薄膜的蒸发沉积原理与技术
薄膜蒸发原理
薄膜蒸发原理
薄膜蒸发是一种常见的物理现象，它在日常生活和工业生产中
都有着重要的应用。
薄膜蒸发原理是指液体或固体表面的分子在受
热作用下获得足够的能量，从而克服表面张力，逃逸成为气态的过程。
在本文中，我们将详细介绍薄膜蒸发的原理及其应用。
薄膜蒸发的原理可以用基本的分子动力学理论来解释。
当液体
或固体表面受热时，表面的分子会不断地获得能量，当这些分子获
得的能量超过了表面张力的作用时，它们就会脱离表面成为气态。
这个过程是一个动态平衡的过程，即蒸发的速率与液体中分子返回
表面的速率相等，这就是蒸发达到了饱和状态。
薄膜蒸发的速率受到多种因素的影响，其中最主要的因素是温度。
温度越高，分子获得的能量就越大，蒸发速率也就越快。
此外，表面积、表面形态、压力等因素也会对薄膜蒸发速率产生影响。
薄膜蒸发在工业生产中有着广泛的应用。
例如，在薄膜材料的
制备过程中，常常需要利用薄膜蒸发技术来控制材料的厚度和成分。
此外，薄膜蒸发还被应用于光学镀膜、半导体制造等领域。
通过控
制薄膜蒸发的条件，可以实现对薄膜材料性能的精确调控，从而满
足不同领域的需求。
总之，薄膜蒸发原理是一个基础而重要的物理现象，它在日常生活和工业生产中都有着广泛的应用。
通过深入理解薄膜蒸发的原理，我们可以更好地利用这一现象，实现对材料性能的精确控制，推动材料科学和工程技术的发展。
薄膜的工艺原理
薄膜的工艺原理薄膜工艺是一种制备薄膜材料的技术方法，通过将材料沉积在基底上形成薄膜。
这种技术广泛应用于电子器件、光学器件、太阳能电池等领域。
薄膜工艺主要包括物理蒸发、化学气相沉积、溅射和激光热解等几种不同的方法。
本文将详细介绍薄膜工艺的原理及其应用。
首先，物理蒸发是一种将材料以气态形式沉积在基底上的方法。
这种方法通常利用电子束蒸发、磁控溅射或激光蒸发等方式将材料加热到高温，使其形成气态，并在真空环境中使其沉积在基底上。
由于物理蒸发过程中材料处于高能态，因此薄膜具有高纯度、致密的特点。
物理蒸发除了可以制备金属薄膜外，还可以制备氧化物薄膜、硫化物薄膜等。
其次，化学气相沉积是一种将气态试剂在基底上发生化学反应生成薄膜的方法。
化学气相沉积通常利用载气将气态试剂输送到基底上，并在基底表面发生化学反应，形成所需的薄膜。
化学气相沉积可以制备多种薄膜材料，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
化学气相沉积具有高生长速率、较好的均匀性和良好的控制性能。
再次，溅射是一种利用离子轰击的方法使材料从靶点上剥离并沉积在基底上的方法。
溅射可以通过直流溅射、射频溅射或磁控溅射等方式进行。
在溅射过程中，离子轰击靶材使其失去原子，这些原子以高能态迅速扩散并沉积在基底上。
通过调整溅射过程中离子轰击能量和靶材的成分，可以得到所需的材料薄膜。
溅射可以制备金属薄膜、合金薄膜、氧化物薄膜等。
最后，激光热解是一种利用激光照射材料使其发生热解反应并沉积在基底上的方法。
激光热解可以通过激光脉冲击穿材料表面，产生高能态的离子和原子，然后沉积在基底上。
激光热解具有高分辨率、高制备速率和良好的控制性能。
激光热解可以制备金属薄膜、碳化物薄膜、氮化物薄膜等。
薄膜工艺在很多领域都有广泛应用。
在电子器件制备中，薄膜可以用于制备电极、蓄电池、显示器件等。
在光学器件制备中，薄膜可以用于制备反射镜、透镜、滤光片等。
在太阳能电池制备中，薄膜可以用于制备光伏层和透明导电层。
薄膜蒸发器原理
薄膜蒸发器原理
薄膜蒸发器是一种常见的蒸发器设备，其原理是利用薄膜所形成的较大表面积，将液体加热至其沸点后，使其在薄膜表面形成薄膜层，再通过传热方式实现蒸发。
在薄膜蒸发器中，液体进入薄膜器内，经过预热后进入薄膜管道。
液体在薄膜管道内流动时，受到加热而被加速汽化，形成薄膜状，分散在薄膜管道壁上。
薄膜管道壁经过加热，传导热量给液体薄膜层，使其快速蒸发。
在薄膜蒸发器的运行过程中，薄膜层的形成和维持非常重要。
薄膜的形成需要满足两个条件：首先，靠近薄膜管道壁的液体温度要高于其沸点温度，这样才能使液体迅速汽化形成薄膜；其次，液体在薄膜管道内的流速要适中，过大的流速会导致薄膜破裂，而过小的流速则会使薄膜无法形成。
薄膜蒸发器的优点在于其具备高效传热和高度分离的能力。
薄膜形成的大表面积可以提高传热效率，而快速蒸发使得物质分离程度更高。
此外，薄膜蒸发器还具有操作简单、结构紧凑、能耗低等优点。
薄膜蒸发器在多个领域具有广泛应用。
例如，它可以用于海水淡化、废水处理、有机溶剂回收等。
此外，薄膜蒸发器还常被用于精馏、浓缩等过程中。
总之，薄膜蒸发器利用薄膜的形成和传热原理，实现了高效传
热和高度分离的目的。
其优点包括高效传热、高度分离、操作简单等。
在多个领域都有广泛应用。
污水处理中的薄膜蒸发技术
适用于有毒有害物质的处理
对于含有有毒有害物质的废水，薄膜 蒸发技术能够有效地去除这些物质， 达到排放标准。
污水处理中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ膜蒸发技术应用案例
某化工厂废水处理
采用薄膜蒸发技术处理化工厂废水， 成功地降低了废水中的盐分、有机物 、重金属离子等有害物质，达到了排 放标准。
某电镀厂废水处理
某印染厂废水处理
采用薄膜蒸发技术处理印染厂废水， 成功地降低了废水中的有机物和色度 ，改善了水质。
污水处理中的薄膜蒸发技术适用范围
适用于高盐废水处理
薄膜蒸发技术特别适合处理高盐废水 ，能够有效地降低废水中的盐分含量 。
适用于有机废水处理
对于含有大量有机物的废水，薄膜蒸 发技术同样适用，能够有效地去除有 机物。
适用于重金属废水处理
对于含有重金属离子的废水，薄膜蒸 发技术能够有效地去除重金属离子。
薄膜蒸发技术的优点与局限性
优点
薄膜蒸发技术具有高效、节能、易操作、适应性强等优点，能够处理高粘度、 易结垢、易结晶的物料，广泛应用于化工、制药、食品、环保等领域。
局限性
薄膜蒸发技术需要消耗一定的能源和投资，且对进料预处理和操作条件要求较 高，需要定期清洗和维修蒸发器。
02
污水处理中的薄膜蒸发技术应用
流量
进料流量影响薄膜的厚度和均匀性 ，从而影响蒸发速率和传热效率。
物料特性对薄膜蒸发技术的影响
粘度
粘度高的物料不易流动，容易在加热面上形成积 垢，影响传热效果。
密度
密度较大的物料在流动过程中容易产生堵塞，影 响薄膜的形成和蒸发效果。
热敏性
对于热敏性物料，高温可能导致其分解或失去活 性，影响最终产品品质。
05
pvd原理及工艺流程
pvd原理及工艺流程
PVD（Physical Vapor Deposition）是一种物理蒸发沉积技术，通过将材料加热至蒸发温度，使其蒸发成气态，然后再将蒸发的材料沉积到基材表面形成薄膜。
PVD工艺流程一般包括以下步骤：
1. 清洁基材：将基材放入超声波清洗机中使用溶剂或碱性溶液进行清洗，去除杂质和污垢。
2. 加热基材：将经过清洗的基材放入真空室中，通过加热使其达到蒸发温度。
3. 蒸发源蒸发：打开蒸发源，使其蒸发材料释放出来。
4. 沉积：蒸发材料在真空室中形成气体，然后通过吸附作用沉积到基材表面。
5. 冷却：在沉积过程中，基材需要保持一定的温度以确保薄膜的质量，在沉积完成后，基材需要冷却至室温。
6. 分离：将沉积好的基材从真空室中取出，完成PVD工艺。
PVD工艺流程中的主要设备包括真空室、蒸发源（可以是电阻加热、电子束、离子束等）、
基材夹具、高真空泵等。
不同的材料和应用场景可能会有一些额外的步骤或设备，但整体流程大致相似。
PVD技术广泛应用于镀膜、表面改性和纳米材料制备等领域。
薄膜蒸发器的工作原理
薄膜蒸发器的工作原理薄膜蒸发器是一种常用的热传导设备，常用于化工、制药、食品加工等行业的蒸发过程中。
它通过利用薄膜的传热和传质性能，将液体中的溶质蒸发出来，达到提纯或者浓缩的目的。
本文将介绍薄膜蒸发器的工作原理。
薄膜蒸发器的工作原理基于薄膜的传质性能。
薄膜蒸发器由多个独立的加热器组成，液体进入加热器，通过加热器的表面形成一层薄膜，薄膜表面与加热器之间的温差将驱动传质过程，使得液体中的溶质蒸发，最后获得溶质的高纯度浓缩液。
在薄膜蒸发器中，加热器是一个重要的组成部分。
加热器可以使用蒸汽、热水、导热油等介质，通过传导和辐射的方式将热量传递给薄膜，使薄膜表面的温度升高。
随着温度的升高，液体中的溶质分子与薄膜表面的相互作用力减小，这使得溶质分子更容易从液体中脱离，并扩散到薄膜中。
薄膜蒸发器中，传热过程是通过薄膜的传导和对流来完成的。
薄膜的传导传热通过薄膜的物理结构实现，薄膜的材料和厚度都对传导传热有影响。
对流传热是通过液体流动来实现的，流动状态对传热效果也有影响。
为了提高传热效率，薄膜蒸发器通常采用多级串联的结构，使得流动更加紊乱，增加了传热和传质的机会。
除了传热过程，传质过程也是薄膜蒸发器中的重要环节。
溶质从液体中蒸发到薄膜中需要克服液体表面张力和液体黏度的阻力。
这需要薄膜的表面张力和黏度越小越好，以便使溶质分子更容易蒸发到薄膜表面。
薄膜蒸发器中的溶质通过控制薄膜的温度和流速来完成传质过程，从而实现高效的蒸发和浓缩。
薄膜蒸发器具有许多优点。
首先，由于薄膜的传热效率高，传热系数大，可以大大减小设备的体积和占地面积。
其次，薄膜蒸发器可以在较低的温度下进行操作，有利于保持热敏性物质的分子结构和性质。
此外，薄膜蒸发器对于溶液浓缩、溶剂回收和废水处理等方面都具有很好的应用前景。
总之，薄膜蒸发器是一种利用薄膜传热和传质性能的设备，能够实现溶质的蒸发和浓缩。
它的工作原理基于薄膜的传热和传质过程，通过控制薄膜的温度和流速，使溶质分子从液体中蒸发到薄膜中，从而达到纯化或浓缩的目的。
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
8
薄膜沉积速率正比于气体分子的通量。
单位表面上元素的净蒸发速率
ΦαN2（ AπpMe Rph） T
α — 系数，介于0~1之间；
m n M N
A
pe、ph — 平衡蒸气压和实际情况下的分压。 单位表面上元素的质量蒸发速率
组元蒸气压相近时，可估算合金蒸发源的成分。 例如，1350K，薄膜成分：Al-2％Cu (质量分数)，
需蒸发源成分：A1-13.6％Cu (质量分数)。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
20
对于初始成分确定的蒸发源，组元蒸发速率 之比随时间而变化。 原因：易于蒸发的组元的优先蒸发使该组元不 断贫化，进而使该组元蒸发速率不断下降。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
5
组成部分： 真空室； 蒸发源及蒸发加热装置； 衬底放置及加热装置。
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
6
真空蒸发镀膜机
薄膜的物理气相沉积
薄膜的物理气相沉积Ⅰ——热蒸发
7
2.1.1 元素的蒸发速率
平衡蒸气压：一定温度下，蒸发气体与凝聚相平 衡过程中所呈现的压力。
第二章 薄膜的物理气相沉积（I） —— 蒸发法
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD） 物理过程，如物质的热蒸发或在 受到粒子束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 过程。
薄膜的物理气相沉积薄膜的物理气相沉积ⅠFra bibliotek—热蒸发1
薄膜蒸发器工作原理
薄膜蒸发器工作原理薄膜蒸发器是一种常用的热交换设备，其工作原理主要是利用蒸发-冷凝循环来实现物质的分离和浓缩。
薄膜蒸发器广泛应用于化工、食品、医药等领域，具有结构简单、操作稳定、能耗低等优点。
下面我们将详细介绍薄膜蒸发器的工作原理。
首先，薄膜蒸发器通过加热将进料液体置于薄膜加热管内，使其在管内形成薄膜流动。
在薄膜流动的过程中，液体分子受热能而蒸发成为气态，然后通过薄膜管壁进入蒸发室。
在蒸发室内，气态物质被冷凝器冷却凝结成液体，最终得到浓缩液体和蒸汽两种物质。
其次，薄膜蒸发器的工作原理还涉及到薄膜的选择和设计。
薄膜的选择对于蒸发器的效率和性能至关重要。
通常情况下，薄膜的材质应具有良好的导热性能、化学稳定性和机械强度，以确保薄膜在高温高压下能够正常工作。
此外，薄膜的设计也需要考虑薄膜的形态、厚度和表面特性，以提高传热效率和抗污染能力。
再者，薄膜蒸发器的工作原理还包括蒸发器的运行参数和控制策略。
在实际应用中，薄膜蒸发器的运行参数如进料流量、加热温度、真空度等需要得到合理控制，以保证蒸发器的稳定运行和产品质量。
同时，薄膜蒸发器还需要配备相应的传感器和自动控制系统，实现对蒸发过程的实时监测和调节，提高蒸发器的自动化程度和生产效率。
最后，薄膜蒸发器的工作原理还需要考虑蒸发器的清洗和维护。
由于薄膜蒸发器在长期运行过程中容易受到物质结垢和污染，因此需要定期进行清洗和维护。
清洗过程包括化学清洗和机械清洗，以去除薄膜表面的污垢和沉积物，保证薄膜的传热性能和使用寿命。
总之，薄膜蒸发器工作原理是基于蒸发-冷凝循环实现物质的分离和浓缩，涉及到薄膜的选择和设计、运行参数和控制策略、清洗和维护等方面。
通过对薄膜蒸发器工作原理的深入了解，可以更好地应用和维护薄膜蒸发器，提高生产效率和产品质量。
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受到挤压的作用。
(2) 薄膜中的张应力： 膜层中聚集密度较小时，膜
层中“柱状结构”相互吸引，它 DINGQUAN们LIU
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.6 薄膜的牢固度
(1) 牢固度用附着力来表述：
基片与膜层之间存在相互作用的 附着能，附着能对两者之间的距离微 分，微分最大值就是附着力。
这些对镀膜工艺和薄膜 质量有影响。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.2 材料在真空中的转变
(1) 加热蒸发 固体—液体—气体
(2) 受热升华 固体—----—气体
DINGQUAN LIU
因材料而异。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.3 材料在真空中的热蒸发
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3 薄膜在真空中的沉积生长
3.4 薄膜沉积生长过程的观察
DINGQUAN
膜厚分布的参考曲线
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2 材料在真空中的热蒸发
2.8 电阻热蒸发沉积的一些特点
(1) 选用高熔点低蒸汽压的蒸 发源 避免来自蒸发源的污染。
(2) 蒸发时产生大量的热，难 以带走
(3) 一般以自由面源形式出现 (4) 膜层比较疏松。
DINGQUAN LIU
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真空中的薄膜热蒸发沉积 ---原理、技术、厚度控制
刘定权 编写
2010年12月18日 上海
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主要内容
1. 关于薄膜的一些基本概念 2. 材料在真空中的热蒸发 3. 薄膜在真空中的沉积生长 4. 膜层厚度控制与均匀性 5. 热蒸发薄膜的一些应用
DINGQUAN LIU
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.1 什么是薄膜?
不同的用途有不同的概念:
(1) 光学的人讲, 能够产生干涉的薄层; (2) 电子学认为, 厚度不能超过1μm; (3) 物理学认为, 是2维结构的材料; (4) 生物学认为, 细胞等组织的保护层; (5) 农业生产中, 甚至厚度到100 μm以
上的塑料纸也称薄膜; DINGQUAN LIU------
1 关于薄膜的一些基本概念
1.4 薄膜的聚集情况
(3) 真空度的影响： 残余气体分子与沉积粒
子(原子、分子、团粒等)碰撞， 影响沉积动能和方向，易形成 松散结构。
真空度对蒸发镀金属膜 层微结构的影响：
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.5 薄膜的应力
(1) 薄膜中的压应力： 膜层中聚集密度较大时，膜
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.4 薄膜的聚集情况
(1) 薄膜的聚集密度： 指膜层中材料体积占有总体积的
比值，常以小于1的两位小数表示。越 接近于1，膜层越致密，质量越好；有 的膜层甚至低于0.50。 (2) 薄膜的MDT模型图：
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3 薄膜在真空中的沉积生长
3.1 蒸发粒子的凝聚与张大
(1) 表面的凝结几率（系数） 有的原子可能重新进入真
空，失去凝结生长的可能。 (2) 凝结几率与基片温度和材
料种类有很大关系。 (3) 体积超出临界晶核的颗粒
才能张大，否则会消失。
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3 薄膜在真空中的沉积生长
3.2 薄膜生长的三种类型
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.3 薄膜的晶体结构
(1) 薄膜以非晶态结构居多; (2) 有的薄膜以多晶态形式出现，含有
非晶成分; (3) 单晶体的薄膜难以得到，通常需要
很高的沉积温度、好的真空度、严格 的材料选择;
如果单从薄膜的使用强度考虑，非 晶态薄膜可能更好。
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1 关于薄膜的一些基本概念
1.2 薄膜的一些基本形态
(1) 空气态的薄膜, 入牛顿环; (2) 液体态的薄膜; (3) 固体态的薄膜, 是2维结构的材料; ------
我们经常使用和概念中的薄膜, 就是 固体态的薄膜, 而且指由无机材料组成、 厚度在微米量级以下的两维结构，薄膜 应该具有连续的形态。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.6 面源的三种形式
(1) 克努增源 准分子流，沉积慢。
(2) 自由面源 无定向，沉积快。
(3) 定向坩埚 有定向，沉积更快。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.7 自由面源蒸发的膜厚分布
平面夹具与球面夹具有差异， 数学推导和实际状况有差异，但 趋势是一致的。仅供参考。
(2) 薄膜牢固度的增加：
洁净的基片； 膜层与基片良好的接触； 较高的沉积温度增加扩散； 高真空让沉积粒子直接到达；
DINGQUAN LIU 适当的应力控制，等等。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.1 材料在高真空中的表现
(1) 材料在真空中出气；
(2) 某些镀膜材料在高真空中 有微量的质量损失。
能够实现有效蒸发的温度。通 常认为是对应材料产生1.33Pa蒸汽 压（材料表面）的温度。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.5 电阻热蒸发沉积的点源与面源
(1) 点源 尺寸很小，向各个方向放射
蒸发，仅考虑立体视场角。 (2) 面源
本身尺寸需要考虑，仅向半 球面视场内蒸发。 (3) 一般以自由面源形式出现
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(1) 岛状生长；
(2) 层状生长；
(3) 岛状+层状生长。
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生长类型主要与材料种类和沉积温度相关
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3 薄膜在真空中的沉积生长
3.3 薄膜沉积生长过程中的工艺因素
(1) 基片表面的处理；
(2) 制备参数；
(3) 蒸汽的入射角度；
还有老化处理等。
(1) 电阻加热方式 适合低熔点材料。能量
相对较小。 (2) 电子枪加热方式
能量更大，更集中，适 合高熔点材料，非升华材料。
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2 材料在真空中的热蒸发
2.4 材料的熔点与蒸发温度
(1) 材料的熔点 材料开始转化为液体的温度。
蒸汽压较小，还不能实现有效的薄 膜沉积。 (2) 蒸发温度