薄膜的结构与缺陷 PPT课件
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薄膜结构课件
• 采用薄膜构造作为永久性构造时，必须考虑其不稳定性， 这种不稳定性能够经过预应力来大大地降低，但不能完 全消除。
第三节 薄膜构造
帐篷、伞、船等均为原始旳薄膜构造。
薄膜构造主要能够分为： 充气薄膜构造； 悬挂薄膜构造； 骨架支撑薄膜构造。
一、充气பைடு நூலகம்膜构造
常分为三大类:气压式、气承 式和混合式。
二、张拉膜
三. 骨架式膜构造
骨架支撑薄膜构造是利用拱、刚架、空间网格构造等支 撑旳构造。
构造体系示意图
• 平行于主应力方向旳薄膜单元不会产生剪应力；而在与 主应力方向成45度角旳方向内剪力到达最大。在两个相 互垂直旳主应力方向内，薄膜旳作用相当于两组正交旳 悬索，一组在每一点上产生最大应力，另一组则产生最 小应力。剪应力产生在两组悬索之间旳任何其他方向上。
垂跨比大（即曲率大）旳方向所承受旳荷载，要比 垂跨比小（即曲率小）旳方向所承受旳大。
薄膜材料：
• 1、聚脂纤性织物基层加聚氯乙烯（PVC)涂层； • 2、无机材料织物加聚四氟乙烯(PTFE)涂层； • 3、改善PVC膜材； • 4、ETFE膜材；
第一节 薄膜作用
一、薄膜及其特征
能够绷在平面旳或扭曲旳边框上，所形成旳曲面是在一给定边界 旳全部曲面中面积最小旳曲面，并与给定边界旳全部点相连旳最平滑 旳曲面，这便是薄膜旳特征。
一、主曲率
曲率分别为最 大和最小旳两 个相互垂直旳 方向，都称为 薄膜曲面旳主 曲率方向。
任何曲面为经过其法线旳平面所截割时，其最大和最小 曲率分别在两个互成90度旳平面上。在这两个相互垂直 方向旳曲面无扭转。主曲率方向不存在扭转，亦即不存 在斜度变化旳特点。
二、主应力
• 薄膜一点上旳直接拉应力，在不同旳方向具有不同旳值。 当拉应力旳方向绕一点而转动时，总会在某两个相互垂 直旳方向内拉应力分别为最大和最小，这两个方向内旳 应力称为主应力，这两个方向则称为主应力方向。
第三节 薄膜构造
帐篷、伞、船等均为原始旳薄膜构造。
薄膜构造主要能够分为： 充气薄膜构造； 悬挂薄膜构造； 骨架支撑薄膜构造。
一、充气பைடு நூலகம்膜构造
常分为三大类:气压式、气承 式和混合式。
二、张拉膜
三. 骨架式膜构造
骨架支撑薄膜构造是利用拱、刚架、空间网格构造等支 撑旳构造。
构造体系示意图
• 平行于主应力方向旳薄膜单元不会产生剪应力；而在与 主应力方向成45度角旳方向内剪力到达最大。在两个相 互垂直旳主应力方向内，薄膜旳作用相当于两组正交旳 悬索，一组在每一点上产生最大应力，另一组则产生最 小应力。剪应力产生在两组悬索之间旳任何其他方向上。
垂跨比大（即曲率大）旳方向所承受旳荷载，要比 垂跨比小（即曲率小）旳方向所承受旳大。
薄膜材料：
• 1、聚脂纤性织物基层加聚氯乙烯（PVC)涂层； • 2、无机材料织物加聚四氟乙烯(PTFE)涂层； • 3、改善PVC膜材； • 4、ETFE膜材；
第一节 薄膜作用
一、薄膜及其特征
能够绷在平面旳或扭曲旳边框上，所形成旳曲面是在一给定边界 旳全部曲面中面积最小旳曲面，并与给定边界旳全部点相连旳最平滑 旳曲面，这便是薄膜旳特征。
一、主曲率
曲率分别为最 大和最小旳两 个相互垂直旳 方向，都称为 薄膜曲面旳主 曲率方向。
任何曲面为经过其法线旳平面所截割时，其最大和最小 曲率分别在两个互成90度旳平面上。在这两个相互垂直 方向旳曲面无扭转。主曲率方向不存在扭转，亦即不存 在斜度变化旳特点。
二、主应力
• 薄膜一点上旳直接拉应力，在不同旳方向具有不同旳值。 当拉应力旳方向绕一点而转动时，总会在某两个相互垂 直旳方向内拉应力分别为最大和最小，这两个方向内旳 应力称为主应力，这两个方向则称为主应力方向。
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。
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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
薄膜的结构与缺陷
2019/10/15
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
(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。
③ 热胀系数不同
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17 17
三、薄膜的表面结构
1、表面形态
(1) 不连续膜(岛状、颗粒)，一般厚度较小，50Å以下。 (2) 多孔网状膜
(3) 连续状膜
热力学能量理论分析：理想的薄膜表面应具有最小表面积，
才能使其总能量达到最低值，但实际上是不可能的。
实际情况：
◆ 薄膜的表面具有一定的粗糙度，厚度在各处不均匀。
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
薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
2019/10/15
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
201积9/10原/15 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
66
2.多晶结构
外延薄膜中的缺陷ppt课件
.
外延薄膜中的应变与失配位错
<0 膜内压应力
f =0 无应力
>0 膜内张应力
fit
strain
relax
pseudomorphic, 晶体. 结构一样
产生位错的临界厚度
产生失配位错的驱动力来自 薄膜应变能的降低.
无位错薄膜单位面积内的应变能
E
2ehf
2 1v 1v
e 切变模量；v 泊松比
h 薄膜厚度；f 失配度
.
金属中的点缺陷：空位间隙原子，替代杂质 平衡缺陷浓度：
n e x ( E T p ) /k S ] [ T eS x /k ) e p x E / ( k ) p T (
面心密堆积中的间隙：
四面体间隙位坐标： （1/4,1/4, 1/4)
+
各原子坐标
其余四面体间隙坐标。
.
面心密堆积中的间隙
用薄膜应变场对穿过位错的作用应力(=2F/hb)和位错自身 的线张应力d (=2Fd/b)相等为判据
(e=0), 也可以得到薄膜临界厚度的表达式. 但是, 要求上述两个应力相 等的判据实际上是过低了, 因为此时位错受到的净作用力为零, 即使依靠热激活, 位错运动速度也太小, 因此更合理的判据是： 对穿过位错的作用应力应超过位错线张力, 即:
的荷电状态，
.
间隙位置坐标： （1/2,1/2, 1/2)
+
各原子坐标 其余间隙位置坐标。
金刚石结构中的间隙
.
金刚石结构的晶胞中原子在底面的投影, 数字是垂直 方向上的坐标, 其单位是晶格常数的1/8(b), 四面体间
隙(方形)和六角间隙(三角形)在底面的投影,
.
晶胞中有8个原子，8个四面 体间隙，16个六面体间隙 原子半径：0.2165， T间隙到最近邻原子中心的 距离0.433，到次近邻的距离 0.500; H间隙到最近邻原子中心距 离为0.415
外延薄膜中的应变与失配位错
<0 膜内压应力
f =0 无应力
>0 膜内张应力
fit
strain
relax
pseudomorphic, 晶体. 结构一样
产生位错的临界厚度
产生失配位错的驱动力来自 薄膜应变能的降低.
无位错薄膜单位面积内的应变能
E
2ehf
2 1v 1v
e 切变模量；v 泊松比
h 薄膜厚度；f 失配度
.
金属中的点缺陷：空位间隙原子，替代杂质 平衡缺陷浓度：
n e x ( E T p ) /k S ] [ T eS x /k ) e p x E / ( k ) p T (
面心密堆积中的间隙：
四面体间隙位坐标： （1/4,1/4, 1/4)
+
各原子坐标
其余四面体间隙坐标。
.
面心密堆积中的间隙
用薄膜应变场对穿过位错的作用应力(=2F/hb)和位错自身 的线张应力d (=2Fd/b)相等为判据
(e=0), 也可以得到薄膜临界厚度的表达式. 但是, 要求上述两个应力相 等的判据实际上是过低了, 因为此时位错受到的净作用力为零, 即使依靠热激活, 位错运动速度也太小, 因此更合理的判据是： 对穿过位错的作用应力应超过位错线张力, 即:
的荷电状态，
.
间隙位置坐标： （1/2,1/2, 1/2)
+
各原子坐标 其余间隙位置坐标。
金刚石结构中的间隙
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金刚石结构的晶胞中原子在底面的投影, 数字是垂直 方向上的坐标, 其单位是晶格常数的1/8(b), 四面体间
隙(方形)和六角间隙(三角形)在底面的投影,
.
晶胞中有8个原子，8个四面 体间隙，16个六面体间隙 原子半径：0.2165， T间隙到最近邻原子中心的 距离0.433，到次近邻的距离 0.500; H间隙到最近邻原子中心距 离为0.415
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
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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。
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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。
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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
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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。
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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
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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。
薄膜及其特性PPT课件
（5）装饰膜
（6）包装膜
26
1.3 薄膜材料的特殊性
（1）表面能级很大 由于薄膜表面积与体积之比很大，致使薄膜材料的 表面效应十分突出。 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加（对于直径为 10nm的粒子，表面原子所占百分数为20％;直径为 1nm的粒子，表面原子所占百分数为100％），粒子 的表面能和表面张力随之增加，材料的光、电、化 学性质发生变化。
• 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和 基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于 形成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。
33
• 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、 磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法 获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单 热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于 去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促 进薄膜与衬底间的互扩散。
29
附着：既然薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会 存在着一定的相互作用。这种相互作用通常的表现形式是附 着（adhesion）。 薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，因此薄膜内容 易产生应变。若考虑与薄膜面垂直的任一断面，断面两侧就 会产生相互作用力，这种相互作用力称为内应力（internal stress）。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 该基片和薄膜属于不同种物质，附着现象所考虑的对象是二 者间的边界和界面。 二者之间的相互作用就是附着能，附着能可看成是界面能的 一种。附着能对基片－薄膜间的距离微分，微分最大值就是 附着力。
• 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致 难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前 一般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、 去氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。
（6）包装膜
26
1.3 薄膜材料的特殊性
（1）表面能级很大 由于薄膜表面积与体积之比很大，致使薄膜材料的 表面效应十分突出。 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加（对于直径为 10nm的粒子，表面原子所占百分数为20％;直径为 1nm的粒子，表面原子所占百分数为100％），粒子 的表面能和表面张力随之增加，材料的光、电、化 学性质发生变化。
• 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和 基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于 形成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。
33
• 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、 磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法 获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单 热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于 去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促 进薄膜与衬底间的互扩散。
29
附着：既然薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会 存在着一定的相互作用。这种相互作用通常的表现形式是附 着（adhesion）。 薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，因此薄膜内容 易产生应变。若考虑与薄膜面垂直的任一断面，断面两侧就 会产生相互作用力，这种相互作用力称为内应力（internal stress）。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 该基片和薄膜属于不同种物质，附着现象所考虑的对象是二 者间的边界和界面。 二者之间的相互作用就是附着能，附着能可看成是界面能的 一种。附着能对基片－薄膜间的距离微分，微分最大值就是 附着力。
• 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致 难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前 一般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、 去氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。
光学薄膜的结构与缺陷PPT53页
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
谢谢你的阅读
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
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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。
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。
薄膜的结构与缺陷课堂上课.ppt
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薄膜的结构和缺陷——习题、思考题
1. 薄膜结构是指那些结构？其特点是什么？ 2. 蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？ 3. 薄膜主要缺陷类型及特点？ 4. 薄膜的主要分析方法有那些？基本原理是什么？
★ 薄膜结构与组分的分析方法
表面分析技术是人们为了获取表面的物理、化学等方面 的信息而采用的一些实验方法和手段。
薄膜微观结构： （1）薄膜表面和横断面的形貌。 （2）薄膜内部的结晶构造。
Excitation source
Signal Detector
Event
Sample
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入射电子 Auger电子
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XPS的仪器
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XPS的仪器
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XPS原理：
1电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子，测量被 激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、不同元素 价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的XPS不同。
2 被激发的电子能量可用下式表示：
KE = hv - BE - spec 式中 hv=入射光子（X射线或UV）能量
阴极发光
样品
背散射电子 二次电子 X射线
透射电子
入射电子与样品相互作用后学习，课堂使样品原子较外层电子（价35 带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。
各种信息的作用深度
从图中可以看出， 俄歇电子的穿透 深度最小，一般 穿透深度小于 1nm，二次电子 小于10nm。
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➢ 扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscope（ SEM））分析
n C N exp(SV / k) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT)
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1. 降低基片温度；
2. 引入反应气体； 3. 掺杂。 常温稳定性。
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。
பைடு நூலகம்
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；
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
沉积速率 一般来说，沉积速率愈大，薄膜中晶粒的择优取向 愈弱。 沉积速率与基片温度是相互制约的两个因素。要得 到择优趋向良好的薄膜，两者之间有一个最佳匹配范围。 沉积速率增加时，基片温度也要相应增加，否则先 到达基片的粒子由于迁移率过低影响定向排列。
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
多晶薄膜织构形成机理比较复杂，比体材料的织构问题复 杂的多，研究工作不够深入。一般受到如下因素影响： 基片性质 非晶态基片：fcc结构薄膜择优方向[111]；hcp结构薄 膜的择优方向[0001]，bcc结构薄膜择优方向[110]。 单晶基片也有织构现象：硅基片沉积AlN，择优方向
1. 吸附原子具有较高的表面扩散速率；
2. 晶格匹配； 3. 基片表面清洁、光滑、化学稳定。 晶态和非晶态的转变
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
薄膜的晶体结构 多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同， 只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。原因如
下：
薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不 匹配；
气体组分和压强 压强不同，基片表面上原子吸附系数和表面迁移率不 同； 活性反应气体的分压影响成膜速率和不同晶面的表面
能，因而影响则优取向。
例：离子镀膜TiN PN2≻5.3x10-2 Pa时，几乎所有晶粒按[200]方向取向； PN2较低时，出现较强的[111]方向取向；
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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） 阅读教材
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
★ 薄膜的缺陷
点缺陷
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
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
薄膜中有较大的内应力和表面张力。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
表面结构 薄膜表面形成过程 由热力学能量理论，薄膜表面平化 晶粒的各向异性生长，薄膜表面粗化 低温基片上，薄膜形成多孔结构 B A
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜表面结构与显微结构有关
大多数蒸发薄膜具有如下特点：
空位是热力学稳定的缺陷 不同金属空位形成能不同 空位浓度与空位形成能、温度密切相关
n C exp(SV / k ) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT) N
薄膜中原子空位的主要效果主要表面在晶体体积和 密度上。薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，所以它的密 度比体材料小。
呈柱状颗粒和空位组合结构； 柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺 寸基本相同； 平行于基片表面的层与层之间有明显的界面。 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。
界面特性影响多晶薄膜与输运相关的性质。
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
纤维结构（织构） 概念：纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜。 • • 单重纤维结构（一个方向） 双重纤维结构（两个方向）
择优取向可以发生在薄膜生长的各个阶段。
如果吸附原子具有较高的表面扩散速率，则晶粒的 则优取向可以发生在薄膜形成的初期。 如果吸附原子的表面扩散速率较小，初始膜层不会 出现则优取向。
薄膜厚度 当薄膜较厚时，在原子的入射方向存在择优取向。 例：在非晶态基片上沉积具有面心立方晶格的金属薄 膜。
在薄膜的起始阶段，呈[111]择优方向；当薄膜很厚 时变为[110]织构。 入射粒子流方向
外电场方向
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
单晶结构 单晶结构薄膜通常用外延技术形成。 形成条件：
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
位错 位错是薄膜中最常遇到的缺陷之一。 薄膜中的位错密度： 10 10 / cm
12 13 2
优质体单晶位错密度：104 106 / cm2
10 12 2 10 10 / cm 强烈塑性变形晶体位错密度：
c轴。
基片本身的织构诱导薄膜形成织构。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
基片温度 基片温度影响到达基片成膜原子在基片表面的粘附系
数和迁移率。
低温基片有利于原子表面冷凝而形成非晶态结构。提 高基片温度有利于原子规则排列，形成取向良好的薄膜。 例：MOCVD在（100）硅片上沉积ZnO薄膜， TS=160℃时，择优方向[1010] TS=325℃时，择优方向[1010]和[0001] TS=400℃时，择优方向[0001]
薄膜的结构与缺陷
薄膜结构决定性能
★ 薄膜的结构
★ 薄膜缺陷
★ 薄膜结构和组分的分析方法
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
★ 薄膜的结构
薄膜结构：组织结构、晶体结构、表面结构 薄膜的组织结构 薄膜的组织结构是指薄膜的结晶形态，包括无定形结 构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。 无定形结构（非晶或玻璃态结构）
结构特性：近程有序、长程无序；
不具备晶体的性质； 亚稳态
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶态
非晶态
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
形貌无序
自旋无序
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
替代无序
振动无序
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶体的特性： 1. 具有固定的熔点； 2. 各向异性； 3. 特定的几何外形。 形成无定形结构的条件：降 低吸附原子的表面扩散速率。