第6章 金属薄膜材料

2. 金属薄膜的形成机理
薄膜材料的形核方式有哪些？－－三种方式
(1)生成三维的核型（Volmer-Weber型） 原子在基片上先凝聚，然后生成核，进一步再将蒸发原 子凝聚起来生成三维的核。大部分金属薄膜都以这种方 式形成。
生成三维的核型
2. 金属薄膜的形成机理
薄膜材料的形成方式有哪些？－－三种方式
界面附着力：薄膜与衬底之间的结合力称为薄膜对于衬底的界 面附着力。 界面附着力不仅取决于界面处原子之间的微观 结合力，还与界面形态直接相关。
3. 金属薄膜的结构
薄膜的界面形态：
(a) 平界面 ( b) 形成化合物的界面 (c)合金的扩散界面
(d) 机械咬合界面
3. 金属薄膜的结构
3. 金属薄膜的结构
3.3 薄膜的热应力和生长应力
热应力：由于衬底(substrate)与薄膜材料之间线膨胀系数的差 别，在薄膜制备以后温度变化时在薄膜与衬底中产生的应力。 温度变化引起的薄膜应变：
f ( s f ) dT T
温度变化引起的薄膜应力：
f k f k T
单层上在生长核型
2. 金属薄膜的形成机理
连续薄膜的形成中的核心吞并现象
形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移逐渐长大， 这一过程除了吸收单个的气相原子之外，还包括核心之 间的相互吞并联合的过程。
三种核心相互吞并机制
（1）奥斯瓦尔多（Ostwald）机制； （2）熔结； （3）岛的迁移。
2. 金属薄膜的形成机理
薄膜材料是什么？
是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备 的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。它是一种二 维的物质形态。
薄膜材料有哪些优点？
(1) 实现微电子器件和系统微型化的最有效的技术手段；
(2) 薄膜材料尺寸减小到接近量子化运动的微观尺度，显 示 出许多全新的物理现象；
(3)薄膜材料可以将各种不同的材料复合在一起，构成具有 优异特性的复杂材料体系。
3. 金属薄膜的结构
3.2 线缺陷（位错）
位错密度：单位体积内位错线的总长度。
金属薄膜中的位错密度：
在FCC金属单晶薄膜中位错的密度为1010-1011cm-2。良好 的块状金属的位错密度为104-106cm-2。发生大量塑性变形 的晶体中，位错密度为1010-1012cm-2. 薄膜中位错密度与强烈塑性变形后的相当，其内部的畸变 是相当严重的。
2. 金属薄膜的形成机理
如何观察金属薄膜的形成过程和结构？
（2）现场观察法：把蒸发源放在电镜内蒸发制作薄膜样 品，一面观察薄膜的形成过程。 优点：能够实时动态观察薄膜形成的过程，确定薄膜 的成膜方式和成膜机理； 缺点：薄膜形成过程容易受到电子束的干扰，设备要 求高（需要设计并安装特殊附件），膜厚难以测量和蒸 发物质受限等。
决定金属薄膜结构的条件？
（1）薄膜原子与基片之间的相互作用力；
（2）薄膜原子与薄膜原子相互之间的作用力；
（3）蒸发时基片的温度：对蒸发原子在基片上附着和移 动有显著影响。基片温度越高，金属薄膜易内部凝聚， 每个小岛的开头就越接近于球形，不易形成连续结构。 （4）蒸发速率：蒸发速率越快，岛的密度越大（致密 度），越早出现有边疆的金属薄膜。
新型金属材料
第6章 金属薄膜材料
南京理工大学材料科学与工程系
本章主要内容
1 2 金属薄膜材料概述 金属薄膜的形成机理
3
4
金属薄膜的结构缺陷
金属薄膜的制备方法
金属薄膜材料的应用
5
1. 金属薄膜概述
糖果包装； 药品胶囊封装； 佛像贴金、宫殿装饰；
更多的：
计算机、家用电器、通讯产品等广泛 应用。
1. 金属薄膜概述
2. 金属薄膜的形成机理
金属薄膜的内部结构有哪些特点？
（1）金属薄膜内部多数小岛或者集合体都具有和原蒸发 物Hale Waihona Puke Baidu大致相同的晶体结构，一般不形成非晶态。
（2）金属薄膜结构是多晶的，且晶粒取向是任意的。
2. 金属薄膜的形成机理
如何观察金属薄膜的形成过程和结构？
（1）静止观察法：先在真空蒸发装置中分段制成不同厚 度样品，然后将不同样品移到电镜中观察（非原位）； 优点：条件简单，只要有电镜和真空蒸发装置就可以 观察。金属薄膜制作容易控制，操作方便； 缺点：不能实时地原位观察基片上同一点薄膜形成过 程，容易受到空气的污染。
3. 金属薄膜的结构
结构缺陷的影响金属薄膜性能的重要因素，对金属薄 膜的结构缺陷进行观察表征，研究结构缺陷对性能的影响 是金属薄膜材料研究的重要领域。
3.1 点缺陷
类型：间隙原子和空穴。但空穴是薄膜材料中点缺陷的主体。 空穴成为金属薄膜点缺陷主体的原因： 在金属薄膜中，形成空穴需要的能量为1.0eV左右，比其 它点缺陷（如间隙原子）所需的能量小的多。例如，Cu中 形成一个间隙原子所需的能量为2.5-3.3eV。
a. 奥斯瓦尔多吞并 b. 熔结 c. 岛的迁移 奥斯瓦尔多吞并和熔结方式的驱动力为表面自由能降低；奥斯瓦尔多吞并 为气相扩散，吞并的是气相原子；熔结方式主要是表面扩散。 岛的迁移的驱动力来自于热激活过程。原子团越小，激活能越低，原子团 的迁移越容易。原子团的运动导致原子团的相互碰撞与合并。
2. 金属薄膜的形成机理
3. 金属薄膜的结构
生长应力： 由于薄膜沉积过程特点所造成的应力。是从薄膜总应力中去 除热应力部分后剩余的应力总和。 生长应力的影响因素：
沉积后薄膜中的化学反应（原子进入和离开薄膜产生应力）
沉积薄膜的空洞引发应力；
薄膜组织的回复和再结晶产生应力；
3. 金属薄膜的结构
3.4 薄膜的界面附着力和界面形态
(2) 单层生长型（Frank-van der Merwe型）
先形成一个二维的层，然后一层一层地逐渐形成金属薄 膜。当基片和薄膜原子之间，以及薄膜原子之间相互作 用都很强时才容易形成）。
单层生长型
2. 金属薄膜的形成机理
薄膜材料的形成方式有哪些？－－三种方式
（3）单层上再生长核型（Stranski-Krastanov型） 首先形成单层膜，然后再在单层上形成三维的核。只有 在基片和薄膜原子相互作用非常强时会形成。这种形式 实际上是介于前两种形式之中的一种，只有极其有限的 基片和薄膜之间才能形成。