜，则应选择导电性能较好的金属材料；如果需要制备光电薄膜，则应选择吸光性能较好的材料。
2. 沉积方法沉积方法是薄膜制备技术的核心。
目前，主要的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、物理溅射沉积、化学溶液法沉积等。
这些方法各有特点，可以根据需要选择合适的方法进行薄膜制备。
例如，物理气相沉积适用于制备高纯度的金属、合金、氧化物等材料；化学溶液法沉积可用于制备复杂的有机、无机薄膜；物理溅射沉积可用于制备高质量的金属薄膜。
3. 基底表面处理基底表面处理是薄膜制备技术中的重要一环。
基底表面处理的主要目的是使基底表面具有良好的结构和清洁度，以便于材料能够在表面上均匀地沉积，并形成具有一定性质的薄膜。
常用的基底表面处理方法包括化学清洗、机械抛光、离子轰击等。
二、薄膜制备技术的分类薄膜制备技术根据材料的制备方式以及沉积方法的不同，可分为多种不同的分类方法。
以下为常见的薄膜制备技术分类：1. 按制备方式分类根据材料的制备方式，薄膜制备技术可分为物理制备和化学制备两大类。
物理制备包括物理气相沉积、物理溅射法、分子束外延法等；化学制备包括化学气相沉积、化学溶液法沉积等。
2. 按基底材料分类根据基底材料的性质，薄膜制备技术可分为无机基底薄膜和有机基底薄膜两大类。
薄膜材料的制备和应用
薄膜材料的制备和应用薄膜材料是一种具有特殊结构和性质的材料。
与传统的块材料相比，薄膜材料的厚度通常在纳米至微米级别之间，具有高比表面积和高界面反应能力，因此其在传感器、催化剂、光电器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍薄膜材料的制备方法和应用情况。
一、薄膜材料的制备方法目前广泛采用的制备薄膜材料的方法主要有：物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法、离子束沉积法和化学涂覆法等。
物理气相沉积法：该方法通过将固态材料加热至高温状态，使得材料蒸发并沉积在基底表面上。
典型的物理气相沉积法包括热蒸发法和电子束蒸发法等。
化学气相沉积法：该方法是将一个或多个气态前体物（通常是有机化合物）引入反应室，使其分解并在基底上生长出薄膜材料。
其中比较常见的化学气相沉积法包括化学气相淀积法、化学气相沉积法和原子层沉积法等。
溅射法：该方法是将固态靶材置于真空腔中，采用离子束或电子束轰击靶材表面，使其表面材料溅射并沉积在基底表面上。
其中比较常见的溅射方法包括熔化溅射、磁控溅射和电弧溅射等。
离子束沉积法：该方法是通过将离子束轰击材料表面，使其表面材料解离并在基底表面上沉积。
离子束沉积法具有很高的沉积速率和沉积质量，但需要用大功率的离子束源。
化学涂覆法：该方法是通过溶液或浆料将材料涂在基底表面上，然后通过烘干或烧结等工艺压缩并形成薄膜材料。
化学涂覆法具有简单、低成本的优点，但需要选择合适的涂覆方法和工艺。
二、薄膜材料的应用情况1、传感器领域薄膜材料在传感器领域具有广泛的应用，包括气体传感器、液体传感器、微生物传感器等。
例如，采用钨酸锡薄膜作为气体传感器的传感元件时，可以实现对NO2、C2H5OH等气体的高灵敏度、高选择性的检测。
2、催化剂领域薄膜材料在催化剂领域存在重要的应用价值。
通过合成不同结构的薄膜材料，可以改善催化剂的反应活性、选择性和稳定性等。
例如，银薄膜催化剂在化学还原和压电化学水分解等反应中具有很高的活性。
3、光电器件领域薄膜材料在光电器件领域也有广泛的应用，如太阳能电池、光电传感器、场发射器等。
第十二章 薄膜制备技术 第一节 薄膜材料基础
第十二章薄膜制备技术第一节薄膜材料基础一、定义：由离子、原子或分子沉积过程形成的二维材料可以理解为采用一定方法使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）的基团以物理或化学的方式附着于另一种物质（衬底材料）表面并在其表面形成一层新的薄层物质。
二、特征：1．具有二维延展性，其厚度方向的尺寸远小于其它方向的尺寸。
2．不管能否形成自持（自支撑）的薄膜，必须有衬底材料，即只有在衬底材料表面才能获得薄膜。
3．可以气态、液态、固体三形态存在于衬底表面上，其中固体薄膜又分为晶态与非晶态两种。
晶态膜又可分为单晶与多晶膜。
从化学角度又可分为有机膜与无机膜等。
4．薄膜厚度尺寸很小，小于几十纳米，通常在1um左右，显示明显的尺寸效应，表面出现块体材料不具备的力、声、热、电、光等物理性质。
三、制备方法：主要有气相成膜、液相成膜。
或分类为物理成膜、化学成膜及物理与化学方法复合的制膜技术。
制备中应考虑的主要问题：1. 制备方法的选择与技术的提高。
2. 工艺流程的优化及平面工艺的兼容性。
3. 降低制备成本与提高薄膜器件性能间平衡。
4. 制备过程的安全性及对环境影响等。
第二节物理成膜一、定义：利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应而完成薄膜生长过程的技术。
二、分类：真空蒸发镀膜、溅射镀膜、脉冲激光沉积、离子成膜、分子束外延。
三、真空蒸发镀膜。
一）定义：真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。
形成薄膜经历三个过程：1、通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。
2、气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。
3、通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。
是一个以能量转换为主的过程。
二）常见加热方式有：1、对于单质材料有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热；1）电阻加热作为电阻的蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。
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薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1一、名词解释1. 气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。
对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。
气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。
2. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
3. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
4. 等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。
5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。
6. 自偏压效应：在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。
7. 磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。
8. 离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。
结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。
9. 离化率：被离化的原子数与被蒸发气化的原子数之比称为离化率.一般离化装置的离化率仅为百分之几,离化率较高的空心阴极法也仅为20～40%10. 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术：是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。
等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。
11. 外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。
12. 薄膜附着力:薄膜对衬底的黏着能力的大小，即薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度。
二、填空：1、当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，元素发生净蒸发。
反之，元素发生净沉积。
2、在直流放电系统中，气体放电通常要经过汤生放电阶段、辉光放电阶段和弧光放电阶段三个放电过程，其中溅射法制备薄膜主要采用辉光放电阶段所产生的大量等离子体来形1微观永远大于宏观你永远大于人类今天永远大于永远■■■■■■■■纯属个人行为，仅供参考■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■成溅射。
3、溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一，不同能量的离子与固体表面相互作用的过程不同，不仅可以实现对物质原子的溅射，还可以在固体表面形成沉积现象和离子注入现象。
4、溅射法所采有的放电气体多为Ar气，主要原因是惰性气体做为入射离子时，物质溅射产额高，从经济方面考虑，多使用Ar做为溅射气体。
5、直流溅射要求靶材具有良好的导电性，否则靶电流过小，靶电压过高，而射频溅射方法以交流电源提供高频电场，高频电场可经由其它阻抗形式进入沉积室，不再要求电极一定是导电体，使溅射过程摆脱对靶材导电性的要求。
6、磁控溅射存在的缺点。
1、磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子跳栏式地沿着环状磁场转圈。
相应地，环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。
在磁控溅射时，可以看见溅射气体——氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。
处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状的沟槽。
环状磁场是电子运动的轨道，环状的辉光和沟槽将其形象地表现了出来。
磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材的利用率不高，一般低于40％；2、等离子体不稳定；3、不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所有的磁通都通不过磁性靶子，所以在靶面附近不能加外加强磁场7、要想得到粗大甚至是单晶结构的薄膜，一个必要的条件往往是需要适当的提高沉积的温度，并降低沉积的速率。
反之，低温条件和沉积速率增加将使得薄膜组织的晶粒发生细化。
8、在薄膜沉积的最初阶段，先要有新相核心的形成。
新相的形核过程可以被分为两种类型，即自发形核与非自发形核。
自发形核指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的，而自发形核则指的是除了有相变自由能作推动力外，还有其它因素起着帮助新相核心生成的作用。
自发形核一般只发生在一些精心控制的过程之中，在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下，薄膜的形核过程可近似认为是一个自发形核过程；在大多数相变过程中，形核的过程都是非自发的，新相的核心将首先出现在那些能量比较有利的位置上。
9、薄膜在沉积过程中，原子最容易被表面能较高的表面所吸引，凝聚到非密排面上，因而在非密排晶面上，薄膜的沉积速率最高，而在其它的晶面上，薄膜的沉积速率较低。
10、外延薄膜的生长方式。
产生这两种不同生长模式的主要原因是原子在薄膜表面具有不同的扩散能力。
当原子的扩散能力较高，其平均扩散距离大于台阶的平均间距时，薄膜将采取台阶流动式的生长模式。
否则，薄膜只能采取二维形核式的生长模式。
11、金属有机化学气相沉积的优点和应用。
优点：混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜。
与其他外延生长技术相比，MOCVD 技术有着如下优点：1用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等。
可以用于生长薄层和超薄层材料。
2反应室中气体流速较快。
因此，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行改变，减小记忆效应发生的可能性。
这有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。
3晶体生长是以热解化学反应的方式进行的，是单温区外延生长。
只要控制好反应源气流和温度分布的均匀性，就可以保证外延材料的均匀性。
因此，适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产。
4通常情况下，晶体生长速率与Ⅲ族源的流量成正比，因此，生长速率调节范围较广。
较快的生长速率适用于批量生长。
5使用较灵活，非常适合于生长各种异质结构材料。
原则上只要能够选择合适的原材料就可以进行包含该元素的材料的 MOCVD 生长。
而可供选择作为反应源的金属有机化合物种类较多，性质也有一定的差别。
6由于对真空度的要求较低，反应室的结构较简单。
7生长易于控制，随着检测技术的发展，可以对 MOCVD 的生长过程进行在位监测。
MOCVD 的应用范围MOCVD 主要功能在於沉积高介电常数薄膜,可随著precursor 的更换,而沉积出不同种类的薄膜.对於LED 来说,LED 晶片由不同半导体材料的多层次架构构成,这些材料放在一个装入金属有机化学气相沉积系统的圆形晶片上.这个过程叫做晶体取向附生,对於决定LED 的性能特徵并因此影响白光LED 的装仓至关重要. MOCVD 应用的范围有: 1, 钙钛矿氧化物如PZT,SBT,CeMnO2 等; 2, 铁电薄膜; 3, ZnO 透明导电薄膜,用於蓝光LED 的n-ZnO 和p-ZnO,用於TFT 的ZnO,ZnO 纳米线; 4, 表面声波器件SAW(如LiNbO3 等,; 5, 三五族化合物如GaN,GaAs 基发光二极体(LED),雷射器(LD)和探测器; 6, MEMS 薄膜; 7, 太阳能电池薄膜; 8, 锑化物薄膜; 9, YBCO 高温超导带; 10, 用於探测器的SiC,Si3N4 等宽频隙光电器件MOCVD 对镀膜成分,晶相等品质容易控制,可在形状复杂的基材,衬底,上形成均匀镀膜,结构密致, 附著力良好之优点,因此MOCVD 已经成为工业界主要的镀膜技术.MOCVD 制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态.MOCVD 近来也有触媒制备及改质和其他方面的应用,如制造超细晶体和控制触媒得有效深度等.在可预见的未来裏,MOCVD 制程的应用与前景是十分光明的.12、分子束外延的定义和应用定义：分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。
由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
应用：MBE 作为一种高级真空蒸发形式，因其在材料化学组分和生长速率控制等方面的优越性，非常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长，并在技术半导体场效应晶体管（MESFET ）、高电子迁移率晶体管（HEMT ）、异质结构场效应晶体管(HFET)、异质结双极晶体管（HBT ）等微波、毫米波器件及电路和光电器件制备中发挥了重要作用。
近几年来，随着器件性能要求的不断提高，器件设计正向尺寸微型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。
MBE 作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG ）、多量子阱（QW ）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。
MBE 的未来发展趋势就是进一步发展和完善MEE 和GS-MBE 。
三、 分析简答1、根据流导C 、真空泵抽速Sp 的定义，分析说明实际真空系统中实际抽速S 受Sp 和C 二者较小的值所限制。
真空系统中，气体的通过能力称之为流导C, 表示气体流动的难易程度。
流导的大小随气体的流动状态和管道的形状的不同而不同。
在粘滞状态下，气体分子间的碰撞是主要的，气体的压强的作用较为有效，气体容易通过，故流导大；与此相反在分子流状态下，气体分子间的碰撞可以忽略，气体压强作用较小，所以流导小。
抽速：抽气速率，指在规定的压力下单位时间内所抽出气体的体积（理论抽速）真空泵的抽速Sp 与管路的流导C 有着相同的物理量纲，且二者对维持系统的真空度起着同样重要的作用。
使用一台抽速为Sp 的泵通过流导C 抽除真空容器中的气体，由于各处流量相等，有：所以真空泵出口处实际抽速S 降低为：C S C S p Q S P P +==即真空泵的实际抽速S 永远小于泵的理论抽速Sp ，且永远小于管路流导C 。