薄膜的结构与缺陷教学提纲

合集下载

薄膜的结构特征和缺陷

薄膜的结构特征和缺陷

高分子薄膜
如聚乙烯膜、聚丙烯膜等, 具有良好的柔韧性和加工 性,广泛应用于包装、印 刷等领域。
PART 02
薄膜结构特征分析
表面形貌与粗糙度
表面形貌
薄膜表面通常呈现出不同的形貌特征,如平滑、粗糙、颗粒状等。这些形貌特 征受到制备工艺、材料性质等因素的影响。
粗糙度
粗糙度是描述薄膜表面不平整程度的参数,常用算术平均粗糙度(Ra)或均方 根粗糙度(Rq)来表示。粗糙度对薄膜的光学、电学等性能有重要影响。
WENKU
REPORTING
https://
度、湿度和化学物质等,导致结构和性能的不稳定。
缺陷控制难题
02
薄膜中常常存在各种缺陷,如空位、杂质、位错等,这些缺陷
对薄膜的性能产生严重影响,而控制缺陷的难度较大。
大面积制备技术瓶颈
03
目前薄膜的制备技术难以实现大面积、高质量薄膜的制备,限
制了薄膜材料在实际应用中的推广。
未来发展趋势预测
新型薄膜材料的开发
01
晶界
不同晶粒之间的界面,由于晶粒取向不同而形成面缺陷。晶界可能是由
于晶体生长过程中的形核、长大等因素导致。
02
相界
不同相之间的界面,由于相结构或化学成分不同而形成面缺陷。相界可
能是由于薄膜制备过程中的成分偏析、热处理等因素造成。
03
面缺陷对薄膜性能的影响
可能导致薄膜力学性能降低、耐腐蚀性变差等。
2
精确控制沉积速率、温度、压力等关键工艺参数, 以确保薄膜具有所需的结构和性能。
3
采用先进的工艺控制技术,如实时监测与反馈调 整,确保制备过程的稳定性和可重复性。
优化原材料质量和纯度
选用高纯度、高质量的原材料, 以减少杂质和缺陷的引入。

《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码:ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称:Thin film physics and technology课程性质:选修课程学分数:1.5课程学时数:24授课对象:新能源材料与器件专业本课程的前导课程:《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法,包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成,薄膜的结构与缺陷,薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授,使学生在薄膜物理基础部分,懂得薄膜形成物理过程及其特征,薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术,了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜,应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象,了解薄膜结构及分析方法,理解薄膜材料的一些基本特性,为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍:第一章真空技术基础课程教学内容:真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点:真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求:掌握真空、平均自由程的概念,真空各种单位的换算,平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式,高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念,余弦散射率,真空中气体的来源,机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分,气体的流动状态的划分,气体分子的速度分布,超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容:真空蒸发原理,蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,蒸发源的类型,合金及化合物的蒸发,膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜的结构与缺陷

薄膜的结构与缺陷

总结词
薄膜在电子器件领域的应用广泛,包括集成电路、显示器、 太阳能电池等。
详细描述
薄膜材料具有优异的电学、光学和机械性能,能够提高电子 器件的效率、稳定性和可靠性。例如,在集成电路中,薄膜 可以作为导电层、绝缘层和介质层,实现高速、低功耗的电 路传输。
光学器件领域
总结词
薄膜在光学器件领域的应用主要涉及反射、折射、滤光等功能。
点缺陷
定义
点缺陷是指薄膜中仅有一个或几个原子尺度的缺陷。
形成原因
在薄膜制备过程中,由于原子或分子的迁移率低,导致某些位置上 的原子或分子无法到达预期位置,从而形成点缺陷。
影响
点缺陷的存在会影响薄膜的物理和化学性质,如导电性、光学性能 等。
线缺陷
定义
线缺陷是指沿某一特定方向延伸的缺陷,如位错、晶界等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
薄膜的结构与缺陷
目录
• 薄膜的简介 • 薄膜的结构 • 薄膜的缺陷 • 薄膜的制备方法 • 薄膜的检测与表征 • 薄膜的应用与展望
01
薄膜的简介
薄膜的定义
薄膜是指在固体表面上的一个薄层, 其厚度通常在纳米到微米级别。
薄膜的特性与基底材料、制备工艺、 环境条件等多种因素有关。
薄膜的分类
根据材料分类
影响
面缺陷的存在会影响薄膜的光学性能和表面平整度,如反射率、透光 率等。
04
薄膜的制备方法
物理气相沉积法
01
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料,使其原子或分子从蒸发源中逸出,并在基底表面凝
结成膜的方法。
02
子或分子被溅射出来并在基底表面
沉积成膜的方法。
03
离子镀

薄膜材料的组织结构教学课件

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

第二章 薄膜的形成、生长与缺陷

第二章 薄膜的形成、生长与缺陷
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。 非自发形核,指的是除了有相变自由能 作推动力之外,还有其他的因素起着帮 助新相核心生成的作用。 临界核
2.1.2 形核理论
一、新相的自发形核
定义:ΔGv是单位体积的固相在凝结过程中的相 变自由能之差。 当过饱和度为0时,ΔGv=0 ,没有新相核心可以 形成(或者已经形成的新相核心不再长大);
3 16 vf (2 3 cos cos 3 ) G * 3G 2 4
其中,第一项正是自发形核过程的临界自由能变 化,而后一项是非自发形核相对于自发形核过程 能量势垒降低的因子。θ为接触角。
2.1.2 形核理论
16 (2 3 cos cos 3 ) * G 3G 4
界面状态
薄膜
衬底
a
b
c
晶格失配度对外延薄膜界面状态的影响
a—无晶格失配;b—晶格失配度较小;c—晶格失配度较大
衬底与薄膜的取向关系
外延时薄膜与衬底之间存在一定的取向 关系。例如,在GaAs(110)面上外延 体心立方结构的Fe时,其外延取向关系 为:
(110)Fe||(110)GaAs 点阵失配会引发缺陷,例如:位错。
ΔG*相当于形核过程的能垒,在气相过饱和度 较大时,所克服的能垒也较低。热激活过程提 供的能量起伏将使某些原子团具备了ΔG*大小 的自由能涨落,从而导致新相核心的易于形成。
过饱 和度 较大
过饱 和度 较小
过饱和度越大 临界半径越小
2.1.2 形核理论
二、薄膜的非自发形核
薄膜的非自发形核过程的临界自由能变化可以 写成两部分之积的形式:
3 vf 2
由上式可见,接触角越小,衬底与薄膜 的浸润性就越好,非自发形核的能垒降 低得越多,非自发形核的倾向越大。

薄膜的结构与缺陷

薄膜的结构与缺陷
由于晶粒生长倾向于入射方向,高起的晶粒遮住了 相邻的晶粒使继续入射的原子达不到,使薄膜表面凹凸 不平,内部出现大缺陷。(见示意图)
2014-9-15
16
16
2014-9-15
17
17
薄膜表面结构与构成薄膜整体的内部结构相关, 因此应研究薄膜内部结构。
2、内部结构
由于薄膜表面结构和构成薄膜整体的微型体状密 切相关,大多数蒸发薄膜具有下述特点:
形成无定形薄膜的工艺条件:
降低吸附原子的表面扩散速率(通过降低基体温度Ts、引 入反应气体和搀杂方法实现),使原子扩散速率降低到凝结 在本身射点及入射点附近。
2014-9-15 9 9
二.薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。 ◆ 由于晶体结构具有对称性,可以用三维空间中的三个矢 量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
四、层错缺陷
2014-9-15
在真空蒸发薄膜中存在层错缺陷,由原子错排 产生,
34
34
在完整的面心立方晶体中应以ABC顺序堆垛,每三层一个 反复,周而复始,ABCABC……(若在原子排列中缺少某 一层,如A层),则为ABC BC ABC,于是产生了层错。
2014-9-15
35
◆ 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
2014-9-15 13
2014-9-15
1—在N2气压为133.3Pa下淀积的;2—在高真空下淀积的 14
14
◆ 薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。但由于
入射原子沉积到基体表面上之后,释放出能量就吸附在 基体表面上。然后依靠横向扩散能量在表面上作扩散, 占据表面上的一些空位,使薄膜表面上的谷被填平,峰 被削平,导致薄膜表面面积不断缩小,表面能逐步降低。

第八章-薄膜的结构与缺陷

第八章-薄膜的结构与缺陷
表面积随膜厚成线性 增大,表明薄膜是多 孔结构,能吸附气体 的内表面积很大。
20
原因解释: 阴影效应 在沉积过程中,基片表面优先生长出许
多峰状微小晶粒,由于阴影效果,遮住了相邻的 晶粒使继续入射的原子达不到其表面,使薄膜表 面凹凸不平,内部出现大缺陷。
21
2023/11/13
22 22
若沉积薄膜时真空度较低,由于残余气压过高, 入射的气相原子和残余气体分子相碰撞,先在 气相中凝结成烟尘,然后再到达基体表面沉积 形成薄膜。由于这种薄膜由微粒松散堆积而成, 也是多孔性的。
看作区域1 在Ts/Tm 值为0时在非常光滑基体上形 成的极限形式。是区域1结构中晶粒尺寸小到难 以分辨时呈现的纤维结构。 当入射气相粒子流垂直入射沉积在较光滑、均匀 的基体表面上时,在吸附原子的表面扩散速率足 够大时,可形成接近区域1 的结构。
特点:晶粒间界致密,机械性能好。
28
区域 2 在基体温度较大,或沉积吸附原子在基
扩散到表面上稳定的位置,排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染,以及蒸镀速度。
14
二.薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。 ◆ 在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构与块 状晶体是相同的。(7个晶系14 种布拉非格子)
◆不同之处:
晶粒择优取向薄膜(包括锥形结构、纤维结构和柱 状结构)
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。
88
晶界:多晶薄膜中不同晶粒间的交界面,具有与晶 粒内部不同的特征。 晶界特点: ①由于晶界中晶格畸变较大,晶界上原子的平均能
量高于晶粒内部原子的平均能量,它们的差值称 为晶界能。 ②由于晶界中原子排列不规则,其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处,杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。

薄膜的结构特征和缺陷

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。

薄膜技术第三章:薄膜的形成结构和缺陷全文

薄膜技术第三章:薄膜的形成结构和缺陷全文
薄膜形成过程:
类液相
气相
小于临界核尺
寸的原子团
(表面相)
大于临界核尺
寸的原子团
(固相)
3-2 核形成与生长
☞临界核热力学描述
在液体中形成固相核,总自由能变化为:
G GV Gs Gv V S
表面积
表面自由能 单位体积 固相体积
单位表面
自由能
自由能
上式就是相变热力学
的基本公式。
3-3薄膜形成过程与生长模式
☞薄膜形成过程描述:
➢联并阶段
联并过程的动力学关系:
式中, r 是小岛的半径, r‘ 是颈部的曲率半径, D是吸
附原子的扩散系数, 是表面自由能,m 和 k是常数,V是
原子体积,n 是吸附原子在岛上的面密度。
3-3薄膜形成过程与生长模式
☞薄膜形成过程描述:
➢沟道阶段
孤立的岛有变圆的趋势。当岛结合以后,在岛的生
3-2 核形成与生长
☞临界核、稳定核与薄膜形成
a. 在一定条件下系统达到平衡,小原子团的数目不变。在基
片上不能形成稳定的薄膜(淀积一停止,它们将消失)。
b. 要形成稳定薄膜,必须在薄膜表面形成稳定核,即稳定核
一旦产生,一般来说就不在分解。
稳定核大小不一,所含原子数目各有不同;其中必然
有最小稳定核。
➢吸附原子的捕获面积 SΣ
讨论:

时,每个吸附原子的捕获面积内只有一个原
子,故不能形成原子对,也不能产生凝结。

时,发生部分凝结。平均每个吸附原子的
捕获面积内有一个或两个吸附原子,可形成原子对或
三原子团。在滞留时间内,一部分吸附原子有可能重
新蒸发掉。

薄膜材料与薄膜技术教学大纲

薄膜材料与薄膜技术教学大纲

《薄膜材料与薄膜技术》课程教学大纲一、《材料制备技术》课程说明(一)课程代码:(二)课程英文名称:Thin Film Materials and Thin film Technology(三)开课对象:物理系材料物理专业(四)课程性质:本课程是材料物理专业的一门专业选修课。

(五)教学目的本课程主要介绍薄膜材料的制备及特性。

通过学习既可以掌握一些薄膜物理的基本知识,同时也能了解该领域内当前的一些前沿研究进展,开阔眼界,这些都有利于学生将来更好的投入科研工作中去。

(六)教学内容:本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法,包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成,薄膜的结构与缺陷,薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

(七)学时数、学分数及学时数具体分配学时数:36学分数:2(八)教学方式:课堂教学(九)考核方式和成绩记载说明:考核方式为考试。

严格考核学生出勤情况,达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格,综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定,出勤情况占20%,平时成绩占20%,期末成绩占60%。

二、讲授大纲与各章的基本要求第一章真空技术基础教学要点:通过本章的教学使学生初步了解真空的基本知识,掌握获取一定程度的真空状态的方法及测量手段。

教学时数:4教学内容:第一节:真空的基本知识第二节:稀薄气体的基本性质第三节:真空的获得第四节:真空的测量考核要求:1.真空的基本知识(识记)2.稀薄气体的基本性质(领会)3.真空的获得(领会)4.真空的测量(识记)第二章真空蒸发镀膜法教学要点:了解真空蒸发镀膜的基本原理,了解蒸发特性以及相应的膜厚分布特点,了解膜厚和沉积速率的测量与监控方法。

教学时数:4教学内容:第一节:真空蒸发原理第二节:蒸发源的蒸发特性及膜厚分布第三节:蒸发源的类型第四节:合金及化合物的蒸发第五节:膜厚和沉积速率的测量与监控考核要求:1.真空蒸发基本原理(领会)2.蒸发源的特性及膜厚分布(识记)3.蒸发源的类型(识记)4.膜厚和沉积速率的测量与监控(领会)5.合金及化合物的蒸发(领会)第三章溅射镀膜教学要点:了解溅射法制备纳米薄膜的基本原理,掌握溅射法制备的特点,熟悉溅射镀膜的几种基本类型,了解溅射镀膜的厚度分布特点,明确如何控制厚度均匀性指标。

真空镀膜技术_第13章: 薄膜的结构与缺陷

真空镀膜技术_第13章: 薄膜的结构与缺陷
表面结构包括外表面和内表面。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜晶粒织构(组织结构)模型 薄膜织构与基片温度 TS 和蒸发材料熔点温度 Tm 的
比值 TS / Tm相关。
气孔率减小
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜微观结构表征(柱状体半径、内表面积、聚集密度) 阅教材
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
多晶结构
多晶结构薄膜是指由若干大小不等,晶向不等的晶粒 所构成的结构。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
多晶结构薄膜存在晶界(晶粒间界)
晶界上存在晶格畸变; 界面能:界面移动造成晶粒长大和界面平直化; 空位源:杂质富集; 界面特性影响多晶薄膜与输运相关的性质。
刃型位错 螺型位错, 混合位错
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
形成原因:a.基体引起的位错;b.小岛的凝结
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
晶粒间界
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
层错缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
XRD(X射线衍射)是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位 置分布,晶胞形状和大小等)最有力的方法。 XRD 特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或 其结构有差异,它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以 至衍射峰的形状上就显现出差异。因此,通过样品的X射线衍射图与已知的晶 态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴 定;通过对样品衍射强度数据的分析计算,可以完成样品物相组成的定量分 析。XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向(材料的织构)...等等, 应用面十分普遍、广泛。

薄膜的结构特征和缺陷常用文档

薄膜的结构特征和缺陷常用文档
b、基体与薄膜材料的结晶相溶性。
子或跃迁到晶体表面的 正常位置,形成 Schottky 1、点缺陷
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。
缺陷,
晶粗体糙的 度主对要光或特学征性会是能其影跳中响原较进了大有。晶规则格的排原列。子之间的间隙里形成 Frenkcl 缺陷。这两
薄膜的结构特征和 缺陷
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。
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。
薄膜中的位错大部分从薄膜表面伸向基体表面,并 在位错周围产生畸变。引起薄膜位错的原因很多。在薄 膜生长过程中,最初阶段基片上的晶核和孤立的小扇形 状和结晶取向是随机的。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。
(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

薄膜的结构与缺陷课件

薄膜的结构与缺陷课件
生长速度
薄膜的生长速度也会影响缺陷的形成。如果生长速度过快,会导致 原子或分子的堆积不均匀,从而形成缺陷。
应力
在薄膜形成过程中,由于应力的作用,会导致原子或分子的错位,从 而形成缺陷。
生长条件的影响
温度
温度是影响薄膜缺陷形成的重要因素。在高温下,原子或 分子的活动能力增强,容易发生迁移和错位,从而形成缺 陷。
表面能差异
薄膜表面的原子或分子的排列与体内不同,导致表面能差异,这种 差异会导致原子或分子的迁移,从而形成缺陷。
相变
薄膜在形成过程中,可能会发生相变,即晶体结构的变化,这种变 化会导致原子或分子的重新排列ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ从而形成缺陷。
动力学因素
扩散
在薄膜形成过程中,原子或分子的扩散速度会影响缺陷的形成。如 果扩散速度过快,会导致原子或分子的分布不均匀,从而形成缺陷 。
扫描电子显微镜检测
总结词
扫描电子显微镜可以提供高分辨率的表面形貌图像,能够观察到薄膜表面的微观 结构。
详细描述
扫描电子显微镜利用电子束扫描薄膜表面,通过收集二次电子和背散射电子信号 ,生成高分辨率的表面形貌图像。通过观察图像,可以了解薄膜表面的微观结构 、颗粒大小和分布等信息。
原子力显微镜检测
总结词
影响
点缺陷的存在会影响薄膜 的物理和化学性质,如导 电性、光学性能等。
线缺陷
定义
影响
在薄膜中,沿着某一方向出现连续的 不规则排列现象。
线缺陷的存在会对薄膜的力学性能产 生影响,如强度、韧性等。
形成原因
在薄膜制备过程中,由于温度梯度或 化学反应速率的不均匀性,导致沿某 一方向出现连续的不规则排列。
面缺陷
通过掺杂或合金化,改变薄膜的成分和结构,提高其性能。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

其中a、b、c是晶格在三维空间中的基本平移量,称为
晶格常数。
◆ 在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是
相同的。(7个晶系14 种布拉非格子)
不同之处:
1、晶粒取向和晶粒尺寸不同。 2、晶格常数不同。
2020/8/13
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
f 2r•
承受压力的面积 S r2
2020/8/13
16 16
压力强度 P f/S 2r/(r2 ) 2/r(8-1)
❖ 例如在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。当四 方相朝单斜相转变时伴随有4%的体积膨胀。
❖ 在ZrO2中掺入Y2O3后可防止介稳相产生而形成 稳定的立方相。
❖ 形成介稳相的原因可能是沉积工艺条件、基体、 杂质、电场和磁场等引起的。
❖ 但通过退火热处理可使介稳相转变成稳定的正常 结构。
8
晶界:多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶粒间 界,或称晶界。具有与晶粒内部不同的特征。
◆ 在x 射线衍射谱图中,呈现很宽的漫散射峰,在电 子衍射图中显示出很宽的弥散性光环。
5
形成无定形薄膜的工艺条件:
降低吸附原子的表面扩散速率。
方法:
降低基体温度Ts、引入反应气体和掺杂。 实例:
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
202积0/8/原13 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
66
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。
晶粒尺寸一般在10-100nm,亦称为微晶薄膜(如低熔点 金属薄膜)。晶粒特别小(<10nm)的薄膜,称为超微粒 薄膜。
取向。
◆ 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。
2020/8/13
10 10
◆ 若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率, 晶粒的择优取向可发生在薄膜形成的初期阶段。
在起始层中原子排列取决于基体表面、基体温 度、晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点。
◆ 如果吸附原子的表面扩散速率小,初始膜层不 会产生择优取向。
◆当膜层较厚时,则形成强烈的对着蒸发源方向的 取向。晶粒向蒸发源的倾斜程度依赖于基体温度、 气体原子入射角度和沉积速率等。
2020/8/13
11 11
4.单晶结构
原子高度有序排列。单晶结构薄膜多由外 延工艺制作。
外延生长单晶薄膜条件:
a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率,因此 沉积速率和基体温度 Ts 是重要因素。
第八章 薄膜的结构与缺陷
§8-1 薄膜的结构 §8-2 薄膜的缺陷 §8-3 薄膜结构和组织的分析方法
2020/8/13
1 1
薄膜的结构与缺陷在一定程度上决定着 薄膜的性能,因此对薄膜结构与缺陷的研 究一直是大家十分关注的问题。
2020/8/13
2
2
§8-1 薄膜的结构
薄膜结构因研究对象不同可分为三种类型:
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。 真空蒸发与溅射法制成的薄膜多属于这种结构。
分类:
按微晶的排列情况:
无序多晶薄膜(包括多熔点金属薄膜)
晶粒择优取向薄膜(包括锥形结构、纤维结构和柱状结构)
2020/8/13
77
❖ 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。
由虎克定律
V 3 a 1 P V a EV
(8-2)
EV — 薄膜弹性系数
将式(8-1) 代入式 (8-2)
a 2
a 3EV • r
(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。
b、基体与薄膜材料的结晶相容性。
晶格失配数 m=(b-a)/a ,m值越小,一般
地说其外延生长就越容易实现。
C、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。
2020/8/13
12 12
2020/8/13
13 13
外延温度:要得到单晶膜,基底必须保持的最低临 界温度。
需要外延温度的原因: 在这温度以上能保证沉积原子有足够的条件迁徙,
晶界特点: ①由于晶界中晶格畸变较大,晶界上原子的平均能
量高于晶粒内部原子的平均能量,它们的差值称 为晶界能。 ②由于晶界中原子排列不规则,其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处,杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。
多晶薄膜中晶粒间界原子扩散的研究方法包括建立 解析数学模型和实验技术。
9
3.纤维结构
组织结构、晶体结构、表面结构。 一.薄膜的组织结构
指它的结晶形态。
无定形结构 多晶结构(包括纤维结构) 单晶结构
33
◆无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。 两种结构: 不规则的网络结构(玻璃态) 主要出现在氧化物薄膜、元素半导体薄膜和硫化物薄 膜中。 随机密堆积的结构 主要出现在合金薄膜之中。
◆ 不规则的网络结构是两种互相贯通的随机密堆积结 构组成的。这些随机结构的特征是缺乏连续的长程有 序性。
纤维结构薄膜 是晶粒具有择优取向的薄膜。
『属于这种结构的有各种压电微晶薄膜』
◆ 根据取向方向、数量的不同分为:
单重纤维结构 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,
有时称为一维取向薄膜。
双重纤维结构:在两个方向上有择优取向,有时称为
二维取向薄膜。
◆在非晶态基Biblioteka 上,大多数多晶薄膜都倾向于显示出择优
扩散到表面上稳定的位置,排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染,以及蒸镀速度。
14
二.薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。
◆ 由于晶体结构具有对称性,可以用三维空间中的三个矢
量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
相关文档
最新文档