《薄膜材料》word版

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1、薄膜材料曾文杰材料物理一班20090340081．定义采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面形成一层新的物质，这层物质就是薄膜。简而言之，薄膜是由离子，原子或分子的沉淀过程形成的二维材料。薄膜不同于通常的气态、液态、固态和等离子态的一种新的凝聚态物质，可为气相、液相和固相或是它们的组合。薄膜与块体一样，可以是单晶、多晶、微晶、纳米晶、多层膜超晶格膜等。也可以是均相的或非均相的，对称的或非对称的，中性的或荷电的。2.背景薄膜的历史，要追溯到千多年以前。近30年来，才真正作为一门新型的薄膜科学与技术。薄膜材料及相关薄膜器件兴

2、起于20世纪60年代，是新理论，高科技高度结晶的产物。目前，薄膜材料已是材料学领域中的一个重要分支，是现代信息技术的核心要素之一。它涉及物理、化学、电子学、冶金学等学科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业、光学工业等方面有着特殊的应用，成为电子，信息，传感器光学，太阳能等技术的核心基础，逐步形成了一门独特的学科“薄膜学”。3.分类功能及其应用领域（1）电学薄膜（2）光学薄膜（3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜（4）有机分子薄膜（5）装饰膜（6）包装膜物质：1．气态2．液态3．固态结晶态1.非晶态：原子排列短程有序，长程无序。2.晶态（1）单晶：外延生长，在单晶衬底上同质和异质外延。（

3、2）多晶：在一衬底上生长，由许多取向相异单晶集合体组成。化学角度1．有机薄膜2．无机薄膜组成金属薄膜非金属薄膜4.特性薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，因此薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能影响较大。薄膜与基片之间的粘附性和附着力，以及内应力问题。（1）表面能级很大由于薄膜表面积与体积之比很大，致使薄膜材料的表面效应十分突出。表面能级：在固体的表面，原子周期排列的连续性发生中断。在这种情况下，电子波函数

4、的周期性当然也受到影响，把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆（Tamm）在1932年进行了计算，得到了电子表面能级或称塔姆能级。一般情况下，这些能级位于该物质体内能带结构的禁带之中，因此处于束缚状态。表面态的数目和表面原子的数目具有同一数量级，如Si原子面密度约为1015/cm2数量级，实验值为1014~1015/cm2左右。（2）薄膜和基片的粘附性薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就会存在一定的相互作用，这种相互作用表现形式是附着（adhesion）。薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，因此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面垂直的任一断面，断面两侧就会产生相互作用力

5、，称为内应力附着现象：相互接触的两种不同物质间的边界和界面。附着能：基片和薄膜属于不同种物质，两者之间的相互作用能就是附着能，可以看成是界面能的一种。附着力：附着能对基片-薄膜间的距离微分，微分最大值就是附着力。（3）内应力几乎对所有物质的薄膜，基片都会发生弯曲，原因是薄膜中有内应力存在弯曲的两种类型拉应力：使薄膜成为弯曲面的内侧，薄膜的某些部分与其他部分之间处于拉伸状态压应力：使薄膜成为弯曲面的外侧，薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态。。内应力的两种类型固有应力：本征应力，来自于薄膜中的缺陷，如位错。非固有应力：来自薄膜对衬底的附着力。由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数

6、和晶格失配能够把应力引进薄膜。由于金属薄膜与衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶格失配也能把应力引进薄膜。（4）异常结构和非理想化学计量比异常结构：薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结构不一定和相图符合。规定与相图不符合的结构称为异常结构。是一种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还会慢慢变成稳定状态。最明显的异常结构是Ⅳ族元素的非晶态结构。非晶态结构材料除了具有优良的抗腐蚀性能之外，其强度非常高，而且具有普通晶态材料无法比拟的电、磁、光、热性能。薄膜技术是制取

7、这些非晶态材料的最主要手段。（5）薄膜结构缺陷在薄膜的生长过程中存在大量的晶格缺陷态和局部的内应力。薄膜生成时的基片温度越低，薄膜中的点缺陷，特别是空位的密度越大，有的达到0.1at.%。空位在产生、移动的过程中，由于和其他空位合并会生长成大的空位。由2、3个单空位合并而形成的空位称为双空位和三空位。更大尺寸的空位称为空洞，常见于由PVD法制备的无机化合物薄膜中。薄膜中的位错容易发生在岛状膜的凝结过程。（6）量子尺寸效应当蒸发膜的厚度和传导电子的德布罗意波波长相接近时，电子垂直于膜面方向运动的能级就会变