《薄膜材料的制备》ppt课件

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1、先进材料制备技术化材学院李涓juanli@zjut.edu.cn研究生课程1薄膜材料的制备1.1薄膜的形成机理1.2物理气相沉积1.3化学气相沉积1.4化学溶液镀膜法1.5液相外延制膜法1.6膜厚的测量与监控先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1薄膜的形成机理薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制膜技术的发展也十分迅速。制膜方法—分为物理和化学方法两大类；具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种，而每种方式又可分成多种方法。先进材料制备技术www.themegallery.co

2、mLOGO1.1薄膜的形成机理薄膜的生长过程(1)核生长型（VolmerVeber型）特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1薄膜的形成机理薄膜生长的四个阶段a.成核：在此期间形成许多小的晶核，按同济规律分布在基片表面上；b.晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小

3、晶体的形状；c.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络d.沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1薄膜的形成机理(2)层生长型（Frank-VanberMerwe型）特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层……。一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近

4、于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1薄膜的形成机理(3)层核生长型（StraskiKrastanov型）特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。在半导体表面形成金属膜时常呈现这种

5、方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1薄膜的形成机理在薄膜的三种生长方式种，核生长型最为普遍，在理论上也较为成熟，我们主要讨论这种类型的形成机理。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.1成核阶段先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.1成核阶段先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.1成核阶段先进材

6、料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.1成核阶段先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.1成核阶段先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.2成核的毛细作用理论凝聚核形成能量的变化DgV:在单位体积内凝聚终态与初态的体自由能之差;gCV:比表面能;△G(r)rgCVS-△gVV△G(r)r*△G*先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.2成核的毛细作用理论凝聚核的临界半径如果r

7、凝聚核不稳定，有很高的分解几率；如果r>r*，则能量会随着半径的增大而减小，凝聚核会不断长大形成相互连成的一片薄膜。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.2成核的毛细作用理论凝聚核的临界形成能其中，F1(q)、F1(q)、F1(q)是形状因子，可由凝聚核的几何形状关系算出。先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.2成核的毛细作用理论成核速率新相形成所需要的原子来源：(1)气相原子的直接沉积；(2)衬底吸附的气相原子沿表面扩散。(主要来源)新相

8、核心的成核速率式中，N*为单位面积上临界原子团的密度A*为每个临界原子团接受扩散来的吸附原子的表面积w为向上述表面积扩散迁移来的吸附原子的密度通量先进材料制备技术www.themegallery.comLOGO1.1.2成核的毛细作用理论单位面积上临界原子团的密度N*式中，ns是可能的形核点的密度DG*是临界形核自由能每个临界原子团接受扩散来的吸附原子的表面积A*式中，a0相当于原子直径先进材料制备技术www.t