第三章 薄膜材料的表征方法
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薄膜材料的表征与应用前景
薄膜材料的表征与应用前景薄膜材料是一种厚度较薄的材料，具有广泛的应用领域。
在现代科学技术领域中，薄膜材料正变得越来越重要，例如电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
在这些领域中，薄膜材料都有着很重要的作用。
因此，如何进行薄膜材料的表征是非常重要的，下面将从表征方法、薄膜材料技术应用、应用前景三方面进行探讨。
一、薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法主要有X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等技术。
其中，X射线衍射属于一种常用的材料分析方法，可以得到薄膜的晶体结构、晶格常数、谱线宽度、拓扑结构等信息。
透射电子显微镜可以得到薄膜的显微组织结构，包括富含结构信息的多晶体薄膜、单晶薄膜以及异质结构。
扫描电子显微镜则可用来分析物质表面形态和组成，并且可对样品的形貌、大小、质量等进行观察和计量。
原子力显微镜则可以对样品的表面形貌进行观察，并能够创造分子层面的逼真图像，是一种非常常用的表征方法。
不同的薄膜材料在表征方法上存在很大的差异，例如，半导体薄膜材料需要更精确的表征技术，而对于金属薄膜材料则主要采用透射电子显微镜进行分析。
在分析时也需要注意用适当的方法。
二、薄膜材料技术应用薄膜材料的技术应用广泛，涉及到电子器件、太阳能电池、光伏电池、光电子学、医学、生物传感器、防辐射、保护涂料等领域。
其中，太阳能电池是薄膜材料的典型应用之一。
采用薄膜材料制造的太阳能电池，不仅可以提高转换效率，而且重量更轻、性能更佳。
此外，薄膜材料还可以用于生物传感器领域。
由于薄膜具有微观尺寸范围，因此具有内在的生物相容性和高灵敏度，并且还可以按照需要设计其结构或功能，如含有肝素和酶等的超薄膜，有利于抑制血栓形成和生物膜。
三、薄膜材料技术应用前景在各种新能源材料中，薄膜材料已经成为研究热点。
太阳能电池、燃料电池等的制造关键是新材料的开发，而在这些中，薄膜材料的开发将成为未来的重要方向。
薄膜材料的表征方法
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
膜厚d 的计算
通常,光波的偏振状态由两个参数描述:振幅和相位。为方便 起见,在椭偏仪法中,采用Ψ 和△这两个参数描述光波反射时 偏振态的变化,它们的取值范围为: 0 ≤Ψ ≤π/ 2 ,0≤△< 2π。 (Ψ , △) 和( Rp , Rs) 的关系定义为总反射系数的比值,如下 式所示 Rp/Rs＝tanyexp（iΔ） 式中, tgΨ 表示反射前后光波P、S 两分量的振幅衰减比, △=δp -δs 表示光波P、S 两分量因反射引起的相应变化之 差。 由此可见,Ψ 和△直接反映出反射前后光波偏振状态的变化。 在波长、入射角、衬底等确定的条件下,Ψ 和△是膜厚和薄 膜折射率( n) 的函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n) 结合公式，测量y和Δ，就可以求出薄膜折射率n和薄膜的 厚度d。
薄膜材料的表征
薄膜材料的表征新能源12级3 班杨铎12191070摘要：薄膜材料和薄膜器件日益广泛应用及其可靠性指标体系的日益健全，要求学术界对其结构和性能的特殊性给出科学解释。
因此，薄膜材料的表征对材料的应用是至关重要的。
薄膜样品结构和性能的表征依赖测试设备及测试方法。
薄膜材料的表征参数通常包括薄膜厚度，这通常用探针法等进行测量；薄膜形貌表征，主要通过扫描隧道显微镜、原子力显微镜等进行测量；薄膜成分的表征，它主要用X 射线电子能谱、俄歇电子能谱来测量；薄膜晶体结构的表征，它通常使用X 射线衍射仪或电子衍射仪来测量；薄膜的应力表征，这可以通过直接测量变形量方法和简介X 射线衍射测量方法等对其来进行测量。
通过对以上内容的概括和总结及对比总结出薄膜材料的测试的研究情况。
关键词：薄膜，测试，表征1. 薄膜简介1.1 薄膜材料的发展在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。
自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。
生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。
生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。
细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。
膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。
细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K +通道、CI-通道等等。
细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。
1.2薄膜材料的应用人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。
它的一个很重要的应用就是海水的淡化。
虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5%〜3%,随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。
薄膜材料的表征方法-16-2012
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6、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）
场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可达1-2 nm
22
PbTiO3 Nanowires
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26
27
3、透射电子显微镜
（Transmission Electronic Microscope）
特点：电子束一般不再采取扫 描方式对样品的一定区域进行 扫描，而是固定地照射在样品 中很小的一个区域上；透射电 子显微镜的工作方式是使被加 速的电子束穿过厚度很薄的样 品，并在这一过程中与样品中 的原子点阵发生相互作用，从 而产生各种形式的有关薄膜结 构和成分的信息。 工作模式：影像模式和衍射模 式（两种工作模式之间的转换主要
(2m 1) d 4n1
对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
(m 1) d 2n1
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需 要设计出强振荡关系的具体测量方法。
9
（1）利用单色光入射，但 通过改变入射角度（及反射 角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉 法（VAMFO），其测量装 臵原理图如图。 （2）使用非单色光入射薄 膜表面，在固定光的入射角 度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被 称为等角反射干涉法 （CARIS）。 注意：以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光 程差变化以及其导致的光的干涉效应。 10
14
2）称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话， 由公式
m d A
就可以计算出薄膜的厚度d。 缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。
薄膜材料的制备与表征
薄膜材料的制备与表征薄膜材料是一种具有特殊功能和广泛应用前景的材料。
它可以被用于光电子器件、传感器、能源存储等众多领域。
然而，要想制备出高质量的薄膜材料并进行准确的表征，需要一系列复杂的工艺和仪器。
本文将探讨薄膜材料的制备和表征技术，并对其应用前景进行展望。
一、薄膜材料的制备技术薄膜材料的制备技术包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法、激光蒸发等多种方法。
其中，物理气相沉积是最常用的方法之一。
它通过在真空条件下将材料源进行加热，蒸发后在基板表面进行沉积。
化学气相沉积则是利用气体中的化学反应生成沉积物，常用的方法有化学气相沉积和金属有机化学气相沉积。
溶液法则是将材料溶解在溶剂中，再通过溶剂挥发或沉淀的方式得到薄膜材料。
激光蒸发则是利用强激光将固体材料蒸发得到薄膜。
不同的制备方法适用于不同类型的薄膜材料。
例如，物理气相沉积适用于制备金属薄膜、氧化物薄膜等。
化学气相沉积则适用于石墨烯、合金薄膜等。
溶液法则适用于制备有机薄膜、无机-有机复合薄膜等。
二、薄膜材料的表征技术薄膜材料的表征是确定其化学成分、物理结构和性能的重要手段。
常用的表征技术包括X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱等。
X射线衍射可以通过分析薄膜的晶胞参数、结晶度和晶体结构来确定其物理结构。
扫描电子显微镜和透射电子显微镜可以观察薄膜的形貌和微观结构。
原子力显微镜则可以观测到薄膜的表面形貌和表面粗糙度。
拉曼光谱可以提供关于薄膜的分子结构、晶格振动和应力信息。
除了以上表征技术，还有许多其他的测试手段，例如热电偶测量、电化学测试、光谱测试等。
三、薄膜材料的应用前景薄膜材料的应用前景非常广阔。
在光电领域，薄膜太阳能电池已经成为一种环保、高效的能源转化技术。
柔性显示技术也离不开薄膜材料的应用，将会在智能手机、可穿戴设备等领域有广泛的应用。
在能源存储方面，薄膜材料被广泛运用于锂电池、超级电容器等设备中。
此外，薄膜材料还被应用于食品包装、生物传感器、环境传感器等领域。
薄膜材料的表征方法
Ni3C
o o o
o
20
30
40
50
60 70 o 2 ( )
80
90 100
5.2 扫描电子显微镜（SEM）
工作原理：由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加 速下获得一定的能量。其后，加速后的电子将进 入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直 径只有5nm左右的电子束。装置在透镜下面的磁场 扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的 偏转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样 品表面的特定区域上。 优点：提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长， 可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量 的表面成分分析结果等。
关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改
变而产生的（电子云发生变化）。拉曼位移取决于分子振动能级的变化， 不同化学键或基团有特征的分子振动，Δ E反映了指定能级的变化，因此 与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性
分析的依据。
5.5 X射线光电子能谱分析
5.3原子力显微镜（AFM）
AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有 一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力（10-8~10-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针 尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表 面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
3、扫描电子显微镜提供的其他信号形式 扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电子形貌以外， 同时还可以产生一些其他的信号，例如电子在与某一晶体平面发生相互作 用时会被晶面所衍射产生通道效应，原子中的电子会在受到激发以后从高 能态回落到低能态，同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析 这些信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有用信息。
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5.2 扫描电子显微镜（SEM）
工作原理：由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加 速下获得一定的能量。其后，加速后的电子将进 入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直 径只有5nm左右的电子束。装置在透镜下面的磁场 扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的 偏转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样 品表面的特定区域上。 优点：提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长， 可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量 的表面成分分析结果等。
关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改
变而产生的（电子云发生变化）。拉曼位移取决于分子振动能级的变化， 不同化学键或基团有特征的分子振动，Δ E反映了指定能级的变化，因此 与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性
分析的依据。
5.5 X射线光电子能谱分析
5.3原子力显微镜（AFM）
AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有 一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力（10-8~10-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针 尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表 面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
3、扫描电子显微镜提供的其他信号形式 扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电子形貌以外， 同时还可以产生一些其他的信号，例如电子在与某一晶体平面发生相互作 用时会被晶面所衍射产生通道效应，原子中的电子会在受到激发以后从高 能态回落到低能态，同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析 这些信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有用信息。
薄膜材料的表征方法
详细描述
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
感谢您的观看
THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
薄膜材料性能表征方法介绍
磁化率测试可以用于研究薄膜材料的磁学性质，如磁各向 异性、磁晶各向异性等，对于理解材料的磁学行为和优化 磁性薄膜的应用具有重要意义。
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
薄膜材料的表征方法演示文稿
6.3.1 X射线衍射法 －－ 讨论的问题
晶体中的原子是如何排列的以及这种排列方式的表示方法 这种排列方式的不同给X射线的衍射结果带来什么样的影
响? X射线在晶体上的衍射过程： X射线照到晶体上，晶体作
为光栅产生衍射花样，衍射花样反映了光学显微镜所看不 到的晶体结构的特征。 利用衍射花样来推断晶体中质点的排列规律
第8页，共57页。
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
第一种，变角度干涉法（VAMFO） 在样品角度连续变化的过程中，在光学显微镜下可以观察
到干涉极大和极小的交替出现。当衬底不透明，且具有一定的反 射率时，光的干涉条件为：
h=Nλ/(2n1cosθ) 由干涉极值出现的角度θ′和已知的n1，可以拟合求出N和 薄膜厚度h。 缺点：必须已知波长λ时薄膜的n1。否则，就需要先由一个假 设的折射率出发，并由测量得到的一系列干涉极值时的入射角θ′ （θ）去拟合它。
份，金相分析能揭示材料的显微形貌，而X射线衍射分析可得出材料中 物相的结构及元素的存在状态。因此，三种方法不可互相取代。
透镜的成像过程
光源
物平面
后焦面
像平面
第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成为各级衍射 谱，即由物变换到衍射的过程；
第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点， 即由衍射重新变换到物(像是放大了的物)的过程。
第23页，共57页。
6.2 薄膜结构的表征方法
6.2.2 TEM
第17页，共57页。
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.2.1 SEM
可提供清晰直观的形貌图像，分辨率高（最佳分辨率可达5nm左右）、观察景深长，
可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表面成分分析结果。
晶体中的原子是如何排列的以及这种排列方式的表示方法 这种排列方式的不同给X射线的衍射结果带来什么样的影
响? X射线在晶体上的衍射过程： X射线照到晶体上，晶体作
为光栅产生衍射花样，衍射花样反映了光学显微镜所看不 到的晶体结构的特征。 利用衍射花样来推断晶体中质点的排列规律
第8页，共57页。
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
第一种，变角度干涉法（VAMFO） 在样品角度连续变化的过程中，在光学显微镜下可以观察
到干涉极大和极小的交替出现。当衬底不透明，且具有一定的反 射率时，光的干涉条件为：
h=Nλ/(2n1cosθ) 由干涉极值出现的角度θ′和已知的n1，可以拟合求出N和 薄膜厚度h。 缺点：必须已知波长λ时薄膜的n1。否则，就需要先由一个假 设的折射率出发，并由测量得到的一系列干涉极值时的入射角θ′ （θ）去拟合它。
份，金相分析能揭示材料的显微形貌，而X射线衍射分析可得出材料中 物相的结构及元素的存在状态。因此，三种方法不可互相取代。
透镜的成像过程
光源
物平面
后焦面
像平面
第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成为各级衍射 谱，即由物变换到衍射的过程；
第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点， 即由衍射重新变换到物(像是放大了的物)的过程。
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6.2 薄膜结构的表征方法
6.2.2 TEM
第17页，共57页。
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.2.1 SEM
可提供清晰直观的形貌图像，分辨率高（最佳分辨率可达5nm左右）、观察景深长，
可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表面成分分析结果。
薄膜材料的表征
生物医学领域
总结词
薄膜材料在生物医学领域的应用主要包括生物传感器、药物载体、组织工程等。
详细描述
由于薄膜材料的生物相容性和良好的机械性能，它们在生物医学领域中具有广泛的应用 前景。例如，薄膜材料可以作为生物传感器的敏感膜，用于检测生物分子或细胞；也可 以作为药物载体，实现药物的定向传输和释放；还可以作为组织工程的支架材料，用于
光学器件领域
总结词
薄膜材料在光学器件领域的应用主要涉及滤 光片、反射镜、增反膜等。
详细描述
薄膜材料具有高反射性、高透射性、高定向 性等特点，因此在光学器件领域中具有广泛 的应用前景。通过在光学元件表面制备不同 特性的薄膜，可以实现各种光学器件的功能 ，如反射镜可以改变光的方向，滤光片可以
过滤特定波长的光等。
详细描述
透射电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数，能够观察薄膜材料的晶格条纹、晶界、相界等微观结构特征，并提 供更深入的晶体结构和相组成信息。
04 薄膜材料的物理性能表征
电学性能
描述薄膜材料的导电能力、 介电常数等电学性质。
•·
导电性能：通过测量薄膜 的电阻、电导率等参数， 评估其导电能力。
电荷输运机制：研究薄膜 中电荷的输运方式，如电 子、空穴的传输特性。
薄膜材料的表征
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CONTENTS
• 引言 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的结构表征 • 薄膜材料的物理性能表征 • 薄膜材料的化学性能表征 • 薄膜材料的实际应用与展望
01 引言
目的和背景
薄膜材料在电子、光学、生物医学等 领域具有广泛应用，对其性能的表征 是实现有效应用的关键。
表征的目的在于了解薄膜材料的结构、 成分、物理和化学性质，为优化制备 工艺、提高性能提供依据。
薄膜材料的表征方法最新课件.ppt
sinncsin
观察到干涉极小的条件是光程 差等于（N+1/2）λ。
薄膜材料的表征方法最新课件
3
2）不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET）和 等色干涉条纹（FECO）法
等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要
使用非单色光源照射薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大
出现的条件。
薄膜材料的表征方法最新课件
（2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、 孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等；
（3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延 界面的完整性、位错组态等。
针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。
薄膜材料的表征方法最新课件
15
二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)
第一节 薄膜厚度测量技术 第二节 薄膜结构的表征方法 第三节 薄膜成分的表征方法 第四节 薄膜附着力的测量方法
薄膜材料的表征方法最新课件
1
第一节 薄膜厚度测量技术
1、薄膜厚度的光学测量方法 2、薄膜厚度的机械测量方法
薄膜材料的表征方法最新课件
2
1、薄膜厚度的光学测量方法
1）光的干涉条件
n c ( A B B C ) A N 2 n c d c o s N
的原子点阵发生相互作用，从
而产生各种形式的有关薄膜结
构和成分的信息。
工作模式：影像模式和衍射模
式（两种工作模式之间的转换主要
依靠改变物镜光栅及透镜系统电流或
成像平面位置来进行。）薄膜材料的表征方法最新课件
25
薄膜材料的表征方法最新课件
26
1、透射电子显微镜的衍射工作模式
在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又被分成 许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学平 面的衍射束。
观察到干涉极小的条件是光程 差等于（N+1/2）λ。
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3
2）不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET）和 等色干涉条纹（FECO）法
等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要
使用非单色光源照射薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大
出现的条件。
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（2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、 孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等；
（3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延 界面的完整性、位错组态等。
针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。
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二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)
第一节 薄膜厚度测量技术 第二节 薄膜结构的表征方法 第三节 薄膜成分的表征方法 第四节 薄膜附着力的测量方法
薄膜材料的表征方法最新课件
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第一节 薄膜厚度测量技术
1、薄膜厚度的光学测量方法 2、薄膜厚度的机械测量方法
薄膜材料的表征方法最新课件
2
1、薄膜厚度的光学测量方法
1）光的干涉条件
n c ( A B B C ) A N 2 n c d c o s N
的原子点阵发生相互作用，从
而产生各种形式的有关薄膜结
构和成分的信息。
工作模式：影像模式和衍射模
式（两种工作模式之间的转换主要
依靠改变物镜光栅及透镜系统电流或
成像平面位置来进行。）薄膜材料的表征方法最新课件
25
薄膜材料的表征方法最新课件
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1、透射电子显微镜的衍射工作模式
在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又被分成 许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学平 面的衍射束。
薄膜材料的表征方法
❖ 观察显微图像旳措施有：透射电子显微术、反射
电子显微术、低能电子显微术，利用微电子束扫 描而成旳扫描电子显微术和1981年发明旳扫描探
针显微术。材料组分分析措施主要有电子束激发 旳X射线能谱、俄歇电子能谱、光电子能谱、二 次离子质谱(SIMS)、离子束旳卢瑟福背散射谱等。
❖ 对薄膜材料性能进行检测旳手段诸多，它 们分别被用来研究薄膜旳构造、组分和物 理性质。伴随薄膜材料应用旳多样化，其 研究手段和对象也越来越广泛。尤其是对 多种微观物理现象利用旳基础上，发展出 了一系列新旳薄膜构造和成份旳检测手段， 为对薄膜材料旳进一步分析提供了现实旳 可能性。
❖ 结合公式，测量y和Δ，就能够求出薄膜折射率n和薄膜旳 厚度d。
图3-1 椭偏法测量y和Δ旳原理图
椭偏仪一般涉及下列几种部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接受系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪旳原理图，激光光源发 出旳光, 经过仪器旳起偏器变成线偏振光, 经过补偿器1/4波片形成椭圆偏 振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标x和y 轴旳正交线性偏振态, 从待测光学系统射出旳光, 偏振态已经发生了变化( 椭圆旳方位和形状与原入射椭偏光不同) , 经过检偏器和探测器就能够进 行检测了。
❖ d=(2pn1d/l)cosj0 ❖ 式中，d和n1是薄膜厚度和折射率，r01、r12、t01、t12分别
是0、1和1、2介质（0、1、2分别代表空气、薄膜和衬底） 界面上旳反射率和透射率，它们能够分别是p分量和s分量 旳不同菲涅耳公式计算出来。所以，s分量和p分量旳R值 能够从相应旳界面上旳s分量和p分量计算得到。
常用薄膜厚度测量措施
❖ 薄膜厚度旳测量广泛用到了多种光学措施。这是因为， 光学措施不但可被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄 膜；不但使用以便，而且测量精度高。此类措施多利用 光旳干涉现象作为测量旳物理基础。
03第三章 薄膜的表征与分析-课件
薄膜厚度的测量
4、 石英晶体振荡器法
将石英晶体沿其线膨胀系数最小的 方向切割成片，并在两端面上沉积上金 属电极。由于石英晶体具有压电特性， 因而在电路匹配的情况下，石英片上将 产生固有频率的电压振荡。将这样一只 石英振荡器放在沉积室内的衬底附近， 通过与另一振荡电路频率的比较，可以 很精确地测量出石英晶体振荡器固有频 率的微小变化。在薄膜沉积的过程中， 沉积物质不断地沉积到晶片的一个端面 上，监测振荡频率随着沉积过程的变化 ，就可以知道相应物质的沉积质量或薄 膜的沉积厚度。
电子束成像的方式可以被进一步细分为三种：
（1）明场像 即只使用透射电子束，而用光栅档掉所有衍射束的成像方式。 （2）暗场像 透射的电子束被光栅档掉，而用一束衍射束来作为成像光源。 （3）相位衬度 允许两束或多束电子参与成像。
薄膜结构的表征方法
2、透射电子显微镜 （Transmission Electronic Microscope）
➢ 第二，延长测量时间，以部分抵消强度较弱带 来的问题，但是在样品信号很弱时，这一方法 的有效性会受到很大的限制；
➢ 第三，采用掠角衍射技术，即将X射线以近于 与薄膜样品表面平行的方向入射到薄膜表面， (0.5~5°)其结果是大大增加了参与衍射的样品原 子数。
1
I Vbexp(A2S)
Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，A是常数。
薄膜结构的表征方法
4、扫描隧道显微镜
（Scanning Tunneling Microscope-STM）
由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离 S减小0.1nm，隧道电流I将增加一个数量级。因此利用电子反馈线路控制隧 道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂 直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏，如图（a）。将针尖 在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了 样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
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背散射电子
表面形貌，原子序数（化学成分） 衬度，晶体取向衬度，提供电子 通道图样，确定晶体取向
吸收电子
样品中吸收残余电子；图像质量欠佳， 表面形貌，原子序数衬度，晶体 只适用于某些特殊情况 取向衬度，提供电子通道图样， 确定晶体取向 价电子受激驰豫发光，信号较弱 内层电子电离，外层电子填补空位产 生驰豫电磁辐射，产生区可达mm量级 内层电子电离，驰豫过程产生的另一 能级上电离的电子产生于样品表面几 个原子层 表面反射和透射模式的荧光图像 任何部位的元素分析和元素分布 图 样品表面薄层中的轻元素分析和 元素分布图
观察显微图像的方法有：透射电子显微术、反射 电子显微术、低能电子显微术，利用微电子束扫 描而成的扫描电子显微术和1981年发明的扫描探 针显微术。材料组分分析方法主要有电子束激发 的X射线能谱、俄歇电子能谱、光电子能谱、二 次离子质谱(SIMS)、离子束的卢瑟福背散射谱等。
对薄膜材料性能进行检测的手段很多，它 们分别被用来研究薄膜的结构、组分和物 理性质。随着薄膜材料应用的多样化，其 研究手段和对象也越来越广泛。特别是对 各种微观物理现象利用的基础上，发展出 了一系列新的薄膜结构和成分的检测手段， 为对薄膜材料的深入分析提供了现实的可 能性。
30keV左右的能量的电子束在入射到样品表面之后，将
与表面层的原子发生各种相互作用，产生二次电子、背 散射电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子等各种信号 （如图3-2）。 从图3－2中看到，入射电 子束与样品表面相互作用 可产生7种信息。其中最 常用于薄膜分析的是背散 射电子、二次电子和特征 X射线。前两种信息可用 来观测表面形貌。特别是 二次电子因它来自样品本 身而且动能小，最能反映 样品表面层形貌信息。一 般都用它观测样品形貌。 特征X射线可供分析样品 图3－2 电子束与表面原子相互 的化学组分。 作用图
3.2.1 扫描电子显微镜（SEM）分 析
SEM（Scanning Electron Microscope）是利用 聚焦电子束在试样表面按一定时间、空间顺序作 栅网式扫描，与试样相互作用产生二次电子信号 发射（或其它物理信号），发射量的变化经转换 后在镜外显微荧光屏上逐点呈现出来，得到反映 试样表面形貌的二次电子像。 扫描电子显微镜是目前薄膜材料结构研究最直接 的手段之一，主要因为这种方法既像光学金相显 微镜那样可以提供清洗直观的形貌图象，同时又 具有分辨率高、观察景深长、可以采用不同的图 象信息形式、可以给出定量或半定量的表面成分 分析结果等一系列优点。扫描电子显微镜是目前 材料结构研究的最直接的手段之一。
椭偏光谱学是一种利用线偏振光经样品反射后转变为 椭圆偏振光这一性质以获得样品的光学常数的光谱测 量方法，它区别于一般的反射透射光谱的最主要特点 在于不直接测算光强，而是从相位空间寻找材料的光 学信息，这一特点使这种测量具有极高的灵敏度。 椭偏光谱仪有多种结构，如消光式、光度式等，消光 式椭偏仪通过旋转起偏器和检偏器，对某一样品，在 一定的起偏和检偏角条件下，系统输出光强可为零。 由消光位置的起偏和检偏器的方位角，就可以求得椭 偏参数。然而，这种方法在具有较大背景噪声的红外 波段难于实现。光度式椭偏仪引入了对光强随起偏或 检偏角变化作傅立叶分析的方法，并可通过计算机对 测量过程进行控制。
荧光 特征X射线 俄歇电子
3.2.2 原子力显微镜（AFM）分析
将扫描隧道显微镜（SEM）的工作原理和 针式轮廓曲线仪原理结合起来，制成了原 子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）。这种结构首先是Binnig（诺贝尔奖 金获得者）等人在1986年提出的。这种新 型的表面分析仪器是靠探测针尖与样品表 面微弱的原子间作用力的变化来观察表面 结构，得到的是对应于表面总电子密度的 形貌。
在扫描电子显微镜中，将样品发射的特征X射线 送入X射线色谱仪或X射线能谱仪可进行化学成 份分析。 当样品的厚度小于入射电子穿透的深度时，一部 分入射电子穿透样品从下表面射出。将这一系列 信号分别接受处理后，即可得到样品表层的各种 信息。SEM技术是在试样表面的微小区域形成影 像的。下表列出了扫描电子显微镜可提供的样品 表层信息。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
表面粗糙度仪法又叫触针法，它是利用直径很小 的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在 垂直方向的移动情况，并画出薄膜表面的轮廓。 这种方法长期以来就用作测定表面粗糙度的方法 之一，采用这种方法可以测量从基片到表面的高 度，即测定膜厚。 粗糙度仪的触针的头部是用金刚石磨成约2～ 10mm半径的圆弧后做成的。在触针上加有1～ 30mg的可以调节的压力。垂直位移可以通过机 械、电子或光学的方法被放大几千倍甚至一百万 倍，因而垂直位移的分辨率可以达到1nm左右。
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
设备名称：NKD-7000W光学薄膜分析系统 (NKD－7000w System Spectrophotometer)
（2）薄膜厚度的机械测量方法——表面粗糙度 仪法（台阶法） 台阶法又称为触针法，是利用一枚金刚石探针在 薄膜表面上运动，表面的高低不平使探针在垂直 表面的方向上做上下运动，这种运动可以通过连 接于探针上的位移传感器转变为电信号，再经过 放大增幅处理后，利用计算机进行数据采集和作 图以显示出表面轮廓线。这种方法能够迅速、直 观地测定薄膜的厚度和表面形貌，并且有相当的 精度，但对于小于探针直径的表面缺陷则无法测 量。另外，探针的针尖会对膜表面产生很大的压 强，导致膜面损伤。
图1
光波在单层膜上的反射与透射
若一束平行光以j0的角度斜入射到薄膜表面上，光波在空 气/薄膜界面和（或）薄膜/衬底界面反复反射和折射，计 算得到反射率R和透射率T分别是： R=[r01+r12exp(-2id)]/[1+r01r12exp(-2id)] T=[t01t12exp(-id)]/[1+r01r12exp(-2id)] d=(2pn1d/l)cosj0 式中，d和n1是薄膜厚度和折射率，r01、r12、t01、t12分别 是0、1和1、2介质（0、1、2分别代表空气、薄膜和衬底） 界面上的反射率和透射率，它们可以分别是p分量和s分量 的不同菲涅耳公式计算出来。因此，s分量和p分量的R值 可以从对应的界面上的s分量和p分量计算得到。 见：吴思诚,王祖铨.近代物理实验[M].北京:北京大学出版 社,1986.
主要缺点是： ①容易滑伤较软的薄膜并引起测量误差； ②对于表面粗糙的薄膜，其测量误差较大； ③需要事先制备带有台阶的薄膜样品； ④只能用来测量制成的薄膜的厚度，不能用 于制膜过程中的实时监控。
3.2 薄膜结构的表征
薄膜结构的表征方法（扫描电子显微镜：透射电子显微镜；X 射线衍射方法；低能电子衍射和反射式高能电子衍射） 薄膜的性能取决于薄膜的结构，因而对薄膜的结构尤其是微 观结构的表征有着非常重要的意义。而薄膜结构的研究可以 依所研究的尺度范围划分为以下三个层次： （1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀 性等； （2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、 空洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等； （3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界 面的完整性、位错组态等。 针对研究的尺度范围，对结构的表征可以选择不同的研究手 段，如光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、 原子厚度的测量 薄膜厚度的测量方法主要有光学测量法和机械测 量法两种。 光学测量法不仅可以测量透明薄膜, 还可以测量 不透明的薄膜; 不仅使用方便, 而且测量精度较高, 因此得到广泛的应用。 机械测量法中应用最广的是表面台阶测试仪, 它 是通过在复合薄膜的各个层之间制备台阶, 探针 通过在台阶的滑动来测量薄膜的厚度。应用较多 的是日本的DEKTA K 系列。
表3.2 扫描电子显微镜可提供的样品表层信息
所用信号 二次电子 特点 电子能量较低，产生区域较小（即样 品表面最外层的几层原子）；图像分 辨率高 电子能量分布范围广，从几个eV到等 于入射电子的初始能量，产生区最远 可达mm量级 可提供信息 高分辨率的样品表面形貌，样品 的电压衬度，样品的磁衬度和磁 畴显示
常用薄膜厚度测量方法
薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方法。这是因为， 光学方法不仅可被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄 膜；不仅使用方便，而且测量精度高。这类方法多利用 光的干涉现象作为测量的物理基础。 椭圆偏振仪原理及应用： 在椭圆偏振技术（Ellipsometry）发展起来之前，早期光 学常数的测量通常是在一定光谱范围内测量正入射样品 的反射率，然后由K-K关系分析获得材料的复折射率、复 介电函数等光学常数。在Drude和Stutt提出物理的测量 原理之后，经过人们的不懈努力，这一方法得到了不断 的完善。