无机材料合成与制备

目前，光学薄膜、集成电路薄膜、太阳能电池薄膜、液晶 显示薄膜、刀具硬化膜、光盘磁盘等方面均有相当大的生 产规模和经济效益。
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§1-1 薄膜定义、组织、厚度
A. 薄膜定义：
薄膜：当材料的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度， 往往为纳米至微米量级，将这样的材料称之为薄膜；
通常薄膜的划分具有一定随意性，一般分为厚度大于1 μm 的厚膜及小于1 μm的薄膜，本章所指的薄膜材料主要是无 机薄膜。
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形态1型：在温度很低、气体压力较高的情况 下，入射粒子的能量很低，这种情况下形成的 薄膜微观组织。
由于温度低，原子的表面扩散能力有限，沉积到衬底表面的
原子即已失去了扩散能力。导致沉积的薄膜组织呈现一种数十纳
米直径的细纤维状的组织形态，纤维内部陷密度很高或者就是非
晶态的结构；纤维间的结构明显疏松，存在着许多纳米尺寸的孔
与此同时，如果衬底的温度足够高，原子还可能在薄膜内 部经历一定的扩散过程。因而，原子的沉积过程可细分为三个 过程，即气相原子的吸附，表面的扩散以及薄膜内的扩散。
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由于上述过程均受到相应过程的激活能控制，因此薄膜结
构的形成将与沉积时的衬底相对温度Ts/Tm以及沉积原子自身的 能量密切相关。
厚度：两个完全平整的平行平面之间的距离，是一个几何 概念。
理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。
实际上存在的表面是不平整和不连续的(针孔、杂质、晶 格缺陷和表面吸附分子等)，所以，要严格地定义和精确 测量薄膜的厚度实际上是比较困难的。
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实际表面和平均表面示意图。G－实际表面；P－平均表面。
薄膜：是指在基板的垂直方向上所堆积的1~104的原子层
或分子层。在此方向上，薄膜具有微观结构。
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B. 薄膜组织
薄膜的微观组织(形态)与薄膜制备工艺条件(例如气压、温 度、功率等影响因素)密切相关；
一般来说，足够厚的薄膜的晶格结构与块体相同，只有在 超薄薄膜中其晶格常数才与块材时明显不同；
平均表面：是指表面原子所有的点到这个面的距离代数和 等于零，因而是一个几何概念；
基片表面SS：指基片一侧的表面分子集合体的平均表面；
薄膜形状表面ST：指薄膜上不与基片接触的那一侧的表面
的平均表面；
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薄膜质量等价表面SM：将所测量的薄膜原子重新排列，使 其密度和块状材料相同且均匀分布在基片表面上，这时形
薄膜的晶体结构与沉积时吸附原子的迁移率有关，它可以 从完全无序，即无定形非晶膜过渡到高度有序的单晶膜， 即薄膜的晶体结构包括单晶、多晶和非晶结构(？)。
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薄膜的四种典型组织形态：
在薄膜沉积的过程中，入射的气相原子首先会被衬底或薄 膜表面所吸附。若这些原子具有足够的能量，它们将在衬底或 薄膜表面进行一定的扩散(迁移)，除了可能脱附的部分原子之 外，其他的原子将到达薄膜表面的某些低能位置并沉积下来。
下面我们以溅射方法制备的薄膜为例，讨论沉积条件对于
薄膜微观组织的影响。溅射方法制备的薄膜组织可依沉积条件
不同而呈现四种不同的组织形态。实验表明，除了衬底温度因
素以外，溅射气压对薄膜结构也有着显著的影响。这是因为，
溅射的气压越高，入射到衬底上的粒子受到气体分子的碰撞越
频繁，粒子的能量也越低。
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蒸发法制备的薄膜与溅射沉积薄膜的组织相似，也可被相应 地划分为上述四种不同的形态。
在形态1和形态T型低温薄膜沉积组织的形成过程中，原子的 扩散能力不足，因而这两类生长又称为低温抑制型生长。与此相 对应，形态2型和形态3型的生长称为高温热激活型生长。
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C. 薄膜厚度
薄膜厚度是影响薄膜应用的一个重要参量；
第四篇 无机薄膜材料的制备
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第一章 无机薄膜材料的制备
1 薄膜定义、组织、厚度 2 薄膜的形成与生长机制 3 薄膜的物理制备方法
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作为特殊形态材料的薄膜科学，已经成为微电子、信息、 传感探测器、光学及太阳能电池等技术的基础；
当今薄膜科学与技术已经发展为一门跨多个领域的综合性 学科，涉及物理、化学、材料科学、真空技术和等离子体 技术等领域；
成的平均表面；
薄膜物性等价表面SP：根据测量薄膜的物理性质等效为一 定长度和宽度与所测量的薄膜相同尺寸的块状材料的薄膜，
这时的平均表面；
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洞。
此种薄膜的强度很低。随着薄膜厚度的增加，细纤维状组织
进一步发展为锥状形态，其间夹杂有尺寸更大的孔洞，而薄膜表
面则呈现出与之相应的拱形形貌。
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形态T型：介于形态1和形态2之间的过渡型。
此时，沉积的温度仍然很低，但与形态1时的情况相比，原 子已具备了一定的表面扩散能力。因此，虽然薄膜组织仍然保持 了细纤维状的特征，纤维内部陷密度较高，但纤维边界明显地较 为致密，纤维间的孔洞以及拱形的表面形貌特征消失。同时，薄 膜的强度较形态1时显著提高。
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形态3型：
衬底温度的继续升高(Ts/Tm >0.5)使得原子的体扩散开始发挥 重要作用。此时，在沉积进行的同时，薄膜内将发生再结晶的过 程，晶粒开始长大，直至超过薄膜的厚度。薄膜的组织变为经过 充分再结晶的粗大的组织，晶粒内部缺陷密度很低。
在形成形态2和形态3型组织的情况下，衬底温度已经较高， 因而入射粒子能量对薄膜组织的影响变得比较小。
溅射气压越低，即入射粒子的能量越高，则发生形态1组织
向形态T组织转变的温度就越低。这表明，入射粒子能量的提高
有抑制形态1型组织出现，促进形态T型组织出现的作用。
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形态2型：当温度介于Ts/Tm=0.3~0.5区间内， 原子表面扩散进行得较为充分时形成的薄膜。
此时，原子在薄膜内部的体扩散虽不充分，但原子的表面扩 散能力已经很高，已可进行相当距离的扩散。在这种情况下，形 成的组织为各个晶粒分别外延而形成的均匀的柱状晶组织，柱状 晶的直径随沉积温度的增加而增加。晶粒内部缺陷密度较低，晶 粒边界的致密性较好，这使得薄膜具有较高的强度。同时，各晶 粒的表面开始呈现出晶体学平面所特有的形貌。