薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
高分子薄膜中的微观结构和物理性质
高分子薄膜中的微观结构和物理性质高分子薄膜是一种普遍存在于生活中的材料，例如保鲜膜、塑料袋、遮阳膜等。
这些薄膜通常是由聚合物分子组成，具有优异的物理性质和机械性能。
然而，这些性质和性能的展现与高分子薄膜中的微观结构密切相关。
本篇文章将从微观层面出发，深入探讨高分子薄膜的微观结构和相关的物理性质。
一、高分子薄膜的微观结构高分子薄膜的微观结构通常具有层状结构和复杂的纳米结构。
其中，层状结构指的是高分子分子链沿垂直于薄膜表面方向组成类似“层叠状”的结构。
这种结构中，高分子链之间相互排斥，并通过侧链、支链或交联等方式实现微观相分离，形成类似于蛋白质的次级结构，例如β-折叠和α-螺旋。
这些次级结构会影响高分子薄膜的物理性质。
除此之外，高分子薄膜还可能存在复杂的纳米结构。
例如，高分子链可以在特定条件下形成聚集体，例如丝状聚合物、胶束和微胶囊等。
这些聚集体具有相互约束的空间结构，包裹在其中的分子在物理性质、化学反应等方面会受到限制。
二、高分子薄膜的物理性质高分子薄膜的物理性质取决于高分子分子链的微观结构和组成。
这些性质通常包括力学性质、光学性质、电学性质、热学性质等。
下面，我们将重点介绍高分子薄膜的力学、光学和电学性质。
1. 力学性质高分子薄膜的力学性质是高分子材料一个非常重要的物理性质。
对于很多应用而言，高分子薄膜的强度、韧性和弹性模量都是非常重要的。
这些性质在很大程度上受高分子分子链的排布和微观结构的影响。
通过合理的分子结构调控可以实现一系列的调控，控制薄膜的力学性质。
2. 光学性质高分子薄膜的光学性质通常受到高分子分子链和复杂纳米结构的影响。
高分子薄膜常常会出现不同的光学效应，例如干涉、多色散和吸收等。
这些效应通常基于复杂的光学干涉和散射作用。
3. 电学性质高分子薄膜的电学性质通常与高分子分子链的排布和极性相关。
这些特性是高分子材料在电化学和电子器件中的应用中非常重要的性质。
例如，在高分子锂离子电池和有机场效应晶体管中，高分子薄膜的电学性质通常是决定器件性能的重要因素之一。
薄膜力学性能
0
t
z /2
1
(4.34)
式(4.34)取加号时对应拉应力，取减号时对应压力。
27
5. X射线衍射法
X射线衍射法测定材料中的残余应力的原理是因为物 体内部存在的残余应力，使得晶体的晶格常数发生弹性变 形，即晶面间距发生了变化。通过晶体的Bragg衍射
2d sin n
(4.35)
反映在相应于某一晶面族的衍射峰发生了位移。对于多晶
意方向应变为 (以 与试样表面法向方向的夹
角表示的方位)，按弹性力学原理，有
1,1
3
3 0
A
O
B
, 2, 2
1
E
sin
2
E
( 1
2
)
(4.36)
此式中的 方向是 在物体表面 上的投影方向。
31
可由以其方向为法向的hkl 面的面间距的变
故 P 可表示为
P f E, v, Ei , vi , y , n, R, h
(4.15)
用约化杨氏模量 Er 即
亦可写为
P f Er , y , n, R, h
P f Er , r , n, R, h
简化上式，得 (4.16) (4.17)
14
对(4.17)式进行量纲分析，得
个晶面的衍射线位移量
即可算出晶面间距的变化量，再根据弹性力学定律计算出该 方向上的应力数值。
30
X射线衍射法测量残余应力中最常用的方法是 sin 2 法， 其基本原理简述如下。
下图为测试的试样表面，图中 1 、 2 和
薄膜的性质
• 静电力就是前面所说的双电层吸引力，由于薄膜和 基体材料的功函数不同，当两者相互接触时发生电 荷转移。电荷层起着把薄膜与基体拉紧的作用，其 吸引能为 2 d
ES 2 0
• 理论计算表明，静电力的吸引能与范德华力 基本相近。两者的差异表现在：范德华力是 一种短程力，当吸附原子间的距离有增大时， 它便迅速趋向于零。因此靠范德华力来实现 薄膜与基体的附着时，其附着性是较差的。 静电力则与此相反，它是一种长程力。即使 薄膜和基体之间有微笑位移，其吸引力也不 会又较大的变化。因此虽然静电力数值小一 些，但它对附着力的贡献却较大。
（b）化学吸附是薄膜与基体之间形成化学键 结合力产生的一种吸附。化学键的结合有三种：
共价键、离子键和金属键。产生化学键的原因是 有些价电子不再为原来的原子所独有，而是从一 个原子转移到另一个原子上。这样，化学键吸引 力也是一种短程力，但数值上却比范德华力大得 多。在薄膜与基体之间并不是普遍的存在化学吸 附，只有在它们之间的界面上产生化学键形成化 合物时才能形成化合键结合。由此看出，要使薄 膜在基体上有牢固的附着性必须在它们之间产生 化学键。 化学吸附的吸附能一般在0.5~10eV。
（c）通过中间层的附着：在薄膜和基体之间 形成一种化合物中间层，薄膜再通过这个中 间层与基体间形成牢固的附着。这种中间层 可能是一种化合物的薄膜，也可能是含有多 种化合物的薄层。其化合物可能是薄膜与基 体两种材料形成的化合物，也可能是与真空 室内环境气氛形成的化合物，或者两种情况 都有。由于薄膜和基体之间有这样一个中间 层，所以两者之间形成的附着就没有单纯的 界面。
• 当薄膜和基体集中地看做一个体系，在薄 膜形成过程中这个体系的温度大多数都是 上升的。在薄膜形成之后，若这个体系处 于室温下，由于薄膜和基体热膨胀系数的 不同，必然在薄膜的内部产生内应力。由 于这种内应里只是起因于热效应，所以称 为热应力作用并用σ T表示 σ =EF·（aF-as)·Δ T 式中aF和aS分别是薄膜和基体热膨胀系数， EF是薄膜的杨氏模量，Δ T是薄膜与基体体 系的温升。
薄膜物理与技术
太阳能电池有以下几类： 硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%) ；化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)； 有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等)； 纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2) 。
第五章 薄膜的性质
了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。薄膜的力学、电学性质，及半导体、磁性、超导薄膜的特性及薄膜的应用。了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。 重点： 力，电性质，薄膜应用。薄膜材料以其独特的性质为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术是现代大学本科生必须了解的基础知识。
镜面镀膜有三层：外层防污膜是防灰尘和油渍；中层防反射膜，是提高镜片光线通过率。 内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。
2.、太阳能薄膜技术
1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。
薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：
（1）薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。
薄膜物理与技术题库
一、填空题薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体的压强P和电极距离的乘积有关。
1.表征溅射特性的参量主要有溅射率、溅射阈、溅射粒子的速度和能量等。
2. 溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在 1～100nm之间。
3．薄膜的组织结构是指它的结晶形态，其结构分为四种类型：无定形结构，多晶结构，纤维结构，单晶结构。
4．气体分子的速度具有很大的分布空间。
温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越快。
二、解释下列概念溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面(靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象气体分子的平均自由程:每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值：称为平均自由程，饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。
凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。
物理气相沉积法：物理气相沉积法(Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程真空蒸发镀膜法:是在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态溅射镀膜法:利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质作成的靶电极。
在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将靶原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。
薄膜的基本性质
• 由上可以看出，附着或结合的全部现象实质上都是建立在原子
间电子的交互作用的基础上。
2.附着表征 2.附着表征
• 黏附力或者结合能的测定可分为两大类。 黏附力或者结合能的测定可分为两大类。
一类是机械法，另一类是形核法。 一类是机械法，另一类是形核法。 • 机械法大致有：①划痕试验法；②拉力试 机械法大致有： 划痕试验法； 验法； 剥离试验法； 磨损法； 验法；③剥离试验法；④磨损法；⑤离心 力试验法； 弯曲法； 碾压法； 力试验法；⑥弯曲法；⑦碾压法；⑧锤击 压痕法； 气泡法等。 法；⑨压痕法；⑩气泡法等。
ห้องสมุดไป่ตู้着的四种类型示意图
简单附着
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
• （1）简单附着时，薄膜和基体之间存在一个很清楚的
分界面。这种附着是由两个接触面相互吸引形成的。当 两个不相似或不相容的表面相互接触时就易形成这种附 着。
• （2）扩散附着是由于在薄膜和基体之间相互扩散或溶
解形成一个渐变的界面，即它可以使一个不连续的界面 被一个由物质逐渐和连续变化到另一种物质的过渡层所 代替。
内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之间的热膨胀 内部产生一定的应力。 系数的不同，也会使薄膜产生应力， 系数的不同，也会使薄膜产生应力，过大的内应力将使薄 膜卷曲或开裂导致失败。 膜卷曲或开裂导致失败。
• 所以在各种应用领域中，薄膜的附着力与内应力都是首先 所以在各种应用领域中，
要研究的课题。 要研究的课题。
导电性
• 薄膜和热平衡状态下制造的金属，二者生成过程
完全不同。薄膜是由岛状构造开始，且在急热急 冷的状态下生成的，因此薄膜内缺陷很多。这样， 其导电性就表现出与整块的金属的导电性不同的 特殊性质。 在研究薄膜的导电性时，同气体情况下相类似要 考虑到电子的平均自由程与膜厚的关系。
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电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(d) 通过宏观效应的附着： 包括机械锁合和双电层吸引。 机械锁合是一种宏观的机械作用。当基体表面比较粗糙，
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质 7.2 薄膜的电学性质 7.3 薄膜的光学性质 7.4 薄膜的磁学性质 7.5 薄膜的热学性质
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
薄膜的主要力学性能： 附着性质—由薄膜成长的初始阶段 内应力 机械性能
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
1．附着现象
附着问题是制备薄膜时遇到的第一个问题。因为制 备薄膜时首先考虑它是否能牢固地附着在基体上。
从宏观角度看，附着就是薄膜和基体表面相互作用 将薄膜粘附在基体上的一种现象。附着是与薄膜在基 体上存在的耐久性及耐磨性有直接关系的重要概念。 薄膜在基体上附着的牢固性因薄膜材料和基体材料的 不同而不同。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
注 功函数：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
三种附着力： 范德华力、静电力、化学键力
物理吸附
①范德华力 短程力，当吸附原子间的距离略有增加，力迅速趋 向于0.
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(b)扩散附着： 是由于在薄膜和基体之间互相扩散或溶解形成一个渐变
的界面。
实现扩散方法： 基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄（20-30nm）金属膜， 再用高能（100KeV）氩离子对它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体加电压 吸离子
2.1.3 增加附着力的方法
①清洗基片 污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大 大减弱→扩散更不可能→吸附性极差
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着
有各种微孔或微裂缝时，在薄膜形成过程中，入射到基体表 面上的气相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝 中形成这种宏观机械锁合。如果基体表面上各种微缺陷分布 均匀适当，通过机械锁合作用可提高薄膜的附着性能。
双电层吸引(静电力)是由薄膜与基体间界面处形成双电层 而产生吸引。因薄膜和基体两种材料的功函数不同，两者间 发生电子转移在界面两边积累起电荷。
Ef—薄膜的表面能; Es—基片的表面能; Efs—薄膜与基片之间的界面能
两个相似或相容的表面接触:
Efs↓
Wfs↑
两个完全不相似或不相容的表面接触
Efs↑
Wfs↓
简单物理附着------薄膜与基片间的结合力-------范德华力
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动能大 扩散。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(c)通过中间层的附着：
在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着，该化合物多为薄 膜材料与基片材料之间的化 合物。由于薄膜和基体之间有 这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯的 界面。
解决方法：在薄膜基片间加入另外一种材料，形成中间过渡层。 如：玻璃片上镀金膜，先镀很薄的铬，铬从氧化物基片中夺取氧 形成氧化物，有较强的附着力；然后再镀金，金膜与铬形成金属 键，提高附着性。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
④沉积方式： 溅射强于蒸发，电压（溅射）高→附着好 ∵溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化；又