第四章 薄膜的性质讲解

六、 表声波性能
表声波在压电介质中传播时，其质点位移 振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速 衰减，因此表声波能量主要集中在表面下 一二个波长的范围内。下图示出了压电介 质中表声波传播示意图。
压电介质中表声波传播示意图
表声波性能函数式
由于表声波的性质与体声波的不同，所以 压电材料在表声波方面所表现出的性能显 著地不同于它的体声波性能。 可将薄膜的表声波性能表达为下列函数式： 表声波性能=F（原材料，基片，薄膜结构， 波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度 波数积）
二、 体积电阻率
从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说， 8 10 cm 都希望它具有很高的电阻率，至少应该 v AIN薄膜的电阻率为2×1014~1×1015 cm ，远 高于108 cm ，因而在这方面AIN是十分优异的 薄膜。
有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其 电子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不 相同的。
第三节 薄膜的光学特性
当光照在薄膜上时，一部分光会被薄膜物 质所吸收，一部分光在薄膜表面被反射， 也有一部分光会穿过薄膜而透射出去。如 果是多层薄膜还会发生多重反射效应，其 计算结果很复杂。
薄膜材料的光学常数关系
固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系 n ( ) 确定的，而 n ( )有下列关系：
四、击穿场强
因为电介质的击穿场强属于强度参数，而 且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电 薄膜的击穿场强有相当大的分散性； 按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄 膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减少而 逐渐增大。但是实际上，因为薄膜中含有 不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著， 所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的 击穿场强反而急剧变小。
3、 内应力与薄膜的物理性能
（1）内应力引起磁各向异性，内应 力是通过磁致伸缩现象向薄膜提供能 量的。而且还对薄膜的磁性能产生影 响。 （2）内应力引起超导点的变化，如 引起Pb膜超导点的下降。
三、 提高黏附力的途径
（1）对基体进行清洁处理 （2）提高基体温度 （3）制造中间过渡层 （4）活化表面 （5）热处理 （6）晶格匹配 （7）用氧化方法 （8）用梯度材料
一、薄膜的黏附力
薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜 应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造 过程中普遍关心的问题。
1、附着现象
从宏观上看，附着就是薄膜和基体表面相 互作用将薄膜黏附在基体上的一种现象。 薄膜的附着可分为四种类型： ①简单附着； ②扩散附着； ③通过中间层附着； ④宏观效应附着。
第二节 压电薄膜的电学性质
一、 介电常数
压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有 差异。 在薄膜中常有较大的残留内应力以及测量 上的原因、 介电常数
压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原 因，除了因内应力大小和测试条件不同以 外，还因薄膜成分偏离化学式计量比和薄 膜厚度的差别； 一般认为，薄膜介电常数随厚度减薄而变 小。 另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率 的变化也会发生明显的变化。
第四章 薄膜的性质
第一节 薄膜的力学性能
薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体 之间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能， 附着性不好的薄膜无法使用。 薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很 大，薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜 材料之间的热膨胀系数的不同，也会使薄膜产生 应力，过大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失 效。 所以在各种应用领域中，薄膜的附着力与内应力 都是首先要研究的课题。
五、 体声波性能
体声波压电换能器的最重要的特性参数是 谐振频率 f 0 、声阻抗 Z a 和机电耦合系数 K。所以对压电薄膜的声速v及其温度系数、 声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。 而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒 的弹性、介电、压电和热性能，而且还与 压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择 优取向程度等密切相关。
附着的四种类型示意图
2、 附着表征
黏附力或者结合能的测定可分为两大类。 一类是机械法，另一类是形核法。
机械法大致有：①划痕试验法；②拉力试 验法；③剥离试验法；④磨损法；⑤离心 力试验法；⑥弯曲法；⑦碾压法；⑧锤击 法；⑨压痕法；⑩气泡法等。
二、 薄膜的内应力
我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方 法进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都 有内应力存在。 如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄 膜有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为张应 力； 如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜 有向外侧发生凸面弯曲的趋势，此力称为压应 力。 由此我们把薄膜内产生力矩的力称为内应力。
1、 内应力形成的原因
（1）热应力（热收缩效应） （2）相转移效应 （3）空位的消除 （4）界面失配 （5）杂质效应 （6）原子、离子埋入效应 （7）表面张力（表面能）
2、 内应力的测量
内应力的测量方法有： ①悬壁梁法； ②弯盘法； ③X射线衍射法； ④激光拉曼法。
n ( ) n( ) iK ( )
n ( ) 2 ( )
( ) 1 ( ) i 2 ( )
1 ( ) 这里 K ( ) 称为消光系数， 是介电常数的实部， 2 ( ) 是介电常数的虚部，它与固体中的基本跃迁有 关。以上结果可用于讨论薄膜材料的光学常数 关系。
三、 损耗角正切
AIN压电薄膜的介质损耗角正切 tg 0.003 ~ 0.005 ZnO薄膜的 tg 则较大，为0.005~0.01。这些 薄膜的 tg 之所以有这样大，是由于在这些薄 膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰 豫过程。 与介质薄膜类似，压电薄膜的 tg 随温度和 频率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。 另外，在薄膜厚度减小时， tg 趋向于增大。