薄膜材料的表征

薄膜材料的表征
新能源12级3班
杨铎
12191070
摘要：薄膜材料和薄膜器件日益广泛应用及其可靠性指标体系的日益健全，要
求学术界对其结构和性能的特殊性给出科学解释。

因此，薄膜材料的表征对材料的应用是至关重要的。

薄膜样品结构和性能的表征依赖测试设备及测试方法。

薄膜材料的表征参数通常包括薄膜厚度，这通常用探针法等进行测量；薄膜形貌表征，主要通过扫描隧道显微镜、原子力显微镜等进行测量；薄膜成分的表征，它主要用X射线电子能谱、俄歇电子能谱来测量；薄膜晶体结构的表征，它通常使用X射线衍射仪或电子衍射仪来测量；薄膜的应力表征，这可以通过直接测量变形量方法和简介X射线衍射测量方法等对其来进行测量。

通过对以上内容的概括和总结及对比总结出薄膜材料的测试的研究情况。

关键词：薄膜，测试，表征
1. 薄膜简介
1.1薄膜材料的发展
在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。

生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。

生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。

细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。

膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。

细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。

细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

1.2薄膜材料的应用
人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。

它的一个很重要的应用就是海水的淡化。

虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。

因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。

淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。

反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。

利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。

工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。

薄膜的应用还体现在表面化学上面。

在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。

喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。

更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾
功能衰竭患者的病死率。

2.薄膜厚度测量技术
2.1薄膜厚度的光学测量方法
在线测厚较为常见的在线测厚技术有β射线技术，X 射线技术和近红外技术。

2.1.1光的干涉条件
观察到干涉极小的条件是光程差等于（N+1/2）λ。

2.1.2 不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET ）和等色干涉条纹（FECO ）法 等厚干涉条纹的测量装置如图（a ）所示。

()2c o s n A B B C A N n d N θλ+-==s i
n s n θθ'=
首先，在薄膜的台阶上下均匀地沉积上一层高反
射率的金属层。

然后在薄膜上覆盖上一块半反半透的
平面镜。

由于在反射镜与薄膜表面之间一般总不是完
全平行的，因而在单色光的照射下，反射镜和薄膜之
间光的多次反射将导致等厚干涉条纹的产生。

等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要使用非单色光源照射
薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大出现的条件。

2.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
在薄膜与衬底均是透明的，而且它们的折射率分别为n1和n2的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1d 的变化而发生振荡，如图中针对n1不同，而n2=1.5时的情况所画出的那样，对于n1>n2的情况，反射极大的位置出现在
λ为单色光波长，m 为任意非负的整数。

在两个干涉极大之间是相应的干涉极小。

对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需要设计出强振荡关系的具体 测量方法。

（1）利用单色光入射，但通过改变入射角度（及反射角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉法（VAMFO ），其测量装置原理图如图。

（2）使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被称为等角反射干涉法（CARIS ）。

1
(21)4m d n λ+=1
(1)2m d n λ+=
2.1.4 β射线技术β射线技术是最先应用于在线测厚技术上的射线技术，在上世纪60年代就已经广泛用于超薄薄膜的在线厚度测量了。

它对于测量物没有要求，但β传感器对温度和大气压的变化、以及薄膜上下波动敏感，设备对于辐射保护装置要求很高，而且信号源更换费用昂贵，Pm147源可用5-6年，Kr85源可用10年，更换费用均在6000美元左右。

2.1.5 X射线技术这种技术极少为薄膜生产线所采用。

X光管寿命短，更换费用昂贵，一般可用2-3年，更换费用在5000美元左右，而且不适用于测量由多种元素构成的聚合物，信号源放射性强。

X射线技术常用于钢板等单一元素的测量。

2.1.6 近红外技术近红外技术在在线测厚领域的应用曾受到条纹干涉现象的影响，但现在近红外技术已经突破了条纹干涉现象对于超薄薄膜厚度测量的限制，完全可以进行多层薄膜总厚度的测量，并且由于红外技术自身的特点，还可以在测量复合薄膜总厚度的同时给出每一层材料的厚度。

近红外技术可用于双向拉伸薄膜、流延膜和多层共挤薄膜，信号源无放射性，设备维护难度相对较低。

2.1.7 在线测厚设备的应用情况在线测厚能够以最快的速度获取厚度测试数据，通过数据分析，及时调整生产线的参数，缩短开车时间。

但是在线测厚设备必须配备与生产线相匹配的扫描架，这在一定程度上限制了在线测厚设备的重复利用。

而且由于薄膜生产线往往需要长期连续工作，因此相应的在线测厚设备也就必须长期工作。

在设备的价格上，在线测试设备一般要比非在线测试设备贵很多，而且前者的运行费用与维护费用也比较高。

2.2薄膜厚度的机械测量方法
机械测厚仪机械测厚仪可以分为点接触式和面接触式两类，是一种接触式测厚方法，它与非接触式测厚方法有着本质的区别——能够在进行厚度测量前给试样测量表面施加一定的压力（点接触力或面接触力），这样可以避免在使用非接触式测厚仪测量那些具有一定压缩性、表面高低不平的材料时可能出现数据波动较大的现象。

机械测厚仪采用最传统的测厚方法，数据稳定可*，对试样没有选择性。

由于机械测厚仪的测试精度主要取决于测厚元件的精度，所以市场上的机械测厚仪的测试精度参差不齐。

此外，机械测厚仪的核心元件——测量头及测量面——对于微小的振动都十分敏感，所以在有振源的环境中测量精度没有任何意义。

为了避免自身的振动，并尽可能地减少外界振动的影响，设备底座都采用重而宽的金属制成，这在一定程度上保证了测厚精度，却也给机械测厚仪的小型化和轻便化带来了很大的困难。

环境温度和风速同样可以影响传感器的精度，因此必须在实验室环境内使用。

国际
上制定了很多关于机械式测厚设备的标准（这在包装材料测厚领域内是比较罕见的，其它类型的测厚设备少有标准的支持），ISO 534：1988，ISO 4593：1993，ASTM D 645-97，GB/T 6672-2001等。

需要指出的是，常见的机械测厚仪有点接触式测厚仪和面接触式测厚仪两类，由于测量头与试样的接触面积不同，测量头的施力不同，施力速度不同，相同的试样（这里假设厚度均匀一致）使用这两类测厚仪很可能得到不同的测试结果，这主要是由于可压缩试样在不同的情况下产生的形变率往往不相同。

因此，在选择机械测厚仪测试时必须严格执行所参照标准的测试条件和测试要求。

2.2.1 表面粗糙度仪法
用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直方向的移动
情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗糙度仪法。

这种方法不仅可以被用来测 量表面粗糙度，也可以被用来测量薄膜台阶的高度。

优点：简单，测量直观；
缺点：（1）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；
（2）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。

2.2.2 称重法
如果薄膜的面积A 、密度ρ和质量m 可以被精确测定的话，由公式
就可以计算出薄膜的厚度d 。

缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A 的测量精度。

3. 薄膜结构的表征方法
薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。

其中薄膜结构的研究可以依所研究的尺度 范围被划分为以下三个层次：
（1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；
（2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩
散层及薄膜织构等；
（3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组
态等。

针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。

3.1 X 射线衍射
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：2dsin θ=n λ其中，λ为入射的X 射线波长，d 为相应晶体学面的面间距，θ为入射X 射线与相应晶面的夹角,而n 为任意自然数。

上式表明，当晶面与X 射线之间满足上述几何关系时，X 射线的衍射强度将相互加强。

因此，采取收集射和衍射X 射线的角度信息及强度分布的方法，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等一系列有关的材料结构信息。

3.2 低能电子衍射（LEED ）和反射式高能电子衍射（RHEED ）
由2dsin θ=n λ可知，要想对薄膜的表面进行研究，可以采取两种方法。

1、采用波长较长的电子束，对应的电子束入射角和衍射角均比较大。

由于这时
m d A ρ
=
的电子能量较低，因而电子束对样品表面的穿透深度很小。

2、采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束。

这时，对应的电子入射角和
衍射角均较小，因而穿透深度也只限于薄膜的表层。

4.薄膜成分的表征方法
4.1原子内的电子激发及相应的能量过程
在基态时，原子内层电子的排布情况可如示意性地如图(a)所示，其中，
K、L、M分别表示了1s、2s-2p、3s等电子态的相应壳层，而用L1、L2，3表示
2s和2p两个亚壳层的电子态。

在外部能量的激发下，比如在外来电子的激发下，原子最内层的K壳层上的电子将会受到激发而出现一个空的能态，如图(b)所示。

根据其后这一电子态被填充的过程不同，可能发生两种情况。

（1）这一空能级为一个外层电子，比如M或L层的电子所占据，并在电子跃迁的同时放出一个X射线光子，如图(c)所示。

（2）空的K能级被外层电子填充的同时并不发出X射线，而是放出另一个外层电子，如图(d)所示。

这一能量转换过程被称为俄歇过程，相应放出的电子被
称为俄歇电子。

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