最新第29讲12-3薄膜的表面界面和尺寸效应1教学讲义PPT.ppt

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1、第29讲12-3薄膜的表面界面和尺寸效应1第十二章低维材料结构12.1薄膜的形成12.2薄膜的结构与缺陷12.3薄膜的表面和界面12.4薄膜的尺寸效应12.5薄膜和基片的附着和附着力、内应力2个学时2个学时2个学时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）。当向这个球帽核加入新的原子时，表面和界面的能量将改变为当向球帽形核加入新的原子时，核的体积自由能变化体系的总自由能变化图12.2总自由能变化与核半径r的关系曲线①当原子团半径r

2、稳定的，具有很高的分解几率，这时原子团中的原子有分解成单个原子的倾向；当r>r*时，则随半径的增加而能量减少，所以原子团将长大，变成稳定的核。②r*与接触角θ无关。但ΔG*与θ密切相关，当θ=180°，f(θ)=1,ΔG*达到最大值，表示为了形成稳定核，必须克服的势垒最高，对原子团长大没有促进的作用（3）成核率临界核密度n*每个临界核的捕获范围吸附原子向临界核运动的总速度成核速率I12.1.2.2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（2）把原子团看作是宏观分子，或大分子聚集体（3）临界核（4

3、）临界核密度（5）成核速率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薄膜的组织结构12.2薄膜的结构与缺陷12.2.2薄膜的晶体结构12.2.3表面结构12.2.4薄膜的缺陷12.2.5薄膜的异常结构和非理

4、想化学计量比12.2.1.1非晶态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12.2.1.2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

5、.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。依其取向的方向数目分为单重纤维结构和双重纤维结构。纤维结构的出现可以在成核阶段、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，它是指基片与薄膜材料的结晶相容性。设基片单晶

6、的晶格常数为a，单晶薄膜的为b，晶格失配度m=(b-a)/a。m越小，一般说外延生长就越容易。（3）基片表面清洁、光滑和化学稳定性好在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶体结构与同种块状晶体的是相同的，所不同的可能是：（1）薄膜中晶粒取向和晶粒大小可能不同于块状晶体。（2）薄膜中晶粒的晶格常数也常常不同于块状晶体。出现这种情况的原因有两个：一个是薄膜材料本身的晶格常数与基片的不匹配；另一个是薄膜中有较大的内应力和表面能12.2.2薄膜的晶体结构12.2.3表面结构从热力学能量理论分析，薄膜为使其总能量达到最低，应该保持尽

7、可能小的表面积，即是应该为理想的平面。假设入射气相原子沉积到基片后就在原处不动12.2.3表面结构由于原子的表面迁移，在某种程度上，薄膜表面上的谷被填充，峰被削平，导致薄膜表面面积不断缩小，表面能逐步被降低。除此之外，由于吸附原子在表面上扩散迁移，还能使一些低能晶面（低指数面）得到发展。但是在表面原子扩散作用下，生长最快的晶面会消耗生长较慢的晶面，导致薄膜表面粗糙度又进一步增大。薄膜表面的这种结构常常在基片温度比较高的情况下出现。在基片温度较低的情况下，吸附原子在表面上扩散运动的能量小，原子迁移速率小，所得薄膜的

8、表面积大，并随膜厚成线性增加。这样，薄膜表面将比较粗糙。若沉积薄膜时真空度较低，就会由于残余气体气压过高而使入射的气相原子在气相中因相互碰撞而凝结成烟尘，然后才到达基片表面沉积形成薄膜。尘粒聚积松散，薄膜是多孔性的，具有很大的内表面积图12.3Cu薄膜的表面积和粗糙度因子与膜厚的关系12.2.4薄膜的缺陷12.2.4.1点缺陷12.2.4.2位错12.2.4.3其它缺陷（