薄膜材料-第1章
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薄膜材料
4.其它薄膜
无机陶瓷过滤膜:膜分离是利用一张特殊制造的、具 有选择透过性能的薄膜（厚度从几微米、几十微米至 几百微米之间），在外力推动下对混合物进行分离、 提纯、浓缩的一种分离新方法。这种膜必须具有使某 些物质通过、某些物质不能通过的特性。根据膜皮层 空隙大小膜可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透 等。
阵列氧化锌纳米膜
2. 磁性薄膜：随着磁记录存储密度的不断提高， 由纳米尺度的铁磁金属颗粒如Fe、Co、Ni及其 合金等构成的磁性颗粒膜引起了人们极大的注 意，成为当前研究的热点。 Fe—Co合金薄膜，该合金薄膜中Fe的质量分数 为52％～86％，薄膜具有高度密集的细粒结构， 表面平滑光亮。特别适宜作薄膜磁头的磁极。
3.光学薄膜：差不多所有光学薄膜的特性都是基 于薄膜内的干涉效应。利用光学干涉薄膜可得 到各仲各样的光学特性。它可以减少表面的反 射率，增加元件的透射率。或者增加表面反射 率，减少透射率，或者在一个波段内给出高的 反射率、低的透射率，而在其余的波段则有低 的反射率、高的透射率，也可以使不同的偏振 平面有不同的特性等等。
薄膜材料
薄膜材料 本课程的主要内容 薄膜材料的应用
第一章 概 述
一、薄膜的定义
薄膜是一种二维材料，它在厚度方向上的尺寸很小，往往为 纳米至微米量级。薄膜是一种人造材料，其结构和性质与制备方 法和工艺条件密切相关。 从宏观上讲，薄膜是位于两个平面之间的一层物质，其厚度 与另外两维的尺寸相比要小得多。从微观角度来讲，薄膜是由原 子或原子团凝聚而成的二维材料。但是究竟“薄”至何等尺度才 可以认为是薄膜，并没有严格的界限。
热蒸发气相沉积法又叫真空蒸镀方法，它是在真至下 热蒸发气相沉积法 加热蒸发材料(蒸镀材料)．使其蒸发粒子沉积在基板表 面形成薄膜的一种方法．按照加热方式，热蒸发气相 沉积方法分为电阻加热、闪电加热、激光加热和电子 束加热等真空蒸镀方法，其中电阻加热方法是最常用 的方法，它是用钨、铂等灯丝直接加热蒸发材料，或 者把蒸发材料放在坩埚里间接加热，高熔点材料一般 用电子束加热方法，石墨等物质用电弧沉积方法．
薄膜材料性能表征方法介绍
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二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (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。装臵在透镜下面的磁场 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。 1、二次电子像 二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量 最低的一部分电子。二次电子低能量的特点表明，这 部分电子来自样品表面最外层的几层原子。用被光电 倍增管接收下来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描 亮度。由于样品表面的起伏变化将造成二次电子发射 的数量及角度分布的变化，如图（c），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子 束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实 际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。
C60
七、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 各点的位臵变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
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四、X射线衍射方法
特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X射线的衍射，衍射 现象发生的条件即是布拉格公式
《薄膜材料》PPT课件
浆料印刷法形成的膜层——厚膜，前者膜厚多，厚～ 200微米
薄膜的真空沉积法优点
可以得到各种材料的膜层 镀料气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），控 制气氛还可以进行反应沉积
通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以对界面结 构、结晶状态、膜厚等进行控制，还可制取多层膜、复合膜及 特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁，故便于通过 光刻制取电路图形
特别是可直接印刷电路图形。
典型的成膜方法
电镀和化学镀成膜
是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成 膜的方法
电镀 促进电场析出的还原能量由外部电源提供
化学镀 需添加还原剂，利用自分解而成膜
电镀或化学镀成膜的特点 可对大尺寸基板大批量成膜，与其他成膜方法 相比，设备投资低 需要考虑环境保护问题
为保证金属—半导体间连接为欧姆接触，要求： 金属与半导体的结合部位不形成势垒 对于ｎ型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小 对于ｐ型半导体，与上述相反 金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，电子 直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等
2、薄膜材料
导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料
2、薄膜材料 导体薄膜材料
材料的种类及性质 实际情形
单一种导体不可能满足上述所有要求 构成电子电路往往需要多种导体膜的组合
2、薄膜材料 导体薄膜材料
而且 相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积 层化，以达到上述各种要求
多层金属组合的实例
2、薄膜材料 导体薄膜材料
从道理上讲，这种方法ຫໍສະໝຸດ 以在任何基板上沉积任何物 质的薄膜，但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料 及合金材料的成膜
典型的成膜方法 ＣＶＤ法
薄膜材料有哪些
薄膜材料有哪些
薄膜材料是一种在工业和科技领域中应用广泛的材料，它具有轻薄、柔韧、透明、耐腐蚀等特点，在电子、光学、医疗、包装等领域有着重要的应用。
薄膜材料的种类繁多，下面将介绍一些常见的薄膜材料及其应用。
首先，聚酯薄膜是一种常见的薄膜材料，它具有优异的机械性能和化学稳定性，适用于印刷、包装、电子等领域。
在包装领域，聚酯薄膜常用于食品包装、药品包装等，其优异的透明性和耐热性能使得产品更加吸引人。
在电子领域，聚酯薄膜常用于制备电子元件、电池等，其优异的绝缘性能和耐高温性能使得电子产品更加稳定可靠。
其次，聚乙烯薄膜是另一种常见的薄膜材料，它具有良好的柔韧性和耐磨性，
适用于包装、农业覆盖、建筑防水等领域。
在包装领域，聚乙烯薄膜常用于塑料袋、保鲜膜等，其良好的密封性和抗拉伸性能使得产品更加实用。
在农业领域，聚乙烯薄膜常用于大棚覆盖、地膜覆盖等，其良好的透光性和抗老化性能使得作物更加茁壮生长。
此外，聚丙烯薄膜也是一种常见的薄膜材料，它具有良好的耐高温性和耐化学
腐蚀性，适用于医疗、包装、建筑等领域。
在医疗领域，聚丙烯薄膜常用于制备医用器械、医用包装等，其良好的无菌性和透明性能使得医疗产品更加安全可靠。
在包装领域，聚丙烯薄膜常用于制备各种包装袋、包装盒等，其良好的耐磨性和耐高温性能使得产品更加耐用。
总的来说，薄膜材料在现代社会中有着广泛的应用，不仅提高了产品的质量和
性能，也为人们的生活带来了便利。
随着科技的不断进步，薄膜材料的种类和应用领域还会不断扩展，相信在未来会有更多新型薄膜材料的涌现，为人类社会的发展做出更大的贡献。
薄膜制备技术：第一部分 绪论 田民波
薄膜制备技术
教材： 薄膜技术与薄膜材料 田民波 薄膜制备技术基础 麻莳立男
薄膜材料与薄膜技术 郑伟涛
真空镀膜 李云奇
课程内容
第一章 绪论：薄膜发展史 第二章 真空技术基础 第三章 薄膜生长与薄膜结构 第四章 真空蒸镀（重点MBE，PLD） 第五章 离子镀和离子束沉积 第六章 溅射镀膜 第七章 化学气相沉积
薄膜压力传感器
薄膜可燃气体传感器
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑤ 薄膜太阳能电池
非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑥ 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（ITO薄膜）、电致发光多层薄膜（包括ITO膜，ZnS： Mn等发光膜，Al电极膜等）组成的全固态平板显示器件及OLED显示 器件。 ITO薄膜
第一章: 绪论
薄膜技术发展历史
春秋战国时代，鎏金工艺
7世纪，溶液镀银工艺
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀
第一章: 绪论-薄膜技术发展历史
19世纪中叶，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等， 标志着薄膜技术的逐步成熟，但应用面仍很窄； 20世纪以来，特别是二战以后，随半导体技术的兴起，涌 现了以溅射法为代表的一大批新技术，在学术和实际应用 中取得丰硕成果；
薄膜材料的功能分类
薄膜分类（按功能及其应用领域）：
⑴ 电学薄膜
① 半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料： Si、Al、Cr、Pt、Au、多晶硅 SiO2、Si3N4、Ta2O5、SiOF薄膜。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
② 超导薄膜
铜基高温超导薄膜： YBaCuO； BiSrCaCuO ； TiBaCuO 铁基高温超导薄膜： LaFeOP；PrFeAsO0.89F0.11；FeSe。
教材： 薄膜技术与薄膜材料 田民波 薄膜制备技术基础 麻莳立男
薄膜材料与薄膜技术 郑伟涛
真空镀膜 李云奇
课程内容
第一章 绪论：薄膜发展史 第二章 真空技术基础 第三章 薄膜生长与薄膜结构 第四章 真空蒸镀（重点MBE，PLD） 第五章 离子镀和离子束沉积 第六章 溅射镀膜 第七章 化学气相沉积
薄膜压力传感器
薄膜可燃气体传感器
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑤ 薄膜太阳能电池
非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
⑥ 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（ITO薄膜）、电致发光多层薄膜（包括ITO膜，ZnS： Mn等发光膜，Al电极膜等）组成的全固态平板显示器件及OLED显示 器件。 ITO薄膜
第一章: 绪论
薄膜技术发展历史
春秋战国时代，鎏金工艺
7世纪，溶液镀银工艺
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀
第一章: 绪论-薄膜技术发展历史
19世纪中叶，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等， 标志着薄膜技术的逐步成熟，但应用面仍很窄； 20世纪以来，特别是二战以后，随半导体技术的兴起，涌 现了以溅射法为代表的一大批新技术，在学术和实际应用 中取得丰硕成果；
薄膜材料的功能分类
薄膜分类（按功能及其应用领域）：
⑴ 电学薄膜
① 半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料： Si、Al、Cr、Pt、Au、多晶硅 SiO2、Si3N4、Ta2O5、SiOF薄膜。
薄膜材料的功能分类
⑴ 电学薄膜
② 超导薄膜
铜基高温超导薄膜： YBaCuO； BiSrCaCuO ； TiBaCuO 铁基高温超导薄膜： LaFeOP；PrFeAsO0.89F0.11；FeSe。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
生长速率的增加而下降；低温下， Nf∝ HPf0，且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
基本薄膜材料范文
基本薄膜材料范文基本薄膜材料是一种非常薄的材料，通常厚度在纳米至微米的范围内。
它们广泛应用于电子设备、太阳能电池、可穿戴设备和医疗器械等领域。
基本薄膜材料具有很多优点，如轻质、柔韧、透明和高电导性等。
本文将介绍几种常见的基本薄膜材料。
1.氧化物薄膜材料：氧化物薄膜材料具有优异的电学、光学和磁学性质，在电子器件和能源转换领域具有广泛应用。
其中，氧化钇铈薄膜用于固态氧化物燃料电池，氧化锆薄膜用于陶瓷涂层，氧化铝薄膜用于绝缘材料。
2.碳化物薄膜材料：碳化物薄膜材料具有良好的机械性能和热传导性能，在涂层保护、陶瓷刀具和导热材料等领域有广泛应用。
其中，碳化硅薄膜用于涂层保护和光学镀膜，碳化钨薄膜用于硬质合金刀具。
3.金属薄膜材料：金属薄膜材料具有良好的导电性和热传导性，在电子器件、太阳能电池和导热界面材料等领域广泛应用。
其中，铜薄膜用于电子线路和导热材料，铝薄膜用于光学反射镜和电容器。
4.半导体薄膜材料：半导体薄膜材料具有特殊的电子能带结构和电学性质，在光电子学、光伏和集成电路等领域有广泛应用。
其中，硅薄膜用于太阳能电池和集成电路，化合物半导体薄膜材料如氮化物和磷化物用于光电子器件和激光器。
5.无机玻璃薄膜材料：无机玻璃薄膜材料具有很高的化学稳定性和光学透明性，在光学涂层、显示器件和光纤通信等领域广泛应用。
其中，氧化硅薄膜用于光学涂层和显示器件，氮化硅薄膜用于光纤通信。
6.有机薄膜材料：有机薄膜材料具有柔韧性、可塑性和可加工性等特点，在平板显示器、太阳能电池和柔性电子等领域有广泛应用。
其中，聚合物薄膜用于柔性显示器和太阳能电池，有机小分子薄膜用于有机发光二极管。
基本薄膜材料具有不同的特性和应用领域，其制备方法也存在差异。
一般来说，薄膜制备方法可分为物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法等。
物理气相沉积包括蒸发、激光蒸发、磁控溅射和分子束外延等方法；化学气相沉积包括化学气相沉积和气相热解等方法；溶液法则包括旋涂、喷涂、浸渍和印刷等方法。
第三章薄膜材料的制备
(6) 特殊蒸发方法—化合物和合金材料
a.闪蒸蒸发 又称瞬间蒸发，把薄膜 材料做成细小颗粒或粉 末状，通过一定装置使 其以极小的流量逐渐进 入高温蒸发源。使每个 颗粒都在瞬间完全蒸发， 以保证薄膜的组分比例 与合金相同。
闪蒸蒸发设备示意图
b．多源蒸发 将合金薄膜所需的元素各 自置于单独的蒸发源中， 同时加热，并独立控制各 蒸发源的温度，以使薄膜 的组分比例满足合金要求。 要求各蒸发源参数能独立 控制和指示，蒸发源间分 隔开，避免相互污染。
六硼化镧薄膜的电子束蒸发法制备 基底选用玻璃和钽片, 使用的设备为南光H44500-3 型超高真空镀 膜机。基底固定在一个不锈钢底座上, e型电子枪为加工的块状 LaB6 , 用来代替原设备中的钨阴极, 试验装置的基本结构如图。 实验过程中冷阱中持续添加液氮, 真空度控制在8×105~3×10- 4Pa 之间, 电子束加速级电压控制在4500V 左右, 电 流为80mA, 蒸发时间为15min 。蒸发过程中通过控制电子束能 量来实现对多晶材料蒸发速率的控制, 通过蒸发时间来控制蒸发薄
一、薄膜和薄膜材料分类
1、薄膜材料的概念
采用一定方法，处于某种状态的一种或几种物质 (原材料)的基团（离子、原子或分子）以物理或 者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，这层新物质就称为薄膜。
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。
2、薄膜的基本特征
多源蒸发装置示意图
c.反应蒸发(属化学成膜) 把活性气体导入真空室，使活性气体的原子、分子与来自 蒸发源的原子、分子在衬底表面反应，生成所需化合物。 这种方法在制作高熔点 化合物薄膜时经常被采 用。 例如：在空气或氧气中 蒸发Si来制备SiO2薄膜
第一章 薄膜技术与薄膜材料
选择时的注意事项： 在许多耐磨损应用中，对镀层－基体组合有许多严格的限制。 由镀层和基体热膨胀系数失配引起的热应力，对于高温条件下生长 的镀层是非常重要的 薄膜生长中产生的应力也会减弱附着力。 镀层的附着力应该足够高，以保证在上述应力作用下，不至于引起 基体－镀层界面的分离。 除了镀层的附着力之外，镀层本身的强度和塑性也至关重要。 对于许多耐磨损应用来说，镀层的硬度也极为重要。
画面对角线106cm的等离子壁挂彩电
PDP工作原理
通过显示电极和选址电极上施加的电压，在二者交点处引起 气体放电；通过控制放电位置和放电的强弱来实现动态显示。气 体放电产生的等离子体中射出紫外线照射涂敷于放电胞壁的荧光 层（发射Ｒ（红）、Ｇ（绿）、Ｂ（蓝）三原色光的荧光层）， 发出相应彩色的光，实现全色壁挂电视。
1.5.1 表面改性
定义:在保持块体材料固有特性的优点基础上，对表面进行加工处理， 使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法，统称为 表面改性。
1.5.1 表面改性
表面改性的手段，可分为两大类: (1) 表面处理技术（形成表面改性层）：通过物理的或化学的手段， 在物质表面层中引入反应成分，形成混合相或合成相，从而产生 新的功能和材料特性。 (2) 膜沉积技术（形成复合多层膜）：在基体材料表面析出或沉积 有别于基体材料的膜层，从而显示新的功能和材料特性。
CNT和富勒烯的结构模型 CNT和富勒烯的制作装置示意
1.3 薄膜制作简介
沉积薄膜的载体称为基板，沉积的薄膜（如铝等金属膜）物质为薄 膜材料。首先，将基板及含有薄膜材料的源（气化源）置于真空容 器（钟罩）中，抽真空，达到所需要的真空度。在真空室中，由气 源发出的镀料，以原子或分子状随机运动状态，以声速到数千倍声 速的高速度，向着基板飞行。
画面对角线106cm的等离子壁挂彩电
PDP工作原理
通过显示电极和选址电极上施加的电压，在二者交点处引起 气体放电；通过控制放电位置和放电的强弱来实现动态显示。气 体放电产生的等离子体中射出紫外线照射涂敷于放电胞壁的荧光 层（发射Ｒ（红）、Ｇ（绿）、Ｂ（蓝）三原色光的荧光层）， 发出相应彩色的光，实现全色壁挂电视。
1.5.1 表面改性
定义:在保持块体材料固有特性的优点基础上，对表面进行加工处理， 使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法，统称为 表面改性。
1.5.1 表面改性
表面改性的手段，可分为两大类: (1) 表面处理技术（形成表面改性层）：通过物理的或化学的手段， 在物质表面层中引入反应成分，形成混合相或合成相，从而产生 新的功能和材料特性。 (2) 膜沉积技术（形成复合多层膜）：在基体材料表面析出或沉积 有别于基体材料的膜层，从而显示新的功能和材料特性。
CNT和富勒烯的结构模型 CNT和富勒烯的制作装置示意
1.3 薄膜制作简介
沉积薄膜的载体称为基板，沉积的薄膜（如铝等金属膜）物质为薄 膜材料。首先，将基板及含有薄膜材料的源（气化源）置于真空容 器（钟罩）中，抽真空，达到所需要的真空度。在真空室中，由气 源发出的镀料，以原子或分子状随机运动状态，以声速到数千倍声 速的高速度，向着基板飞行。
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
电子薄膜技术PPT课件
17
Changes brings challenges:
Safer, easier, more comfortable, more economy, more happiness.
绪论
18
第18页/共37页
Challenge means opportunity
How can we make devices more
静电复印鼓用seteseteas合金薄膜及非晶硅薄绪论32铁电存储器绪论33课程教学内容绪论34化学镀电镀solgelmod液相外延水热法喷雾热解喷雾水解lb膜pvdcvd常压cvd低压cvd金属有机物cvd等离子体cvd光cvd热丝cvd真空蒸发evaperation溅射sputtering离子镀ionplating绪论35第一章真空技术基础第二章薄膜的物理气相沉积i蒸发法第三章薄膜的物理气相沉积ii溅射法及其他pvd方法第四章薄膜的化学气相沉积第五章化学溶液沉积法制备薄膜第六章薄膜生长过程和薄膜结构第七章薄膜材料的表征方法第八章薄膜材料及其应用绪论36ybco薄膜形貌绪论37在材料科学的各分支中薄膜材料科学发展的地位极为重要
绪论
3
4. 《Material Scienc第e3页o/共f 3T7页hin Films －
第一堂课主要内容
✓ 课程情况介绍 ✓ 课程考核方式 ✓ 薄膜材料的定义 ✓ 薄膜技术的发展 ✓ 课程教学内容
绪论4第4页/共3源自页课堂要求1、上课时必须将手机关机或静音；
2、上课不允许讲话，不允许做与本课程无关的事；
3、有事提前向老师请假（开假条），课上随机点名；
4、上课请杜绝睡觉；
5、如果出现破坏教学恶劣的行为立即上报系或者学
校给予处理；
6、上课不需要带电脑！
1-《材料物理性能》-第一章-概论
✓ 有多少行为，就对应地有多少性能。 ✓ 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 ✓ 性能必须量化，多数的性能都有量纲。
30
1.2 材料物理性能的本构关系及学习意义
◼ 物理学—凝聚态物理学—材料物理—材料(物理)性能：
材料性能的本质：
外界因素(作用物理量)作用于某一物体，如：应力、温度、电 场、磁场、辐照、化学介质等，引起原子、分子或离子及电子的微 观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈 一定的关系，其中与材料本质有关的一种常数——材料的性能。
7
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照人为加工程度区分：
✓天然材料：自然界原来就有未经 加工或基本不加工可直接使用
• 如棉花、沙子、石材、蚕丝、 煤矿、石油、铁矿、羊毛
✓合成材料：人为把不同物质经化 学方法或聚合作用加工而成
• 如塑料、合成纤维和合成橡胶
材料
天
合
然
成
材
材
料
料
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照物理化学属性区分：
课程简介
材料的物理性能
力学
电学 (介电)
热学
光学
功能转换
磁学
声学 核物理 。。。
15
课程简介
◼ 主要内容：
A. 材料物理性能(热学、电学、介电、光学、磁学等)的基本概 念、宏观规律及参数；
B. 材料物理性能和材料的组成、制备工艺、材料结构之间的关 系；
C. 材料物理性能的微观机理。
◼ 学习目标：
➢研究方法: 观测，实验，理论, 计算。
◼ 分类：
➢古典力学、电动力学、统计力学； ➢量子力学：研究微观粒子运动及相互作用的规律。
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1.2 材料物理性能的本构关系及学习意义
◼ 物理学—凝聚态物理学—材料物理—材料(物理)性能：
材料性能的本质：
外界因素(作用物理量)作用于某一物体，如：应力、温度、电 场、磁场、辐照、化学介质等，引起原子、分子或离子及电子的微 观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈 一定的关系，其中与材料本质有关的一种常数——材料的性能。
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知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照人为加工程度区分：
✓天然材料：自然界原来就有未经 加工或基本不加工可直接使用
• 如棉花、沙子、石材、蚕丝、 煤矿、石油、铁矿、羊毛
✓合成材料：人为把不同物质经化 学方法或聚合作用加工而成
• 如塑料、合成纤维和合成橡胶
材料
天
合
然
成
材
材
料
料
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照物理化学属性区分：
课程简介
材料的物理性能
力学
电学 (介电)
热学
光学
功能转换
磁学
声学 核物理 。。。
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课程简介
◼ 主要内容：
A. 材料物理性能(热学、电学、介电、光学、磁学等)的基本概 念、宏观规律及参数；
B. 材料物理性能和材料的组成、制备工艺、材料结构之间的关 系；
C. 材料物理性能的微观机理。
◼ 学习目标：
➢研究方法: 观测，实验，理论, 计算。
◼ 分类：
➢古典力学、电动力学、统计力学； ➢量子力学：研究微观粒子运动及相互作用的规律。
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1.3真空的基本知识 真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技 术和生产领域，它日益成为许多尖端科学、经济 建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础。作 为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、 航天技术的发展都离不开真空，它涉及冶金、化 工、医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用 真空技术。
1.3.1真空定义 自然真空 人为真空 真空：一种比较科学的定义是，真空就是低于一个 标准大气压的气体状态。 目前所能获得的最高真空度约为1×10-11Pa。 1.3.2真空度量单位 真空度的高低可用多个参量来度量，最常用的有 “真空度”和“压强”。此外，也可用气体分子密 度、气体分子的平均自由程等来表示。
2.电子学 2.1新型半导体薄膜材料
2.2高温超导薄膜材料
3.磁学
4.光学
隐形薄膜
Chapt.1 真空技术
1.1气体分子运动论基本概念 1.1.1气体分子的平均运动速度
1.1.2气体的温度与压力 PV = nRT
1.1.3气体分子的通量 Φ = nv/4 赫兹-克努森(Hertz-Knudsen)公式： Φ = 3.52×1022 P/(MT)0.5 (Torr/cm2.s)
工具，模具及摩擦运动零部件表面改性的理想材 料。
1.2超硬薄膜 指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。
1.2.1 纳米超晶格超硬复合膜
1.2.2 纳米晶-非晶超硬复合膜
这类硬质薄膜的结构特点是一种硬质相,通常是
过渡金属的氮化物以纳米尺度的微细晶粒嵌含在 另一种非晶中,可以获得超过40GPa的超高硬度。 硬质相的晶粒尺寸是影响复合膜硬度的主要因 素。 第二相为非晶,它应具有足够可塑性,和纳米晶粒 形成坚固的界面,避免晶界滑移是提高复合膜硬 度的关键技术。
使用扩散泵时要注意： 开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵本 身抽至1帕的预备真空，然后先通水后通电加热 泵油。工作过程中必须保证冷却水畅通。停机时， 先断开扩散泵加热电源，大约３０分钟泵油降至 室温时，再断冷却水，最后断开机械泵电源。这 样操作可防止或减小泵油氧化变质，提高真空的 清洁程度，延长使用寿命，保证系统的极限真空 度。 1-10-6Pa范围内工作。
>毫米汞柱(mmHg) >托(Torr) >帕斯卡(Pa) >标准大气压(atm) >巴(bar) >工程大气压(at)
1atm=1.01325×105 Pa; 1mmHg=133.322 Pa; 1Torr=133.322 Pa; 1bar=105 Pa; 1at=9.80665×104 Pa.
1.4.1旋片式机械真空泵
极限真空度可达10-1Pa
1.4.2罗茨泵 工作原理：在泵腔内，有 二个“8”字形的转子相互 垂直地安装在一对平行轴 上，由传动比为1的一对齿 轮带动作彼此反向的同步 旋转运动。在转子之间， 转子与泵壳内壁之间，保 持有一定的间隙，可以实 现高转速运行。
0° 90°
180°
1.3.3真空区域划分
1.4真空的获得 真空泵 >输运式真空泵： 通过将气体不断吸入并排出真空泵而达到排气的目 的。 旋片式机械真空、罗茨泵、涡轮分子泵、油扩散泵。 >捕获式真空泵： 利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的 气体吸附，以达到所需真空度。 低温吸附泵、溅射离子泵、钛泵 。
>前级泵： 直接从大气压下开始抽气，如机械泵、吸附泵等。 >次级泵： 只能从比大气压低的某一定压强下开始抽气，使 系统达到更高极限真空度，如扩散泵、钛泵等。
f(P)=K2P QG=K1+K2P Q=QR+QL+K1+K2P=K+K2P Q可以通过热电偶上的电动势ε来表示。
ε→P。
工作特点： 热偶真空规对不同气体的测量结果是不同的， 这是由于各种气体分子的热传导性能不同，因 此在测量不同气体时，需进行一定的修正。对 不同气体，各有不同的修正系数。 测量大致范围102-10-1Pa，过低或过高，会使得 其灵敏度下降。 1.5.2皮拉尼(Pirani)真空规
1.4.5低温吸附泵 影响真空度的因素： 主要有低温温度、 吸附物质的表面积、 被吸附气体的种类 等。 Po = Ps(300/T)0.5
工作特点：极限温度可达10-1－10-8Pa；成本高， 可在无油高真空环境中使用。除气：在200oC。
1.4.6溅射离子泵
1.4.7钛升华泵
为了克服钛升华 泵吸附惰性气体 差的缺点，通常 把它与溅射离子 泵配合使用或组 合成复合钛泵， 这样就可发挥各 自的长处。
特点： 靠新鲜钛膜的化学吸附作用抽气的真空泵。这 种泵具有结构简单、抽速大、无油污染、抗辐 射和无振动噪声等特点,启动压力为1～10-2帕， 工作压力范围为10-2～10-8帕,是获得无油超高 真空的重要真空泵。钛升华泵在电子器件、高 能加速器、可控热核反应装置和空间模拟装置， 以及表面物理试验等方面都得到广泛的应用。 极限压强：可达10-10Pa。
42%
50%
刀具
金属陶瓷刀具
2%
陶瓷刀具
6%
注:数控刀具及高速洗削中的球头铣刀100% 涂层
TiN是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料。
TiC 和TiCN，其显微硬度也从TiN 的20GPa提高 到大约28GPa。
类金刚石薄膜：DLC(Diamond like carbon)，最具工业应用 前景，最具魅力的薄膜材料。 特点： 表面极其平滑，摩擦系数低， 具有极好的润滑性，高硬度， 高耐磨性，绝缘膜。
使用要求： 启动钛升华泵需要1～10-2帕的预真空，同时进行 烘烤去气（泵每次暴露于大气压后都要进行烘烤 去气）。烘烤去气是获得超高真空的必要条件。 泵经彻底烘烤去气后，可以获得低的极限压力和 缩短达到极限压力的抽气时间，还能使泵壁更清 洁，沉积的钛膜不易脱落和避免放气等。一般以 300～400℃温度烘烤12～24小时。泵启动后泵壁 不宜马上冷却，应让升华的钛在其上沉积几分钟 后再冷却，这样钛膜就不易脱落。
Chapt.7 薄膜材料的应用
薄膜材料的应用
1.机械工业: 力功 能(硬质,润滑). 2.电子学: 电功能 (超导). 3.磁学: 磁功能. 4.光学: 光功能 (隐身).
1.机械工业 1.1硬质薄膜材料
欧美发达国家各种刀具所占比例
分类
所占比例 涂层比例
硬质合金刀具
50%
80%
高速钢与工具钢
扩散泵油成分一般为有机硅类化合物。在扩散 泵的工作过程中，泵油起着重要的作用。一般 对泵油有如下要求： 1）理论上讲，扩散泵的极限真空取决于泵油的 蒸气压。在室温下，一般要求油的饱和蒸气压 应低于10-4Pa。 2）在蒸发温度下，泵油应具有尽可能大的蒸气 压。 3）泵油应具有良好的化学稳定性、热稳定性和 抗氧化性。
1.1.4气体分子的平均自由程
1.2气体的流动状态 分子流状态： 黏滞流状态：层流状态，紊流状态
Kn准数: Kn D
分子流状态 Kn<1
黏滞流状态 Kn>110
过渡态
Kn=1-110
Re准数: Re vd
紊流状态 Re>2200 层流状态 Re<1200 过渡状 Re=1200-2200
1.5真空的测量 真空规 低真空最常用的测量手段： 热偶真空规，皮拉尼（Pirani）真空规 1.5.1热偶真空规
工作原理：
体系中的压强与热电
偶的电动势之间存在
这样一种关系
P↓→ε↑。因此，测Βιβλιοθήκη ε出了电动热，就可以
求出体系的压力。
具体的定量关系：
Q=QR+QL+QG Q-电热丝总发热量, QR-热辐射, QL-支持架的热传 导, QG -气体分子与热丝碰撞而带走的热量 QG=K1+f(P) 在低气压下，气体的导热系数与P成正比，
R
P
高真空最常用的测量手段： 电离真空规，薄膜真空规 1.5.3电离真空规
工作原理： 阴极发射出来的电子将在飞向阳极的过程中碰 撞气体分子，使气体分子电离。由离子收集极 接收电离的离子。 离子电流强度Ii与发射电子流Ie、气体的压强P 有如下线性关系 Ii＝kIeP。 工作特点： 可测压力上限不得超过1Pa左右，下限一般控制 在 10-6Pa ； 在 使 用 之 前 ， 常 进 行 除 气 处 理 (510min)。
45° 135°
极限真空 度可达102Pa，实际 工作压力 范围为 0.1-103Pa
1.4.3涡轮分子泵
/products/edwards_turbo_pump.asp
1.4.4油扩散泵
工作原理： 油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时，油 锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流 ﹐热运动的气体分子扩散到蒸气流中﹐与定向 运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得 动量﹐产生和油蒸气分子运动方向相同的定向 流动。到前级﹐油蒸气被冷凝﹐释出气体分子 ﹐即被前级泵抽走而达到抽气目的。
“硬质薄膜材料的最新发展及应用”---《真空》, 2003,6,1-5.
1.3 装饰用薄膜 1.4 固体润滑膜 固体润滑材料是一种重要的润滑材料，它是一类概念上 与传统润滑材料（润滑油、润滑脂）完全不同的新型润 滑材料，与传统润滑材料在摩擦界面上形成某种形式的 流体或半流体膜而起到有效的润滑作用相对应，固体润 滑材料主要是依靠材料本身及其转移膜的低剪切特性而 具有优良的抗磨和减摩的作用。固体润滑材料在性能上 极大突破了传统液体润滑材料的使用极限，这为解决现 代航天航空高技术机械急需解决的超低温、高温、超高 真空、微重力、强辐射、高速高负载、特殊介质等典型 特殊工况条件下的摩擦磨损问题提供了强有力的技术支 持。
1.5.4薄膜真空规
工作原理：
C
P
1.5.5真空规适用范围
1.5.6温度对真空测量的影响 黏滞流态：
温度差造成的测量误差趋近于零。 分子流状态：