《金属薄膜材料》PPT课件

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1、新型金属材料南京理工大学材料科学与工程系新型金属材料第6章金属薄膜材料南京理工大学材料科学与工程系本章主要内容金属薄膜的形成机理2金属薄膜的结构缺陷3金属薄膜的制备方法4金属薄膜材料的应用5金属薄膜材料概述11.金属薄膜概述糖果包装；药品胶囊封装；佛像贴金、宫殿装饰；更多的：计算机、家用电器、通讯产品等广泛应用。薄膜材料是什么？是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。它是一种二维的物质形态。薄膜材料有哪些优点？(1)实现微电子器件和系统微型化的最有效的技术手段；(2)

2、薄膜材料尺寸减小到接近量子化运动的微观尺度，显示出许多全新的物理现象；(3)薄膜材料可以将各种不同的材料复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系。1.金属薄膜概述薄膜材料的形核方式有哪些？－－三种方式生成三维的核型（Volmer-Weber型）原子在基片上先凝聚，然后生成核，进一步再将蒸发原子凝聚起来生成三维的核。大部分金属薄膜都以这种方式形成。2.金属薄膜的形成机理生成三维的核型薄膜材料的形成方式有哪些？－－三种方式(2)单层生长型（Frank-vanderMerwe型）先形成一个二维的层，然后一层一层地逐渐

3、形成金属薄膜。当基片和薄膜原子之间，以及薄膜原子之间相互作用都很强时才容易形成）。2.金属薄膜的形成机理单层生长型薄膜材料的形成方式有哪些？－－三种方式（3）单层上再生长核型（Stranski-Krastanov型）首先形成单层膜，然后再在单层上形成三维的核。只有在基片和薄膜原子相互作用非常强时会形成。这种形式实际上是介于前两种形式之中的一种，只有极其有限的基片和薄膜之间才能形成。2.金属薄膜的形成机理单层上在生长核型连续薄膜的形成中的核心吞并现象形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移逐渐长大，这一过程除了吸收单

4、个的气相原子之外，还包括核心之间的相互吞并联合的过程。2.金属薄膜的形成机理三种核心相互吞并机制（1）奥斯瓦尔多（Ostwald）机制；（2）熔结；（3）岛的迁移。2.金属薄膜的形成机理a.奥斯瓦尔多吞并b.熔结c.岛的迁移奥斯瓦尔多吞并和熔结方式的驱动力为表面自由能降低；奥斯瓦尔多吞并为气相扩散，吞并的是气相原子；熔结方式主要是表面扩散。岛的迁移的驱动力来自于热激活过程。原子团越小，激活能越低，原子团的迁移越容易。原子团的运动导致原子团的相互碰撞与合并。决定金属薄膜结构的条件？（1）薄膜原子与基片之间的相互作用

5、力；（2）薄膜原子与薄膜原子相互之间的作用力；（3）蒸发时基片的温度：对蒸发原子在基片上附着和移动有显著影响。基片温度越高，金属薄膜易内部凝聚，每个小岛的开头就越接近于球形，不易形成连续结构。（4）蒸发速率：蒸发速率越快，岛的密度越大（致密度），越早出现有边疆的金属薄膜。2.金属薄膜的形成机理金属薄膜的内部结构有哪些特点？（1）金属薄膜内部多数小岛或者集合体都具有和原蒸发物质大致相同的晶体结构，一般不形成非晶态。（2）金属薄膜结构是多晶的，且晶粒取向是任意的。2.金属薄膜的形成机理如何观察金属薄膜的形成过程和结构

6、？（1）静止观察法：先在真空蒸发装置中分段制成不同厚度样品，然后将不同样品移到电镜中观察（非原位）；优点：条件简单，只要有电镜和真空蒸发装置就可以观察。金属薄膜制作容易控制，操作方便；缺点：不能实时地原位观察基片上同一点薄膜形成过程，容易受到空气的污染。2.金属薄膜的形成机理如何观察金属薄膜的形成过程和结构？（2）现场观察法：把蒸发源放在电镜内蒸发制作薄膜样品，一面观察薄膜的形成过程。优点：能够实时动态观察薄膜形成的过程，确定薄膜的成膜方式和成膜机理；缺点：薄膜形成过程容易受到电子束的干扰，设备要求高（需要设计并

7、安装特殊附件），膜厚难以测量和蒸发物质受限等。2.金属薄膜的形成机理3.1点缺陷类型：间隙原子和空穴。但空穴是薄膜材料中点缺陷的主体。空穴成为金属薄膜点缺陷主体的原因：在金属薄膜中，形成空穴需要的能量为1.0eV左右，比其它点缺陷（如间隙原子）所需的能量小的多。例如，Cu中形成一个间隙原子所需的能量为2.5-3.3eV。3.金属薄膜的结构结构缺陷的影响金属薄膜性能的重要因素，对金属薄膜的结构缺陷进行观察表征，研究结构缺陷对性能的影响是金属薄膜材料研究的重要领域。3.金属薄膜的结构3.2线缺陷（位错）位错密度：单位

8、体积内位错线的总长度。金属薄膜中的位错密度：在FCC金属单晶薄膜中位错的密度为1010-1011cm-2。良好的块状金属的位错密度为104-106cm-2。发生大量塑性变形的晶体中，位错密度为1010-1012cm-2.薄膜中位错密度与强烈塑性变形后的相当，其内部的畸变是相当严重的。3.金属薄膜的结构3.3薄膜的热应力和生长应力热应力：由于衬底(substrate)与薄膜