第一章 薄膜及其特性-修改分解
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精品课程《功能材料》第七讲 功能薄膜材料
与德布罗意波的干涉相关联的效应一般 称为量子尺寸效应。
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另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒 比电子能量E要大得多，根据量子力学知识，这些 电子有一定的几率，穿过势垒，称为隧道效应。
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（6）容易实现多层膜
多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积 在同一个衬底上（也称为复合膜），以改 善薄膜同衬底间的粘附性。
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（二） 薄膜的形成与生长
薄膜的形成与生长 有三种形式，如图 1-2所示： （a）岛状生长模式 （b）层状生长模式 （c）层岛结合模式
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三、 溅射薄膜的形成过程
由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大 的能量，所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发 制膜的形成过程有很大差别。
同时给薄膜带来一系列的影响，除了使膜与基 体的附着力增加以外，还会由于高能粒子轰击 薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构，或 使内部应力增加等，另外还可提高成核密度。
像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将会 对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄 膜半导体表面电导和场效应产生很大的影响，从 而影响半导体器件性能。
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（2）薄膜和基片的粘附性
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）。
图1-1为典型CVD反应步骤的浓度边界模型
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图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型 编辑ppt
二、真空蒸发薄膜的形成过程
真空蒸发薄膜的形成一般分为： 凝结过程 核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程
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（一）凝结过程
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气 相原子、离子或分子入射到基体表 面之后，从气相到吸附相，再到凝 结相的一个相变过程。
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另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒 比电子能量E要大得多，根据量子力学知识，这些 电子有一定的几率，穿过势垒，称为隧道效应。
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（6）容易实现多层膜
多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积 在同一个衬底上（也称为复合膜），以改 善薄膜同衬底间的粘附性。
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（二） 薄膜的形成与生长
薄膜的形成与生长 有三种形式，如图 1-2所示： （a）岛状生长模式 （b）层状生长模式 （c）层岛结合模式
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三、 溅射薄膜的形成过程
由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大 的能量，所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发 制膜的形成过程有很大差别。
同时给薄膜带来一系列的影响，除了使膜与基 体的附着力增加以外，还会由于高能粒子轰击 薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构，或 使内部应力增加等，另外还可提高成核密度。
像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将会 对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄 膜半导体表面电导和场效应产生很大的影响，从 而影响半导体器件性能。
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（2）薄膜和基片的粘附性
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）。
图1-1为典型CVD反应步骤的浓度边界模型
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图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型 编辑ppt
二、真空蒸发薄膜的形成过程
真空蒸发薄膜的形成一般分为： 凝结过程 核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程
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（一）凝结过程
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气 相原子、离子或分子入射到基体表 面之后，从气相到吸附相，再到凝 结相的一个相变过程。
薄膜种类及特性
薄膜种类及特性 Revised by Petrel at 2021第一章：薄膜种类及特性一、PP（聚丙烯薄膜）1、BOPP（双向拉伸聚丙烯薄膜）特性如下：1)BOPP薄膜无色、无嗅、无味、无毒、卫生性能好、密度在0.92g/cm2。
2)BOPP薄膜刚性好，具有强韧性、透明度和光泽性。
3)BOPP薄膜拉伸强度高、抗冲击强度好、但抗撕裂强度低。
因此，两端不能留任何切口，否则在印刷复合时容易撕裂。
4)BOPP薄膜表面能低，涂胶或者印刷前需要进行电晕处理，有很好的印刷适应性，但有一定期限，过期后表面能也不好。
5)BOPP薄膜耐热性高，使用温度可达120℃，是通用塑料中最耐温的。
6)BOPP薄膜化学稳定性好，除强酸对它有腐蚀作用外，不溶于其他溶剂。
7)BOPP薄膜阻水性极佳，是阻水防潮最佳材料之一，吸水率<0.01%，但阻氧率极差。
8)BOPP薄膜也有不足，如积累静电，没有热封性等。
在高速运转的的生产线上需安装静电去除器。
2、消光BOPP消光BOPP的表层设计为消光（粗化）层，是外观的质感试于纸张。
消光BOPP与BOPP薄膜相比有以下特点：1)消光层有遮光作用，表面光泽度也就大大的减少。
2)必要时消光层可有热封性。
3)消光层滑爽性好，因表面粗化具有防粘性，膜卷不易粘结。
4)消光层的拉伸强度比通用的薄膜低。
二、CPP薄膜CPP薄膜即流延聚丙烯薄膜，是一种无拉伸、非定向聚丙烯薄膜。
按原料分为均聚CPP和共聚CPP，按作用分为通用CPP，镀铝(VMCPP），蒸煮CPP(RCPP)等。
特性如下：1)CPP薄膜透明度高、平整度高，但耐油性不是很好。
2)CPP薄膜耐温性好，但易变形，可具有热封性，不易反粘。
3)CPP薄膜手感好、遮光、具有一定挺刮度，不失柔韧性，热封性好。
4)CPP薄膜防湿防潮、阻氧性都很好。
5)CPP薄膜无毒、无味、无嗅、卫生性能好，密度在0.92g/cm2。
三、BOPET薄膜双向拉伸聚酯薄膜（BOPET,简称聚酯）是PET树脂在模挤后再双向拉伸缩制得。
第一讲_薄膜材料简介
薄膜材料的应用领域
光学应用：薄膜材料可用于制造各种光学器件，如眼镜、相机镜头等。
电子应用：薄膜材料可用于制造电子器件，如薄膜晶体管、太阳能电池等。
生物医学应用：薄膜材料可用于制造医疗器械，如人工心脏瓣膜、人工关 节等。 包装应用：薄膜材料可用于食品、药品等的包装，具有阻隔性能好、轻便 美观等优点。
环保需求：随着 环保意识的提高， 对环保型薄膜材 料的需求越来越 大，这也将成为 未来市场发展的 重要趋势。
06
薄膜材料的安全和环保问题及应对 措施
薄膜材料的安全问题及应对措施
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薄膜材料的安全问题：主要包括生产过程中的安全问题、使用过程中的安全问题以及废弃处理 时的安全问题。
应对措施：加强生产和使用环节的安全管理，提高员工的安全意识；采用环保型材料，减少对 环境的污染；加强废弃处理的管理，避免对环境造成二次污染。
薄膜材料的工艺流程
制备方法：物 理气相沉积、 化学气相沉积、 溶胶-凝胶法等
工艺流程：原 料选择、表面 处理、薄膜生 长、后处理等
影响因素：温 度、压力、气
氛、基底等
工艺特点：成 本低、可控制 性强、适用于 大规模生产等
不同制备方法的比较和选择
物理气相沉积法：利用物理过程将材料气化，再在一定条件下沉积成薄膜
的市场需求
汽车行业：汽 车轻量化趋势， 使得对高强度、 耐腐蚀的薄膜 材料需求增加
薄膜材料的发展趋势
环保化：随着环保意识的提高，对环保型薄膜材料的需求将不断增加。 高性能化：对薄膜材料的性能要求越来越高，需要不断研发高性能的薄膜材料。 智能化：随着物联网、智能家居等领域的快速发展，对智能型薄膜材料的需求也将不断增加。 多功能化：为了满足不同领域的需求，需要开发具有多种功能的薄膜材料。
第一章 薄膜及其特性-修改
随着科技工作的不断发展和深入，薄膜领域也在不断扩展，不同的应用领域对 薄膜的厚度有不同要求。所以有时把厚度为几十微米的膜层也称为薄膜。通常 是几个纳米到几十个微米，这也就是薄膜物理所研究的范围。
●薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄 层。 ●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、 膏状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷(Print)、热喷涂(Spray) 历史：陶瓷表面上釉
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
பைடு நூலகம்
三、定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的 一薄层固态物质 。 ●强调基板必不可少；
——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
●强调制备方法；
——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度：薄膜 < 1m ； 厚膜>10m
③分光镜和滤光片 彩色扩印与放大设备中所用红、绿、蓝三原色滤光片上镀的多层 膜。 ④照明光源中所用的反热镜与冷光镜薄膜。
⑤建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃
热带地区的太阳能控制膜（Cr、Ti、不锈钢、Ag等）和用于寒带 地区的低辐射率薄膜（TiO2－Ag－TiO2、ITO膜等）。 ⑥激光唱片与光盘中的光存储薄膜， Te81Ge15S2Sb2硫系半导体化合物薄膜、TbFeCo非晶膜。 ⑦集成光学元件与光波导中所用的介质薄膜与半导体薄膜。
• 薄膜的生长模式可归纳为三种形式： • （1）岛状生长模式（Volmer-Weber模式）： • 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核， 后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使 核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 • 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶 格不相匹配时出现，大部分的薄膜的形成过 程属于这种类型。 • 成膜初期按三维形核方式，生长为一个个孤 立的岛，再由岛合并成薄膜。例如SiO2基片 上的Au薄膜。这一生长模式表明，当沉积物 中的原子或分子彼此间的结合较之与基片的 结合强很多时（即被沉积物质与衬底之间的 浸润性较差），就会出现这种生长模式。在 绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母基片上沉 积金属时，大多数显示出这一生长模式。
●薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄 层。 ●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、 膏状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷(Print)、热喷涂(Spray) 历史：陶瓷表面上釉
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
பைடு நூலகம்
三、定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的 一薄层固态物质 。 ●强调基板必不可少；
——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
●强调制备方法；
——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度：薄膜 < 1m ； 厚膜>10m
③分光镜和滤光片 彩色扩印与放大设备中所用红、绿、蓝三原色滤光片上镀的多层 膜。 ④照明光源中所用的反热镜与冷光镜薄膜。
⑤建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃
热带地区的太阳能控制膜（Cr、Ti、不锈钢、Ag等）和用于寒带 地区的低辐射率薄膜（TiO2－Ag－TiO2、ITO膜等）。 ⑥激光唱片与光盘中的光存储薄膜， Te81Ge15S2Sb2硫系半导体化合物薄膜、TbFeCo非晶膜。 ⑦集成光学元件与光波导中所用的介质薄膜与半导体薄膜。
• 薄膜的生长模式可归纳为三种形式： • （1）岛状生长模式（Volmer-Weber模式）： • 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核， 后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使 核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 • 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶 格不相匹配时出现，大部分的薄膜的形成过 程属于这种类型。 • 成膜初期按三维形核方式，生长为一个个孤 立的岛，再由岛合并成薄膜。例如SiO2基片 上的Au薄膜。这一生长模式表明，当沉积物 中的原子或分子彼此间的结合较之与基片的 结合强很多时（即被沉积物质与衬底之间的 浸润性较差），就会出现这种生长模式。在 绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母基片上沉 积金属时，大多数显示出这一生长模式。
薄膜制备技术课件分解
7. 薄膜制备技术 7.1 薄膜材料基础 7.1.1 薄膜的概念与分类
1. 薄膜材料的概念 采用一定方法,使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)
的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料 表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。
简而言之,薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维 材料。
2021/2/6
1
2. 薄膜分类
（1）物态
气态 液态 固态(thin solid film)
（2）结晶态:
非晶态：原子 有排 序 、长 列程 短无 。程序 晶态 多 单晶 晶： ：在 外、一 延 在衬 生 单 ，底 长 晶 由上 基 许生 底 多长 上 取 质同 向 外 集质 相 延 合和 异 体异 单 组
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热 蒸发或升华,由固态或液态变成气态。
2) 输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸 气压条件下由蒸发源输运到衬底。
3) 吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞， 衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核 与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。
The composition and crystal structure of films depend on material quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-annealing.
2021/2/6
8
原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟
5
代表性的制备方法按物理、化学角度来分,有:
1) 物理成膜 PVD 2) 化学成膜 CVD
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6
7.2 物理成膜 7.2.1 概述 1. 定义
1. 薄膜材料的概念 采用一定方法,使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)
的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料 表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。
简而言之,薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维 材料。
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2. 薄膜分类
（1）物态
气态 液态 固态(thin solid film)
（2）结晶态:
非晶态：原子 有排 序 、长 列程 短无 。程序 晶态 多 单晶 晶： ：在 外、一 延 在衬 生 单 ，底 长 晶 由上 基 许生 底 多长 上 取 质同 向 外 集质 相 延 合和 异 体异 单 组
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热 蒸发或升华,由固态或液态变成气态。
2) 输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸 气压条件下由蒸发源输运到衬底。
3) 吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞， 衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核 与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。
The composition and crystal structure of films depend on material quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-annealing.
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原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟
5
代表性的制备方法按物理、化学角度来分,有:
1) 物理成膜 PVD 2) 化学成膜 CVD
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7.2 物理成膜 7.2.1 概述 1. 定义
薄膜材料介绍课件
组织工程
薄膜材料可作为组织工程的支架材料，用于再生医学领域 。
其他领域
包装行业
薄膜材料在包装行业中 广泛应用，如食品包装 、药品包装等。
装饰行业
薄膜材料可用于制造各 种装饰品，如玻璃贴膜 、汽车贴膜等。
信息存储
薄膜材料可用于高密度 信息存储，如光盘和磁 记录介质。
05
薄膜材料的发展趋势与 挑战
新材料开发
分类
根据材料类型，薄膜材料可以 分为金属薄膜、绝缘体薄膜、 半导体薄膜、聚合物薄膜等。
根据制备方法，薄膜材料可以 分为物理气相沉积薄膜、化学 气相沉积薄膜、溶胶-凝胶法薄 膜等。
根据应用领域，薄膜材料可以 分为光学薄膜、电子薄膜、生 物薄膜、能源薄膜等。
通常具有较高的透明度，允许光线透过 ，适用于各种光学应用。
薄膜材料介绍课件
contents
目录
• 薄膜材料的定义与分类 • 薄膜材料的特性与性能 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的应用领域 • 薄膜材料的发展趋势与挑战
01
薄膜材料的定义与分类
定义
01
薄膜材料是指厚度在微米至纳米 范围内的薄层材料，通常由一种 或多种材料组成。
02
薄膜材料可以具有各种不同的性 质，如光学、电学、磁学、力学 等，这使得它们在许多领域都有 广泛的应用。
能源领域
太阳能电池
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其特点是薄、轻、可弯 曲。
燃料电池
薄膜材料可用于制造燃料电池的电极和隔膜。
储能电池
薄膜材料在储能电池领域也具有广泛应用，如锂离子电池的电极材料 。
生物医学领域
生物传感器
薄膜材料可用于制造生物传感器，用于检测生物分子和细 胞。
薄膜材料可作为组织工程的支架材料，用于再生医学领域 。
其他领域
包装行业
薄膜材料在包装行业中 广泛应用，如食品包装 、药品包装等。
装饰行业
薄膜材料可用于制造各 种装饰品，如玻璃贴膜 、汽车贴膜等。
信息存储
薄膜材料可用于高密度 信息存储，如光盘和磁 记录介质。
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薄膜材料的发展趋势与 挑战
新材料开发
分类
根据材料类型，薄膜材料可以 分为金属薄膜、绝缘体薄膜、 半导体薄膜、聚合物薄膜等。
根据制备方法，薄膜材料可以 分为物理气相沉积薄膜、化学 气相沉积薄膜、溶胶-凝胶法薄 膜等。
根据应用领域，薄膜材料可以 分为光学薄膜、电子薄膜、生 物薄膜、能源薄膜等。
通常具有较高的透明度，允许光线透过 ，适用于各种光学应用。
薄膜材料介绍课件
contents
目录
• 薄膜材料的定义与分类 • 薄膜材料的特性与性能 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的应用领域 • 薄膜材料的发展趋势与挑战
01
薄膜材料的定义与分类
定义
01
薄膜材料是指厚度在微米至纳米 范围内的薄层材料，通常由一种 或多种材料组成。
02
薄膜材料可以具有各种不同的性 质，如光学、电学、磁学、力学 等，这使得它们在许多领域都有 广泛的应用。
能源领域
太阳能电池
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池，其特点是薄、轻、可弯 曲。
燃料电池
薄膜材料可用于制造燃料电池的电极和隔膜。
储能电池
薄膜材料在储能电池领域也具有广泛应用，如锂离子电池的电极材料 。
生物医学领域
生物传感器
薄膜材料可用于制造生物传感器，用于检测生物分子和细 胞。
薄膜特性_精品文档
1.双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）双向拉伸聚丙烯薄膜是由聚丙烯颗粒经共挤形成片材后, 再经纵横两个方向的拉伸而获得的。
由于拉伸分子定向, 所以此薄膜的物理稳定性、机械强度、气密性较好, 透明度和光泽度较高, 坚韧耐磨, 是目前应用最广泛的印刷薄膜。
一般使用厚度为20～40 μm , 应用最广泛的为20 μm 。
其主要缺点是热封性差, 所以一般用做复合薄膜的外层薄膜, 如与聚乙烯薄膜复合后防潮性、透明性、强度、挺度和印刷性均较理想, 适用于盛装干燥食品。
由于双向拉伸聚丙烯薄膜的表面为非极性, 结晶度高, 表面自由能低, 因此, 其印刷性能较差, 对油墨和胶黏剂的附着力差, 在印刷和复合前需要进行表面处理。
2.低密度聚乙烯薄膜（LDPE）低密度聚乙烯薄膜一般采用吹塑和流延两种工艺制成, 流延聚乙烯薄膜的厚度均匀, 但由于价格较高, 目前很少使用。
吹塑聚乙烯薄膜是由吹塑级PE颗粒经吹塑机吹制而成的, 成本较低, 所以应用最为广泛。
低密度聚乙烯薄膜是一种半透明、有光泽、质地较柔软的薄膜, 具有优良的化学稳定性、热封性、耐水性和防潮性, 耐冷冻, 可水煮, 其主要缺点是对氧气的阻隔性较差, 常用于复合软包装材料的内层薄膜, 而且也是目前应用最广泛、用量最大的一种塑料包装薄膜, 约占塑料包装薄膜耗用量的40%以上。
由于聚乙烯分子中不含极性基团, 即其表面为非极性, 且结晶度高, 表面自由能低, 因此, 该薄膜的印刷性能较差, 对油墨和胶黏剂的附着力差, 因此, 在印刷和复合前需要进行表面处理。
3.（PET）聚酯薄膜是以聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料, 采用挤出法制成厚片, 再经双向拉伸制成的薄膜材料。
它是一种无色透明、有光泽的薄膜, 机械性能优良, 刚性、硬度及韧性高, 耐穿刺, 耐摩擦, 耐高温和低温, 耐化学药品性、耐油性、气密性和保香性良好, 是常用的阻透性复合薄膜基材之一, 但聚酯薄膜的价格较高, 一般厚度为12 μm, 常用做蒸煮包装的外层材料, 印刷适性较好。
1-V-1薄膜物理与技术-第一部分序言,第一章
最可几速率：
Vm
2KT m
算术平均速率：
8KT
Va m
均方根速率：
3KT
Vr m
分布函数：f(Vr)< f(Va)< f(Vm)
但：
Vm < Va < Vr
2.平均自由程 的定义：气体两次碰撞之间所走路程的
统计平均值
Va
z
Z----每秒一个气体分子与其他分子碰撞次数 d
薄膜物理与技术
任课老师 李金钗 武汉大学
序言
本课程主要包括三部分： 一. 真空科学与技术
1. 真空的基本知识 2. 真空的获得（各种真空泵原理、结构
及应用） 3. 真空的测量原理 4. 真空系统的组成、检漏及流导的计算
二. 薄膜物理 1. 薄膜的各种制备方法及原理 2. 薄膜厚度的测量 3. 薄膜的形成机理、晶体结构、缺陷 4. 薄膜的物理性质
真空浸漆等
(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa 1016~1013 个/cm3，加电场下会电离、液体沸点大大降低
(可用于真空脱水) (3) 高真空： 1×10-1~1×10-6 Pa 高真空下蒸发出的材料分子，按直线飞行
(4) 超高真空：<1×10-6 Pa n< 1010个/cm3 不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得
• 等离子体的形成、离子束的产生、注入均 需在真空条件下完成
第一部分 真空科学与技术
应用领域：
原子能技术、航天、薄膜制备、分析测试 电真空器件、微电子、轻工业、日常用品等
例：
1. 原子能技术 各种加速器（串列加速器、正负电子对撞机、慢
正电子束）
2. 航天技术： 地面模拟实验
第一章__薄膜的特征
第一章 薄膜的特征
1.1 薄膜的定义 1.2 表面效应 1.3 薄膜的结构和缺陷
1.1 薄膜的定义
1.薄膜的历史
3000 多年前，中国古代在陶瓷已开始采用釉涂层，到了唐宋 时代，彩釉工艺达到了顶峰。 19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。 20 世纪后，电解法、化学反应法和真空蒸镀法等薄膜制备方 法相继问世，薄膜技术迅速发展。光学薄膜最先得到研究和应 用，成功地制备了各种增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜等光 学薄膜，在光学仪器、太阳电池、建筑玻璃等领域得到广泛的 应用。 20 世纪 50 年代以后，微电子技术的进步极大地推动了 薄膜技术的进步。在现代的集成电路制作过程中，薄膜沉积和 刻蚀是必不可少的薄膜工艺。
s
对于块状材料，则有
Ldm TmSdm 0
（1-4）
L dA 2 , 将 S 代入式（1-3）得到： Tm dm r
Tm Ts 2 0 Tm Lr
可见， Tm Ts ，也就是说小球的熔点低于块材的 熔点，并r越小，熔点降得越低。Pb在r=10-7cm时， Tm-Ts=150K。 实验表明，薄膜材料的熔点普遍低于它相应块材的熔 点。
1.2 表面效应---表面散射
表面散射 薄膜材料比表面很大，其表面对电子输运现象影响 巨大。 沿薄膜表面的电流密度由下式给出（见课本P2）
m jx 2e h
3
V
x
fdV
可以根据其在膜厚方向的平均值和电场的关系 求得薄膜的电导率为：(见课本P2)
3(1 p) L 1 8d
薄膜和基片
薄膜大多是沉积在某种基片上，薄膜和基片构成 一个复合体系，存在着相互作用。附着、扩散 和内应力是薄膜的固有特征。 薄膜的附着力与内应力是首先要研究的问题。
1.1 薄膜的定义 1.2 表面效应 1.3 薄膜的结构和缺陷
1.1 薄膜的定义
1.薄膜的历史
3000 多年前，中国古代在陶瓷已开始采用釉涂层，到了唐宋 时代，彩釉工艺达到了顶峰。 19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。 20 世纪后，电解法、化学反应法和真空蒸镀法等薄膜制备方 法相继问世，薄膜技术迅速发展。光学薄膜最先得到研究和应 用，成功地制备了各种增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜等光 学薄膜，在光学仪器、太阳电池、建筑玻璃等领域得到广泛的 应用。 20 世纪 50 年代以后，微电子技术的进步极大地推动了 薄膜技术的进步。在现代的集成电路制作过程中，薄膜沉积和 刻蚀是必不可少的薄膜工艺。
s
对于块状材料，则有
Ldm TmSdm 0
（1-4）
L dA 2 , 将 S 代入式（1-3）得到： Tm dm r
Tm Ts 2 0 Tm Lr
可见， Tm Ts ，也就是说小球的熔点低于块材的 熔点，并r越小，熔点降得越低。Pb在r=10-7cm时， Tm-Ts=150K。 实验表明，薄膜材料的熔点普遍低于它相应块材的熔 点。
1.2 表面效应---表面散射
表面散射 薄膜材料比表面很大，其表面对电子输运现象影响 巨大。 沿薄膜表面的电流密度由下式给出（见课本P2）
m jx 2e h
3
V
x
fdV
可以根据其在膜厚方向的平均值和电场的关系 求得薄膜的电导率为：(见课本P2)
3(1 p) L 1 8d
薄膜和基片
薄膜大多是沉积在某种基片上，薄膜和基片构成 一个复合体系，存在着相互作用。附着、扩散 和内应力是薄膜的固有特征。 薄膜的附着力与内应力是首先要研究的问题。
薄膜的定义及特性及其应用
3
薄膜的制备技术
气相沉积法
薄
膜
的
本课程所要介绍的
制
制膜方法
备
技
术
溶液镀膜法
4
气相沉积法
气
物理气相沉积法 (PVD)
相
沉
积
法
化学气相沉积法 (CVD)
真空蒸发镀膜法 溅射镀膜法 分子束外延镀膜法 激光蒸发镀膜法 离子镀膜法 离子束辅助沉积
APCVD LPCVD PECVD L-CVD 5
14
薄膜材料科学与技术研究内容
• 材料的制备工艺（合成）技术：如何使某 一物质（块状、液态等）能成为薄膜形状？
• 研究薄膜具有哪些新的特性（包括光、热、 电、磁力等），研究这些特性的物理本质。
• 如何把这些薄膜材料应用于各个领域，尤 其是用于高新科技领域。
15
薄 薄膜的形成过程
膜
物 薄膜的结构与缺陷
• 薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成 电路：Ni-Cr（铬）系列低电阻率和Cr-SiO系列 高电阻率的金属膜电阻，以涤纶薄膜或聚丙烯薄 膜为基材（介质），以镀铝膜或镀锌膜为电极制 造的薄膜电容等。
• 薄膜太阳能电池：非晶硅、CuInSe2（硒）和 CdSe（镉）薄膜太阳电池。
19
• 平板显示器件：液晶显示、等离子体显示 和电致发光显示三大类平板显示器件所用 的透明导电电极（氧化铟锡薄膜）。
• 附着力：附着能对基片-薄膜间的距离微 分，微分最大值就是附着力。
35
Ⅰ范德华力
• 是永久偶极子、感应偶极子之间的作用力以及其 他色散力的总称。
• 用范德华力成功地解释了许多附着现象。 • 设两个分子间的相互作用能为U，
U3aAaB • IAIB 2r6 IAIB
薄膜的制备技术
气相沉积法
薄
膜
的
本课程所要介绍的
制
制膜方法
备
技
术
溶液镀膜法
4
气相沉积法
气
物理气相沉积法 (PVD)
相
沉
积
法
化学气相沉积法 (CVD)
真空蒸发镀膜法 溅射镀膜法 分子束外延镀膜法 激光蒸发镀膜法 离子镀膜法 离子束辅助沉积
APCVD LPCVD PECVD L-CVD 5
14
薄膜材料科学与技术研究内容
• 材料的制备工艺（合成）技术：如何使某 一物质（块状、液态等）能成为薄膜形状？
• 研究薄膜具有哪些新的特性（包括光、热、 电、磁力等），研究这些特性的物理本质。
• 如何把这些薄膜材料应用于各个领域，尤 其是用于高新科技领域。
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薄 薄膜的形成过程
膜
物 薄膜的结构与缺陷
• 薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成 电路：Ni-Cr（铬）系列低电阻率和Cr-SiO系列 高电阻率的金属膜电阻，以涤纶薄膜或聚丙烯薄 膜为基材（介质），以镀铝膜或镀锌膜为电极制 造的薄膜电容等。
• 薄膜太阳能电池：非晶硅、CuInSe2（硒）和 CdSe（镉）薄膜太阳电池。
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• 平板显示器件：液晶显示、等离子体显示 和电致发光显示三大类平板显示器件所用 的透明导电电极（氧化铟锡薄膜）。
• 附着力：附着能对基片-薄膜间的距离微 分，微分最大值就是附着力。
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Ⅰ范德华力
• 是永久偶极子、感应偶极子之间的作用力以及其 他色散力的总称。
• 用范德华力成功地解释了许多附着现象。 • 设两个分子间的相互作用能为U，
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第1章-光学薄膜基础知识
公元前468~376年
29
青岛大学物理科学学院
第1章 薄膜光学基础知识
国外：
《光学》——欧几里德
——比《墨经》 迟100年
平面镜成像 反射角=入射角
毕达哥拉斯、德漠克利特、柏拉图、 亚里士多德
十七世纪以前——罗马帝国的灭 亡——黑暗时代
培根——暗示过望远镜的可能性。
Euclid，公元 前330~275年
23
青岛大学物理科学学院
第1章 薄膜光学基础知识
有大气，看到太阳更早
没有大气，将迟一些看到太阳
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青岛大学物理科学学院
海 市 蜃 楼
第1章 薄膜光学基础知识
光经过不均匀的大气时发生折射，
形成的虚像。
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青岛大学物理科学学院
海市蜃楼
第1章 薄膜光学基础知识
26
青岛大学物理科学学院
第1章 薄膜光学基础知识
新概念、新材料、新设计、新方法、新应用
10
青岛大学物理科学学院
第1章 薄膜光学基础知识
2、什么是薄膜光学？
➢ 薄膜可分成两大部分，第一部分是光学薄膜，第 二部分是光学波导及其相应器件；
➢ 前者的特点是光横穿过薄膜而进行传播；后者的 特征是光沿着平行薄膜界面的方向在膜内传播，
➢ 对于光学薄膜，在一块基片上淀积五、六十层膜 并非罕见，涂镀工艺是比较成熟的；
T＝(0.97)7＝80.7%．
未镀膜： T=(0.92)7=55.7%
➢ 这比没有经过镀膜处理的系统提高了约25％的透射能量
7
青岛大学物理科学学院
第1章 薄膜光学基础知识
➢ 20世纪中期：主要是在薄膜设备的改进与镀膜产 品种类以及质量的提高得到了发展，形成了典型 的减反射、高反射、滤光片等光学薄膜器件；
第一章 薄膜概述
Year
1.2 薄膜的特性
1.2 薄膜的特性
1.2 薄膜的特性 •用料少，成本方面考虑 •新的效应 •新的材料 •容易实现多层膜 •薄膜和基片的粘附性 •薄膜的内应力 •缺陷
1.2 薄膜的特性
1.薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以
曲面加工。(研究和使用成本)
例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，
薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结构
不一定和相图相符合。
规定把与相图不相符合的结构称为异常结构，不过这是一 种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把 它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还 会慢慢地变为稳定状态。 Diamond: 工业合成, 2000℃，5.5万大 气压, CVD生长薄膜: 常压，800度.
1.4 薄膜材料研究进展 （1）新型半导体薄膜：GaN，SiC，
ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H
改进工艺，降低成本，研究新的应用
（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4
BCN
（3）纳米薄膜材料
（4）超晶格和量子阱薄膜
（5）无机光电薄膜材料：III-V，II-V
1.4 薄膜材料研究进展
薄膜示例
1.1 薄膜的例子
薄膜示例
1.1 薄膜的例子
薄膜示例
1800 1600 1400 1200
Web of Science中题目以 thin film为检索词的文章数
Counts
1000 800 600 400 200 0 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
1.3 薄膜的分类
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涂层
薄膜
厚膜
说明: 溶胶－凝胶(Sol-Gel)、金属有机物热分解 (MOD)、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法， 但从原理上更接近厚膜方法。
• 薄膜材料可用各种单质元素及无机化合物或有机材料来制 作薄膜，也可用固体、液体或气体物质来合成。 • 薄膜与块状物体一样，可以是单晶、多晶、微晶、纳米晶、 多层膜、超晶格膜等。 • Crystalline material is a material comprised of one or many crystals. In each crystal, atoms or ions show a long-range periodic arrangement. • Single crystal is a crystalline material that is made of only one crystal (there are no grain boundaries). • Grains are the crystals in a polycrystalline material. • Polycrystalline material is a material comprised of many crystals (as opposed to a single-crystal material that has only one crystal). • Grain boundaries are regions between grains of a polycrystalline material.
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
三、定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的 一薄层固态物质 。 ●强调基板必不可少；
——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
●强调制备方法；
——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度：薄膜 < 1m ； 厚膜>10m
• 薄膜的生长模式可归纳为三种形式： • （1）岛状生长模式（Volmer-Weber模式）： • 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核， 后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使 核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 • 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶 格不相匹配时出现，大部分的薄膜的形成过 程属于这种类型。 • 成膜初期按三维形核方式，生长为一个个孤 立的岛，再由岛合并成薄膜。例如SiO2基片 上的Au薄膜。这一生长模式表明，当沉积物 中的原子或分子彼此间的结合较之与基片的 结合强很多时（即被沉积物质与衬底之间的 浸润性较差），就会出现这种生长模式。在 绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母基片上沉 积金属时，大多数显示出这一生长模式。
随着科技工作的不断发展和深入，薄膜领域也在不断扩展，不同的应用领域对 薄膜的厚度有不同要求。所以有时把厚度为几十微米的膜层也称为薄膜。通常 是几个纳米到几十个微米，这也就是薄膜物理所研究的范围。
●薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄 层。 ●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、 膏状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷(Print)、热喷涂(Spray) 历史：陶瓷表面上釉
• （2）层状生长模式（Frank-van der Merwe模式）： • 特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆 盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层┅┅ • 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相 互之间键能的情况下发生这种生长方式的生长。 • 从成膜初期开始，一直按二维层状生长，例如Si基片上的 Si薄膜。当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积 物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核 阶段开始即采取二维扩展模式。在这一生长模式中，原子 或分子之间的结合要弱于原子或分子与基片的结合。这一 生长模式的最重要的例子是半导体膜的单晶生长。
Vacuum Atom
定义1的特点：
●强调了薄膜生长的机理与过程
Substrate
●仅仅适用于薄膜的气相生长方法，而不适用于液相法 ●也不能描述扩散、注入方法 ●强调了薄膜的生长必须依附基板
二、定义2（广义）：
夹在两个平行平面间的薄层。 上平面：空气 固体膜、液体膜 下平面：固体表面、液体 薄膜生长的四个阶段 • a)成核：在此期间形成许多小的晶核，按统计规 律分布在基片表面上； • b)晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶 体的形状； • c）岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络； • d）沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一 旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子 不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或 已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此 结合便形成薄膜。
第一章
薄膜及其特性
1.1 薄膜的几种定义
薄膜材料的概念：采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的 基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质， 这层新物质就是薄膜。
一、定义1（狭义）：
由单个的原子、离子、原子 团无规则地入射到基板表面， 经表面附着、迁徙、凝结、 Thin Film 成核、核生长等过程而形成 的一薄层固态物质。
• 1.2 薄膜的生长模式
• 薄膜的形成过程一般可分为凝结过程、核形成与长大过程、岛形成与 生长结合过程。射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其 中一部分被反射，另一部分在表面停留。停留于表面的原子、分子， 在自身所带能量及其基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散 （surface diffusion）及表面迁移（surface migration），一部分再蒸发， 脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。凝 结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成 连续的薄膜。