《低维材料结构g》PPT课件

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1、第十二章低维材料结构本章提要本章简要介绍薄膜的形成、结构与缺陷、表面界面、尺寸效应、以及薄膜的附着和内应力等内容。重点掌握薄膜的组织结构、晶体结构、表面界面结构、表面点缺陷、以及尺寸效应。薄膜的定义（1）薄膜是两个几何学平面向所夹的物质，即在二维空间扩展，呈很薄的形态（2）薄膜的厚度，其尺寸范围从几个纳米到几十微米。①≤1μm的膜谓之薄膜②＞1μm的膜为厚膜具有一定能量的原子被基片吸附→形成小原子团→临界核→小岛→大岛→岛结合→沟道薄膜→连续薄膜。薄膜形成的顺序为(真空蒸发法）：12.1薄膜的形成12.1.1薄膜的形成过程12.1.1.1临界核的形成被吸附在基片表面上的气相原子进行扩散迁移

2、，当原子迁移到基片表面台阶或缺陷处，便容易停留在该处。在原子迁移过程中，可能遇到同类原子，相互碰撞而结合在一起。特别是在表面台阶和缺陷附近，遇到的几率更大，这样就形成原子团。一旦原子团中的原子数超过某一临界值，原子团进一步与其它吸附原子碰撞结合，从而向着长大方向发展而形成稳定的原子团。含有临界值原子数的原子团称为临界核，而稳定的原子团称为稳定的临界核。这就是临界核的形成。核形成过程若在均匀相中进行则称为均匀成核；若在非均匀相或不同相中进行则称为非均匀成核。12.1.1.2岛的长大与结合（1）岛状阶段（2）结合阶段临界稳定核形成后，再捕获其他吸附原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成

3、为小岛。随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相邻小岛可以互相联结合并为一个大岛，这就是岛的结合12.1.1.3沟道薄膜的形成在岛接合以后，新岛进一步生长过程中，它的形状变为圆形的倾向减小。同时在新岛进一步接合的地方继续发生较大的变形。岛被拉长，连接成网状结构的薄膜，这种结构遍布不规则的窄形沟道（出现在岛的接合部）随着沉积的进行，在沟道中发生二次和三次成核，当核长大到和沟道边缘接触时，就连接到薄膜上。结果是大多数沟道被消除，薄膜变为连续的并含有很多不规则孔洞12.1.1.4连续膜的形成在沟道和孔洞消除之后，再入射到基片表面上的气相原子便直接吸附在薄膜上，通过接合而形成均匀连续膜。通常认为9

4、0%或者更多的基片表面被覆盖，仅有很窄的沟道形式的空洞。这时薄膜形成进入了连续膜的阶段在沟道和连续膜形成阶段，由于核或岛的接合可以使沟道和孔洞很快被填充而消失。这种效应的结果是消除高表面曲率区域，即沉积。此时表面逐渐变得很平滑，使薄膜的总表面自由能达到最小。12.1.2薄膜形成的理论基础（1）热力学界面能理论（成核和毛细作用理论）；（2）原子聚集理论（统计理论）。12.1.2.1热力学界面能理论基本思想是将一般气体在固体表面上凝结成微液滴的核形成理论应用到薄膜形成过程中的成核研究。“凝结成微液滴”意味着在薄膜形成过程中首先有一个热蒸发原子入射到基片表面后，从气相到吸附相，再到凝结相的相变过

5、程，称之为凝结过程。12.1.2.2原子聚集理论（统计理论）原子聚集理论的基本思路（1）原子团：把原子团看作是宏观分子，或大分子聚集体（2）临界核（3）临界核密度（4）成核速率：取决于临界核密度，核捕获范围及吸附原子向临界核运动速度①两种理论依据的基本概念是相同的，所得到的成核速率计算公式的形式也相同。所不同之处是两者使用的能量不同和所用的模型不同。②热力学界面能理论（毛细作用理论）适合于描述大尺寸临界核。因此，对于凝聚自由能较小的材料或者在过饱和度较小的情况下进行沉淀，这种理论是比较适宜的。对于小尺寸临界核，则原子聚集理论模型（统计理论）比较适宜。两种成核理论比较：12.2.1.1非晶态

6、结构或玻璃态结构非晶态结构是薄膜原子排列的无序结构在固体薄膜中，原子排列的无序并不是绝对的“混乱”，而是破坏了有序系统的某些对称性，形成一种有缺陷、不完整的有序，即存在短程（在2~3个原子距离内）有序性，而不存在长程有序性，这就是非晶态薄膜原子结构的特征。12.2.1薄膜的组织结构12.2薄膜的结构与缺陷12.2.1.2多晶结构多晶薄膜是通过岛状结构生长起来。由于各岛的生长方向不同，形成的晶粒不同，晶粒之间存在交界面，谓之晶界或晶粒间界在多晶薄膜中，晶界结构对薄膜的各种物理、化学性质有非常重要的影响12.2.1.3纤维结构具有纤维结构的薄膜是其晶粒有择优取向的薄膜。纤维结构的出现可以在成核

7、阶段、生长阶段，也可以在退火过程中。在玻璃基片上的ZnO压电薄膜是纤维结构薄膜的典型代表。在这种薄膜中，属于六方晶系的各个微小晶粒的C轴都垂直于基片表面而择优取向。12.2.1.4单晶结构单晶结构薄膜的特征是薄膜中原子排列有序，制备单晶结构薄膜的难度大，通常采用外延生长法（薄膜呈单晶状生长）制备薄膜。外延生长的基本条件：（1）吸附原子必须有较高的表面扩散速率，这样基片温度和沉积速率就相当重要。（2）晶格匹配，它是指基片与