华中科技大学-第二章——纳米薄膜材料的制备精品PPT课件
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纳米膜的制备方法PPT演示文稿
10
• 真空蒸发沉积的过程：
• 1. 蒸发源物质由凝聚相转变为气相； • 2.在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输
运；
• 3. 蒸发粒子到到基片后凝结、成核、
长大、成膜
11
• 采用真空沉积镀膜技术，在玻璃
表面形成纳米级微孔结构的二氧化钛 光催化薄膜，在阳光的作用下，产生 电子空穴对，以其特有的强氧化能力， 将玻璃表面的几乎所有的有机物完全 氧化并降解为相应的无害无机物，在 雨水冲刷下便可自洁，从而对环境不 会产生二次污染，同时使玻璃表面具 有超亲水性，从而使玻璃表面具有自 洁、防雾和不易被再被污染的功能。
纳米薄膜材料的制备
• 1.模板法 • 2.分子束外延法 • 3.真空蒸发法 • 4.化学气相沉积法 • 5.其他方法
1
1.模板法合成纳米薄膜 • 纳米颗粒的形成一般可分为两个阶
段：
• 第一是晶核的生成。 • 第二是晶核的长大。
2
• 要制备粒径均匀，结构相同的
纳米颗粒，相当于让烧杯中天文数 字的原子同时形成大小一样的晶核， 并且同时长大到相同的尺寸。因此 为了得到尺寸可控，无团聚的纳米 颗粒，必须找到有效的“窍门”， 来干预化学反应的过程。
3
4
5
2.分子束外延法
• 分子束外延（MBE）技术主要是一种
可以在原子尺度上精确控制外延厚度、 掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备 技术。
• 所谓“外延”就是在一定的单晶体材
料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面 向外延伸生长一层单晶薄膜。
6
• 分子束外延是在超高真空条件下，
精确控制原材料的分子束强度，把 分子束射入被加热的底片上而进行 外延生长的。由于其蒸发源、监控 系统和分析系统的高性能和真空环 境的改善，能够得到极高质量的薄 膜单晶体。
• 真空蒸发沉积的过程：
• 1. 蒸发源物质由凝聚相转变为气相； • 2.在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输
运；
• 3. 蒸发粒子到到基片后凝结、成核、
长大、成膜
11
• 采用真空沉积镀膜技术，在玻璃
表面形成纳米级微孔结构的二氧化钛 光催化薄膜，在阳光的作用下，产生 电子空穴对，以其特有的强氧化能力， 将玻璃表面的几乎所有的有机物完全 氧化并降解为相应的无害无机物，在 雨水冲刷下便可自洁，从而对环境不 会产生二次污染，同时使玻璃表面具 有超亲水性，从而使玻璃表面具有自 洁、防雾和不易被再被污染的功能。
纳米薄膜材料的制备
• 1.模板法 • 2.分子束外延法 • 3.真空蒸发法 • 4.化学气相沉积法 • 5.其他方法
1
1.模板法合成纳米薄膜 • 纳米颗粒的形成一般可分为两个阶
段：
• 第一是晶核的生成。 • 第二是晶核的长大。
2
• 要制备粒径均匀，结构相同的
纳米颗粒，相当于让烧杯中天文数 字的原子同时形成大小一样的晶核， 并且同时长大到相同的尺寸。因此 为了得到尺寸可控，无团聚的纳米 颗粒，必须找到有效的“窍门”， 来干预化学反应的过程。
3
4
5
2.分子束外延法
• 分子束外延（MBE）技术主要是一种
可以在原子尺度上精确控制外延厚度、 掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备 技术。
• 所谓“外延”就是在一定的单晶体材
料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面 向外延伸生长一层单晶薄膜。
6
• 分子束外延是在超高真空条件下，
精确控制原材料的分子束强度，把 分子束射入被加热的底片上而进行 外延生长的。由于其蒸发源、监控 系统和分析系统的高性能和真空环 境的改善，能够得到极高质量的薄 膜单晶体。
《纳米薄膜材料PV》PPT课件
材料化学系
6)移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，把蒸镀材料加热到一定温度（熔点 以上），开始蒸镀。
7)蒸膜厚度达到要求以后，把挡板拨回原位，依次关闭镀膜材料、基片的加热电源， 等基片冷却到室温左右，关闭真空泵，开启钟罩，取出样片进行测试。
注意事项 1)预熔镀膜材料时要保证挡板挡在样片上。 2)样片取出前要冷却样片到室温左右。
若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相
互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜 质量太差。
(3)气相物质的沉积
气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。 根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、 多晶膜或单晶膜。
若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学 反应形成化合物膜，称为反应镀。
若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改 变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀。
一些金属的蒸发温度
由此表可见大多数金 属的蒸发温度都在 1000度到2000度之间， 而钨、钼的熔点都高 于2000度，因此加热 的金属材料一般都选 钨、钼。
材料化学系
电阻材料的要求∶耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发 物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。 所以一般是难熔金属∶W、Mo和Ta等
反之，若膜材料于加热材料不浸润，膜材料 将融为一个液球，成为点蒸发源，如果加热器的形 状不合适液球将从加热器上脱落下来，使蒸镀失败。
蒸镀时要根据膜材料的性质，注意选择加热器的形状。
-不能沉积合金(因不同元素蒸发速率不同)
材料化学系
• ②电子束加热蒸镀
•利用电子束加热可以使钨(熔点3380℃)等高熔点金属熔化。
材料化学系
a:纳米复合功能薄膜：利用纳米粒子所具有的光、
电、磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具 备的性能，从而获得传统薄膜所没有的功能。
6)移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，把蒸镀材料加热到一定温度（熔点 以上），开始蒸镀。
7)蒸膜厚度达到要求以后，把挡板拨回原位，依次关闭镀膜材料、基片的加热电源， 等基片冷却到室温左右，关闭真空泵，开启钟罩，取出样片进行测试。
注意事项 1)预熔镀膜材料时要保证挡板挡在样片上。 2)样片取出前要冷却样片到室温左右。
若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相
互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜 质量太差。
(3)气相物质的沉积
气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。 根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、 多晶膜或单晶膜。
若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学 反应形成化合物膜，称为反应镀。
若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改 变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀。
一些金属的蒸发温度
由此表可见大多数金 属的蒸发温度都在 1000度到2000度之间， 而钨、钼的熔点都高 于2000度，因此加热 的金属材料一般都选 钨、钼。
材料化学系
电阻材料的要求∶耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发 物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。 所以一般是难熔金属∶W、Mo和Ta等
反之，若膜材料于加热材料不浸润，膜材料 将融为一个液球，成为点蒸发源，如果加热器的形 状不合适液球将从加热器上脱落下来，使蒸镀失败。
蒸镀时要根据膜材料的性质，注意选择加热器的形状。
-不能沉积合金(因不同元素蒸发速率不同)
材料化学系
• ②电子束加热蒸镀
•利用电子束加热可以使钨(熔点3380℃)等高熔点金属熔化。
材料化学系
a:纳米复合功能薄膜：利用纳米粒子所具有的光、
电、磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具 备的性能，从而获得传统薄膜所没有的功能。
第二章薄膜的制备ppt课件
在信息显示技术中的应用
在信息存贮技术中的应用
• 第二是在集成电路等电子工业中的应用， 其中，从外延薄膜的生长这一结晶学角 度看也具有显著的成果。
在计算机技术中的应用
在计算机技术中的应用
• 第三是对材料科学的贡献。薄漠制 备是在非平衡状态下进行，和通常的热 力学平衡条件制备材料相比具有：所得 材料的非平衡特征非常明显;可以制取普 通相图中不存在的物质;在低温下可以制 取热力学平衡状态下必须高温才能生成 的物质等优点。
薄膜的主要特性
• 材料薄膜化后，呈现出的一部分主要特性：
•
几何形状效应
• 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为 纳米至微米，而薄膜是由尺寸为1埃左右的原子
或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研
制出块材工艺不能获得的物质(如超晶格材料)，
在开发新材料方面，薄膜工艺已成为重要的手
段之一。
非热力学平衡过程
无机薄膜制备工艺
• 单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜在现代微 电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤 通讯、超导技术和保护涂层等方面发挥越来越大 的作用。特别是在电子工业领域里占有极其重要 的地位，例如半导体集成电路、电阻器、电容器、 激光器、磁带、磁头都应用薄膜。
• 薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择； 基体材料的选择及表面处理；薄膜制备条件的选 择；结构、性能与工艺参数的关系等。
(2)双蒸发源蒸镀——三温度法
三温度-分子束外延法主要是用 于制备单晶半导体化合物薄膜。从 原理上讲，就是双蒸发源蒸镀法。 但也有区别，在制备薄膜时，必须 同时控制基片和两个蒸发源的温度， 所以也称三温度法。
三温度法 是制备化合物 半导体的一种 基本方法，它 实际上是在V族 元素气氛中蒸 镀Ⅲ族元素， 从这个意义上 讲非常类似于 反应蒸镀。图 示就是典型的 三温度法制备 GaAs单晶薄膜 原理。
光电纳米薄膜的制备课件
4
1.基片架和加热器
5
2. 蒸发料释出的气体
3. 蒸发源 4. 挡板 5. 真空泵 6. 解吸的气体 7.
基片 8. 钟罩
加热方式
螺旋式
电阻加热法
锥形蓝式 舟式
电子轰击加热法
高频感应加热法
辐射加热法
悬浮加热法
2.1.3 Ag-BaO光电薄膜真空沉积制备法
2
34
5
1
11
10
9
1、导轨；2、Ba源；3、样品管 4、正电极；5、Ag源；6、导轨 7、机械泵；8、扩散泵；9、O2源 8 10、沉积薄膜；11、负电极
引言
物理气相沉积（PVD）
真空沉积 离子镀法 离子团束（ICB）
分子束外延（MBE）
化学气相沉积（PVD）
其他
脉冲激光气相沉 积（PLD）
溶胶-凝胶（SolGel）
电沉积
金属有机化学气相沉积 （MOCVD）
微波回旋电子共振化学气 相沉积（MV-ECR-CVD）
直流电弧等离子体喷射法
触媒化学气相沉积（CarCVD）
在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度 的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式 转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄 膜生长过程中各种能量的相互消长。
薄膜材料自身相互作用力的大小和薄膜材料原子与基底原子 的相互作用力的大小。
2.4影响薄膜生长和性能的一些因素
大。
原子团中原子间的键能
临界核所 需要原子
数量
原子团中原子与基底原子间的键能 环境条件，如温度、气相等
2.3.3薄膜的形成
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐 长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合 并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合 并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一 些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
《薄膜材料的制备》课件
制备方法
1
物理气相沉积法
采用真空状态下物质在表面反应沉积成
化学气相沉积法
2
薄膜的方法，包括等离子体增强化学气 相沉积法和分子束外延法等。
在气体氛围中，通过气相反应生成沉积
薄膜，包括金属有机化学气相沉积法和
低压化学气相沉积法等。
3
溶液法
通过化学反应或物理方法，使溶解在溶
液中或游离态的的材料中，厚度在1纳米至1微米之间，具有 很多独特的性质和广泛的应用领域。
薄膜材料的应用领域
光电子学
薄膜材料广泛应用于制造LED、 太阳能电池等光电学器件，同时 也可用于照明和显示领域。
微电子学
薄膜材料的狭窄厚度和多层结构 可以制造出微小的电子元件和IC 芯片，促进了微电子学的发展。
电化学法
4
化学溶胶-凝胶法和溶液旋涂法等。
通过电位差驱动溶液中的溶质向电极表 面沉积成薄膜，包括阳极氧化法和电解
沉积法等。
质量控制
表面形貌
• 表面光洁度 • 晶体缺陷 • 异质界面及其影响
厚度和成分控 制
• 控制成核速率 和生长速率
• 反应气体流量 和温度的控制
• 使用复合膜技术
结晶结构和晶 体质量
涂层和保护层
薄膜材料在航空航天、汽车制造 和建筑领域中可以制作高效的涂 层和保护层，提高了产品的耐磨 性和力学性能。
薄膜材料的制备意义和困难
独特性能
薄膜材料具有高表面积、可控性、多功能性和 结构纳米尺度效应等独特性能，与传统材料相 比具有很大的优势。
制备困难
由于薄膜材料的厚度非常小，制备过程中需要 克服小尺寸效应和表面能变化等问题，因此制 备起来比较困难。
• 控制生长速率 和生长温度
纳米技术资料PPT课件
纳米科技
磁控溅射法
为了克服成
膜速度低的缺点，
人们设计了磁控
溅射镀膜，在溅
射靶与基片之间
引入了正交电磁
场，使气体分子
被电离的速率提
高了10倍，达到
了真空蒸发法的
成膜速率。
返回
纳米科技
分子束外延镀膜法
分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。
它是在超Байду номын сангаас真空条件下， 将薄膜的诸组分元素的 分子束流，直接喷到衬 底（半导体材料的单晶 片）表面上，沿着单晶 片的结晶轴方向生长成 一层结晶结构完整的新 的单晶层薄膜。
纳米科技
LB膜的制备
将一个亲水性（或 亲油性）固体表面垂 直而缓慢地插入浮有 单分子层的水中，将 该固体表面垂直上提 时，浮着的单分子膜 就会附着在表面上， 随沉积过程不同，所 形成的膜的结构分X、 Y、Z三型。
纳米科技
LB膜的制备
如果这个固 体基片反复进 出水面，可形 成多层膜（最 多 可 达 到 500 层），一个分 子的纵向长度 为 2-3nm ， 因 此 单分子层的厚 度亦为2-3nm。
返回
纳米科技
纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息 存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁 电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。
巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改 变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变 化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻； 若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。
❖ SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境 条件下，热稳定温度能达到400℃。
返回
纳米科技
LB膜技术及其应用
LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔—布罗杰 特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳 米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的 重视。
磁控溅射法
为了克服成
膜速度低的缺点，
人们设计了磁控
溅射镀膜，在溅
射靶与基片之间
引入了正交电磁
场，使气体分子
被电离的速率提
高了10倍，达到
了真空蒸发法的
成膜速率。
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纳米科技
分子束外延镀膜法
分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。
它是在超Байду номын сангаас真空条件下， 将薄膜的诸组分元素的 分子束流，直接喷到衬 底（半导体材料的单晶 片）表面上，沿着单晶 片的结晶轴方向生长成 一层结晶结构完整的新 的单晶层薄膜。
纳米科技
LB膜的制备
将一个亲水性（或 亲油性）固体表面垂 直而缓慢地插入浮有 单分子层的水中，将 该固体表面垂直上提 时，浮着的单分子膜 就会附着在表面上， 随沉积过程不同，所 形成的膜的结构分X、 Y、Z三型。
纳米科技
LB膜的制备
如果这个固 体基片反复进 出水面，可形 成多层膜（最 多 可 达 到 500 层），一个分 子的纵向长度 为 2-3nm ， 因 此 单分子层的厚 度亦为2-3nm。
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纳米科技
纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息 存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁 电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。
巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改 变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变 化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻； 若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。
❖ SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境 条件下，热稳定温度能达到400℃。
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纳米科技
LB膜技术及其应用
LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔—布罗杰 特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳 米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的 重视。
纳米薄膜的制备方法 PPT
什麼是乳化聚合?
在乳化剂(表面活性剂)存在下，将单体分散于水中，此时 溶液呈乳液状，再加入水溶的引发剂进行聚合反应。
1. 合成聚苯乙烯核。
HMEM: 2-[p-(2-Hydorxy-2-methylpropiphenone)]ethyleneglycol
2. 於核外面覆蓋一層光起始劑-HMEM。 3. 用UV光照射溶液中的粒子，開始行光乳化聚合。
真空溅射室及氮气等离子体辉光放 电图
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
3 化学气相沉积法 （CVD) 利用含有方法。
特点： CVD技术可以通过精确控制反应温度 和反应时间来控制晶粒的大小，从而获得纳米 复合薄膜材料。
方法： ① 直流溅射：溅射沉积各类金 属 薄膜 ② 射频溅射：溅射沉积非金属材 料（导电性差） ③ 磁控溅射：提高沉积速率 ④ 反应溅射：在溅射过程中实 现物 质之间的化学反应制备所需 要 的物质薄膜。
本实验采用射频磁控溅射法在石 英衬 底上沉积ZnO（靶材）薄膜 。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改 变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利 用电子的能量。
HO Si OH
Cl
OH
X
X
adsorption
XX
H
HO Si O O Si OH
OH H
H
OH H
O
O
substrate
-H2O
polymerization
O Si Si
O
O
s u b s tra te
翟怡、张金利等，化学进展，2004，16（4）：477－484
电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束 缚在靠近靶面的等离子体区域内。
(2021)纳米薄膜材料的制备完美版PPT
8
优缺点：
分子束外延法的优点是：生长温度底，能把诸如扩
散这类不希望出现的热激活过程减少到最低；生长速率慢
，外延层厚度可以精确控制，生长表面或界面可以达到原
子级光滑度，因而可以制备极薄的薄膜；超高真空下生长
，与溅射方法相比更容易进行单晶薄膜生长，并为在确定
条件下进行表面研究和外延生长机理的研究创造了条件；
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。
大，有利于在气敏、湿敏及催化方面的应用，可能会使气 纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。
化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合
技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化
学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气
相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相
沉积等技术。
化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的
一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮
纳米薄膜材料的制备
概述：
纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大 的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日 趋成熟。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自 动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展 有重要作用。
2
按原理可分为：
化学方法
1.化学气相沉积(CVD)； 2.溶胶-凝胶(Sol-Gel)法；
生长的薄膜能保持原来靶材的化学计量比；可以把分析测
试设备，如反射式高能电子衍射仪、四极质谱仪等与生长
系统相结合以实现薄膜生长的原位监测。
优缺点：
分子束外延法的优点是：生长温度底，能把诸如扩
散这类不希望出现的热激活过程减少到最低；生长速率慢
，外延层厚度可以精确控制，生长表面或界面可以达到原
子级光滑度，因而可以制备极薄的薄膜；超高真空下生长
，与溅射方法相比更容易进行单晶薄膜生长，并为在确定
条件下进行表面研究和外延生长机理的研究创造了条件；
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。
大，有利于在气敏、湿敏及催化方面的应用，可能会使气 纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。
化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合
技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化
学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气
相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相
沉积等技术。
化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的
一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。
用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮
纳米薄膜材料的制备
概述：
纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大 的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日 趋成熟。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自 动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展 有重要作用。
2
按原理可分为：
化学方法
1.化学气相沉积(CVD)； 2.溶胶-凝胶(Sol-Gel)法；
生长的薄膜能保持原来靶材的化学计量比；可以把分析测
试设备，如反射式高能电子衍射仪、四极质谱仪等与生长
系统相结合以实现薄膜生长的原位监测。
纳米薄膜的制备方法31页PPT
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
纳米薄膜的制备方法
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。——乔 特
纳米薄膜的制备方法
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。——乔 特
《纳米薄膜》幻灯片PPT
化学气相沉积的优点
可以准确地控制薄膜的组分及掺杂水平； 可在复杂形状的基片上沉积成膜； 系统不需要昂贵的真空设备； 化学气相沉积的高沉积温度会大幅度改善晶体的结晶完整 性； 可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他 方法无法得到的材料； 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进展。
一般化学气相沉积中所遇到的一些典型的化学反响
分子束外延
在超高真空条件下，由装有各种所需 组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔 准直后形成的分子束或原子束，直接喷 射到适当温度的单晶基片上，同时控制 分子束对衬底扫描，就可使分子或原子 按晶体排列一层层地“长〞在基片上形 成薄膜。
分子束外延的特点
优点： 〔1〕由于系统是超高真空，因此杂质气体〔如剩余气体〕
〔1〕热分解制备金属膜 SiH4〔气〕→Si〔固〕+2H2〔气〕
〔2〕复原反响 SiCl4〔气〕+2H2→Si〔固〕+4HCl〔气〕
〔3〕氧化反响制备氧化物 SiH4〔气〕+O2 〔气〕→SiO2〔固〕+2H2〔气〕
〔4〕氮化反响和碳化反响制备氮化物和碳化物 3SiH4〔气〕+4NH3(气〕 →Si3N3〔固〕+12H2〔气〕
不易进入薄膜，薄膜的纯度高。 〔2〕外延生长一般可在低温下进展。 〔3〕可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。 〔4〕对薄膜进展原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的
生长级性质。 缺点： 设备昂贵，维护费用高，生长时间过长，不宜大规模生产
分子束外延装置
二、薄膜制备的化学方法
热生长 化学气相沉积 电镀 化学镀 阳极反响沉积法 LB技术
在阳极反响中，金属在适当的电解液中做阳极， 而金属或石墨作为阴极。当电流通过时，金属阳极 外表被消耗并形成氧化层，换句话说，氧化物生长 在金属阳极外表。
纳米材料的制备方法及其应用ppt课件
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（7）电阻加热法
图 电阻加热制备纳米微粒的实验装置图
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（6）电子束照射法
是利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化 物如Al2O3 等)，表层的金属-氧(如Al-O键)被高 能电子“切断”，蒸发的金属原子通过瞬间 冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如Al) 粉末。 ❖ 目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。
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1、沉淀法
它是将沉淀剂（OH－、CO32－、SO42－等）加入到金 属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、 煅烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。 主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括均相
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热蒸镀法制备的纳米Si粒子 在GaSb基板以自组成法制成的粒子
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华中科技大学-第二章——纳米薄膜材料制备
（4） 溅射制膜（spattering）
溅射现象于19世纪被发现，50多年前被用于制膜。 溅射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面， 使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。 溅射制膜装置有多种，如二极溅射、三极溅射、四极溅 射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。
① 反应溅射（reaction spattering） 若在Ar中混入反应气体， 如O2、N2、CH4、C2H2等，可制备靶材的氧化物、氮化物、碳 化物等化合物薄膜。
2.3.1 物理气相沉积法（physical vapor deposition）
物理气相沉积（PVD） 是常规的制膜手段，广泛应用于纳米薄 膜的制备与研究工作中，分为蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。
制备纳米薄膜的两种主要途径： ① 在非晶态薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成。例如：采用
共溅射方法制备了Si/SiO2纳米薄膜。 ② 在薄膜的形核生长过程中控制纳米结构的形成，其中，薄膜沉
（4） 按用途（purpose）分类 用于气体分离的薄膜 既用于分离，又具有催化反应功能的薄膜 既用于防腐蚀，又具有装饰功能的薄膜 用于电子信息技术的薄膜
薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光学性能、 磁学性能、超导性能等。因此，薄膜材料在工业上有着广泛的 应用，而且在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世 界各国在这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了一个 国家的科技水平。
合金膜的制备（preparation of alloy film）
沉积合金膜要求在整个基片表面和膜层厚度范围内成分必须均匀。 两种基本沉积方式（图2-5）：单电子束蒸发源沉积、多电子束蒸发源
沉积。
图 2-5 单蒸发源和多蒸发源制取合金膜示意图
化合物膜的制备（preparation of compound film）
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2.2.1 纳米薄膜的光学特性（optical characteristics）
（1） 蓝移和宽化（blue shifting and widen） 纳米颗粒膜，特别是IIB族-VIA族半导体CdSxSe1-x以及
IIA族-VA族半导体CaAs的颗粒膜，都能观察到光吸收带边 的蓝移（由于量子尺寸效应，纳米颗粒膜能隙加宽，导致 吸收带向短波方向移动）和宽化（颗粒尺寸有一个分布， 能隙宽度有一个分布，这是引起吸收带和发射带以及透射 带宽化的主要原因）现象。
谱图
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光学非线性效应（optical nonlinearity effect） 指在强光作用下介质的极化强度中会出现与外加电磁场 强度的二次、三次以至高次方成正比例的项，从而使得介 质的电极化强度与光波电场强度不再成一次方正比的现象。 对于光学晶体来说，对称性的破坏，介质的各向异性 都会引起光学非线性。
常规导体，例如金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为 会发生很大变化。有人在Au/Al2O3的颗粒膜上观察到电阻反常现象， 随着Au含量的增加（即增加纳米Au颗粒的数量），电阻不仅不减小， 反而急剧增加，如图2-2所示。从这一实验现象我们认为，尺寸因素 在导体和绝缘体的转变中起着重要的作用。当然存在一个临界尺寸， 当金属颗粒的粒径大于临界尺寸时，将遵守常规电阻与温度的关系； 当金属颗粒的粒径小于临界尺寸时，就可能失掉原有的特性。
对非磁性金属， 0 值很小，而铁磁金属与合金的值
具有较大的数值。
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FeNi合金磁阻效应可达2-3%，且为各向异性。 比FeNi合金磁阻效应大得多的磁阻效应称为巨磁阻效应 （huge magnetical resistance effect） 。具有巨磁阻效应的材 料正是纳米多层薄膜。1998年首先发现（Fe/Cr）n多层薄膜 的巨磁阻效应高达20%。通常认为：颗粒膜的巨磁阻效应与 自旋相关的散射有关，并以界面散射效应为主。
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（2） 按传统分类方法（traditional classify method）分类 无机材料薄膜（又可分为玻璃膜、陶瓷膜、金属膜等） 有机材料薄膜 （3） 按结构（structure）分类 非晶态薄膜 多晶态薄膜 单晶态薄膜
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（4） 按用途（purpose）分类 用于气体分离的薄膜 既用于分离，又具有催化反应功能的薄膜 既用于防腐蚀，又具有装饰功能的薄膜 用于电子信息技术的薄膜
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（2） 光学线性与非线性（optical linearity and non-linearity） 光学线性效应（optical linearity effect）
光学线性效应指介质在光波场（红外线、可见光、紫外线 以及X射线）作用下，当光强较弱时，介质的电极化强度 与光波电场强度的一次方成正比的现象。 例如，光的反射、折射、双折射等都属于线性光学范畴。
例：纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜 按原理，纳米薄膜的制备方法可分为： ➢ 物理方法 ➢ 化学方法 按物质形态，纳米薄膜的制备方法可分为： ➢ 气相法 ➢ 液相法
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图2-2 Au/Al2O3颗粒膜的电阻率随Au含量的变化
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2.2.3 磁阻效应（magnetical resistance effect）
磁（电）阻效应 指材料的电阻值随磁化状态变化的现象称为磁（电）阻 效应。
磁阻效应习惯上用 0表示，其中 H 0 ，
0和 H分别表示磁中性和磁化状态下的电阻率。
激子是半导体中的电子和空穴对，这些电子和空穴非常接近，以致于表 现出类似于一个粒子。
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2.2.2 纳米薄膜的电学特性 （electrical properties of nano film materials）
纳米薄膜的电学性质是当前纳米材料科学研究中的热点，这是由 于纳米薄膜电学性质可以帮助解释导体向绝缘体的转变、绝缘体转变 的尺寸限域效应。
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对于纳米材料，由于小尺寸效应、宏观量子尺寸效应，量子限 域和激子是引起光学非线性的主要原因。
当激发光的能量低于激子共振吸收能量时，不会出现光学非线 性效应；只有当激发光能量大于激子共振吸收能量时，能隙中靠近 导带的激子能级很可能被激子所占据，处于高激发态。这些激子十 分不稳定，在落入低能态的过程中，由于声子与激子的交互作用， 损失一部分能量，这是引起纳米材料光学非线性的一个原因。
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一般说来，当多层膜的每层膜的厚度与激子玻尔半径相 比拟或小于激子玻尔半径时，在光的照射下吸收谱上会出 现激子吸收峰，这种现象也属于光学线性效应。
图2-1是准三维到准二维转变中，InGaAs-InAlAs的线性 吸收谱。
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600→7.5nm表示InAlAs膜的厚度 图2-1 InGaAs-InAlAs多层膜由准三维到准二维（曲线1→4）转变中线性吸收
薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光学性能、 磁学性能、超导性能等。因此，薄膜材料在工业上有着广泛的 应用，而且在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世 界各国在这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了一个 国家的科技水平。
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§2-2 纳米薄膜材料的功能特性
（function characteristics）
第二章 纳米薄膜材料的制备
（preparation of nano film materials）
1
§2-1 纳米薄膜的分类（classify）
薄膜是一种物质形态，其中，无机薄膜的开发与应用 更是日新月异，十分引人注目，已研制出厚度仅有1100nm的超薄膜制品。 （1） 根据组成（compose）分类 单质元素薄膜 化合物薄膜 复合材料薄膜
利用巨磁效应制成的读出磁头，可显著提高磁盘的存储 密度，利用巨磁效应制作的磁阻式传感器灵敏度高。因此， 巨磁阻材料有很好的应用前景。
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§2-3 纳米薄膜材料的制备术
（preparation technology of nano film materials）
纳米薄膜分为两类 ➢ 由纳米粒子组成或堆垛而成的薄膜 ➢ 在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料的薄膜，
（1） 蓝移和宽化（blue shifting and widen） 纳米颗粒膜，特别是IIB族-VIA族半导体CdSxSe1-x以及
IIA族-VA族半导体CaAs的颗粒膜，都能观察到光吸收带边 的蓝移（由于量子尺寸效应，纳米颗粒膜能隙加宽，导致 吸收带向短波方向移动）和宽化（颗粒尺寸有一个分布， 能隙宽度有一个分布，这是引起吸收带和发射带以及透射 带宽化的主要原因）现象。
谱图
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光学非线性效应（optical nonlinearity effect） 指在强光作用下介质的极化强度中会出现与外加电磁场 强度的二次、三次以至高次方成正比例的项，从而使得介 质的电极化强度与光波电场强度不再成一次方正比的现象。 对于光学晶体来说，对称性的破坏，介质的各向异性 都会引起光学非线性。
常规导体，例如金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为 会发生很大变化。有人在Au/Al2O3的颗粒膜上观察到电阻反常现象， 随着Au含量的增加（即增加纳米Au颗粒的数量），电阻不仅不减小， 反而急剧增加，如图2-2所示。从这一实验现象我们认为，尺寸因素 在导体和绝缘体的转变中起着重要的作用。当然存在一个临界尺寸， 当金属颗粒的粒径大于临界尺寸时，将遵守常规电阻与温度的关系； 当金属颗粒的粒径小于临界尺寸时，就可能失掉原有的特性。
对非磁性金属， 0 值很小，而铁磁金属与合金的值
具有较大的数值。
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FeNi合金磁阻效应可达2-3%，且为各向异性。 比FeNi合金磁阻效应大得多的磁阻效应称为巨磁阻效应 （huge magnetical resistance effect） 。具有巨磁阻效应的材 料正是纳米多层薄膜。1998年首先发现（Fe/Cr）n多层薄膜 的巨磁阻效应高达20%。通常认为：颗粒膜的巨磁阻效应与 自旋相关的散射有关，并以界面散射效应为主。
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（2） 按传统分类方法（traditional classify method）分类 无机材料薄膜（又可分为玻璃膜、陶瓷膜、金属膜等） 有机材料薄膜 （3） 按结构（structure）分类 非晶态薄膜 多晶态薄膜 单晶态薄膜
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（4） 按用途（purpose）分类 用于气体分离的薄膜 既用于分离，又具有催化反应功能的薄膜 既用于防腐蚀，又具有装饰功能的薄膜 用于电子信息技术的薄膜
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（2） 光学线性与非线性（optical linearity and non-linearity） 光学线性效应（optical linearity effect）
光学线性效应指介质在光波场（红外线、可见光、紫外线 以及X射线）作用下，当光强较弱时，介质的电极化强度 与光波电场强度的一次方成正比的现象。 例如，光的反射、折射、双折射等都属于线性光学范畴。
例：纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜 按原理，纳米薄膜的制备方法可分为： ➢ 物理方法 ➢ 化学方法 按物质形态，纳米薄膜的制备方法可分为： ➢ 气相法 ➢ 液相法
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图2-2 Au/Al2O3颗粒膜的电阻率随Au含量的变化
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2.2.3 磁阻效应（magnetical resistance effect）
磁（电）阻效应 指材料的电阻值随磁化状态变化的现象称为磁（电）阻 效应。
磁阻效应习惯上用 0表示，其中 H 0 ，
0和 H分别表示磁中性和磁化状态下的电阻率。
激子是半导体中的电子和空穴对，这些电子和空穴非常接近，以致于表 现出类似于一个粒子。
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2.2.2 纳米薄膜的电学特性 （electrical properties of nano film materials）
纳米薄膜的电学性质是当前纳米材料科学研究中的热点，这是由 于纳米薄膜电学性质可以帮助解释导体向绝缘体的转变、绝缘体转变 的尺寸限域效应。
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对于纳米材料，由于小尺寸效应、宏观量子尺寸效应，量子限 域和激子是引起光学非线性的主要原因。
当激发光的能量低于激子共振吸收能量时，不会出现光学非线 性效应；只有当激发光能量大于激子共振吸收能量时，能隙中靠近 导带的激子能级很可能被激子所占据，处于高激发态。这些激子十 分不稳定，在落入低能态的过程中，由于声子与激子的交互作用， 损失一部分能量，这是引起纳米材料光学非线性的一个原因。
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一般说来，当多层膜的每层膜的厚度与激子玻尔半径相 比拟或小于激子玻尔半径时，在光的照射下吸收谱上会出 现激子吸收峰，这种现象也属于光学线性效应。
图2-1是准三维到准二维转变中，InGaAs-InAlAs的线性 吸收谱。
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600→7.5nm表示InAlAs膜的厚度 图2-1 InGaAs-InAlAs多层膜由准三维到准二维（曲线1→4）转变中线性吸收
薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光学性能、 磁学性能、超导性能等。因此，薄膜材料在工业上有着广泛的 应用，而且在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世 界各国在这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了一个 国家的科技水平。
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§2-2 纳米薄膜材料的功能特性
（function characteristics）
第二章 纳米薄膜材料的制备
（preparation of nano film materials）
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§2-1 纳米薄膜的分类（classify）
薄膜是一种物质形态，其中，无机薄膜的开发与应用 更是日新月异，十分引人注目，已研制出厚度仅有1100nm的超薄膜制品。 （1） 根据组成（compose）分类 单质元素薄膜 化合物薄膜 复合材料薄膜
利用巨磁效应制成的读出磁头，可显著提高磁盘的存储 密度，利用巨磁效应制作的磁阻式传感器灵敏度高。因此， 巨磁阻材料有很好的应用前景。
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§2-3 纳米薄膜材料的制备术
（preparation technology of nano film materials）
纳米薄膜分为两类 ➢ 由纳米粒子组成或堆垛而成的薄膜 ➢ 在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料的薄膜，