纳米薄膜制备及性能

薄膜的应用
薄膜在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用
➢ 光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、 偏振镜等；
➢ 电子器件中用的薄膜电wenku.baidu.com，特别是平面型晶体管和超大规模 集成电路也有赖于薄膜技术来制造；
➢ 硬质保护膜可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强 表面的耐磨程度；
➢ 在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具 有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用；
纳米薄膜
• 薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛， 单质元素、化合物或复合物，无机材料或 有机材料均可制作薄膜。
• 薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、 多晶态的或单晶态的。
• 近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技 术、分析方法、结构观察和形成机理等方 面的研究都取得了很大进展。其中无机薄 膜的开发和应用更是日新月异，十分引人 注目。
• (2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成， 其中薄膜沉积条件的控制显得特别重要，在溅射 工艺中，高的溅射气压、低的溅射功率下易于得 到纳米结构的薄膜。
• 在CeO2-x、Cu/CeO2-x的研究中，在160W、2030Pa的条件下能制备粒径为7nm的纳米微粒薄膜。
气相沉积的基本过程
(1)气相物质的产生
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
气相法薄膜形成的过程
薄膜的形成包括如下过程： (1)单体的吸附； (2)大小不同的各种小原子团(或称胚芽)的形成； (3)形成临界核(开始成核)； (4)由于捕获其周围的单体，临界核长大； (6)在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核； (6)稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛． 由于新 岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的面积； (7)在这些新暴露的面积上吸附单体，发生“二次”成核； (8)小岛长大，结合成为大岛，大岛长大、相互结合．在新暴露 的面积发生“二次”或“三次”成核； (9)形成带有沟道和孔洞的薄膜； (10)在沟道和孔洞处“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续薄 膜．
• 薄膜技术目前还是一门发展中的边缘学科，其中 不少问题还正在探讨之中。
• 薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光 学性能、磁学性能、催化性能、超导性能等。
• 薄膜在工业上有着广泛的应用，而且在现代电子 工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在 这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了 一个国家的科技水平。
(3)气相物质的沉积
• 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以 形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若在沉积过程中，沉积物原子之间发 生化学反应形成化合物膜，称为反应镀。若用具有一定能量的离子轰击 靶材，以求改变膜层结构与性能的沉积过程称离子镀。
PVD的物理原理
衬底
扩散、吸附、凝 结成薄膜
5x1014m-2，最小扩散距离约为50nm．
2．结合阶段
• 对于小核，发生结合的时间小于0.1s，并且结合后增大了 高度，减少了在基片上所占的总面积．除此以外，结合前 具有良好晶体形状的核在结合时变为圆形．若在进一步结 合前尚有具够的时间，复合岛(即结合以后的小岛)会再次具 有晶体形状．在小岛阶段，晶体多为三角形．而在结合以 后，各岛常变为六角形．
5.1薄膜材料的制备
气相法 • 1. 真空蒸发 法 (源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反应共蒸发) • 2. 真空溅射法 磁控溅射，直流磁控测射（单靶(反应)溅射；多靶反应
共溅射：射频磁控溅射[单靶(反应)溅射；多靶反应共溅射 • 3. 离子束溅射 • 4. 化学气相沉积， 金属有机物化学气相沉积(MOCVD) ,热解化学气相沉
薄膜的形成包括如下过程：
1. 小岛阶段
• 在这个阶段中，包括成核和核生长．
• 在真空度为10-6Pa下，用物理气相沉积法制造薄膜，并且 同时用透射电镜观察成膜过程．结果发现，首先看到的是 大小相当一致的核突然出现，其线度为2-3nm，其形状是 三维的，并且平行基片表面的两维大于垂直向的第三 维．这说明核的生长主要是由于吸附单体在基片表面的扩 散，而不是由于气相原子的直接碰撞．例如，以MoS2为基 片、在400C下成膜时，Ag或Au膜的起始核密度约为
➢ 磁性薄膜具有记忆功能，在电子计算机中作存储记录介质而 占有重要地位。
纳米薄膜分类
• 纳米薄膜分为三类： • （1）由纳米粒子组成(或堆砌而成)的薄膜， • （2）在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材
料。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜就属于第二 类纳米薄膜。 • （3）薄膜厚度在纳米级，或有纳米级厚度的薄膜交替重 叠形成的薄膜。
• 一种方法是使沉积物加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；另一种方 法是用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积物原子，称 为溅射镀膜。
(2)气相物质的输运
• 气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉 积物到达基片。在高真空度的情况下(真空度≤10-2Pa)，沉积物与残余 气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线到达基片，沉积速率较快； 若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过 程无法进行，或薄膜质量太差。
积(热解CVD),离子体增强化学气相沉积(PECVD),激光诱导化学气相沉积 (LCVD),波等离子体化学气相沉积(MWCVD) 液相法 • 5. 溶胶-凝胶(sol-gel法 • 6. 电镀法，化学镀 • 7 LB膜
• 真空蒸发镀膜： 在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适
当的表面上。它的优点是沉积速度较高，蒸发源结构简单， 易制作，造价低廉，但不能蒸发难熔金属和介质材料。最 大的缺点就是材料的利用率极低（试料在篮状蒸发源中以 立体角、在舟状蒸发源中以立体角四散开来）
• 真空溅射镀膜： 当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与
表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅 出来，落在衬底上形成薄膜。溅射镀膜材料的利用率大大 高于蒸发镀膜。
5.1.1气相法
纳米薄膜的获得主要通过两种途径：
• (1)在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成， 如采用共溅射方法制备Si／SiO2薄膜，在700— 900℃的N2气氛下快速退火获得纳米Si颗粒；