薄膜物理与技术
薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
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
薄膜物理与技术绪论
生物医学领域应用
生物传感器
利用生物功能化的薄膜制备生物传感器，实现对生物分子和细胞 的灵敏检测和实时监测。
药物传递与控制释放
通过制备药物载体薄膜，实现药物的精确传递和可控释放，提高药 物的疗效和降低副作用。
医疗器械与植入物
利用薄膜材料制备医疗器械和植入物，提高医疗器械的性能和使用 寿命，降低医疗成本。
子器件。
光学工业
用于制造反射镜、光学 仪器、光电器件等。
机械工业
用于制造耐磨、耐腐蚀 的表面涂层和刀具等。
生物医学
用于制造人工关节、牙 齿等生物医学材料。
02
薄膜制备技术
物理气相沉积技术
真空蒸发沉积
溅射沉积
利用加热蒸发材料，使其原子或分子从熔 融态或气态转化为蒸气态，并在基体表面 凝结形成薄膜。
成薄膜。
溶胶凝胶法
将欲形成薄膜的元素或化合物 以溶胶凝胶的形式涂敷在基体 表面，经过热处理或化学处理 形成薄膜。
电泳沉积法
利用电场作用将欲形成薄膜的 颗粒在基体表面沉积形成薄膜 。
化学镀法
利用还原剂将欲形成薄膜的金 属离子还原成金属原子，并在
基体表面沉积形成薄膜。
溅射法
直流溅射法
磁控溅射法
利用直流电源作为溅射电源，使气体 辉光放电，产生等离子体轰击靶材， 使靶材原子或分子被溅射出来，并在 基体表面凝结形成薄膜。
弹性模量是衡量薄膜在受力时抵抗变形能力 的指标。
拉伸强度与延伸率
拉伸强度和延伸率是评估薄膜在受力时的力 学性能和耐久性的重要参数。
电学性能表征
总结词
电学性能表征是评估薄膜在电场作用下 的行为和性能表现的关键手段。
介电常数与介质损耗
介电常数和介质损耗是衡量薄膜在电 场中储能和能量损耗的重要参数。
《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。
薄膜物理与技术
1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。
他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。
同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。
利用临界温度来区分气体与液体。
高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。
极限压强（极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0），而是具有一定的压强Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。
4、溅射：所谓溅射，是指何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。
5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。
这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。
6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。
7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。
这些缺陷对薄膜产生重要的影响。
他们与薄膜制作工艺密切相关。
点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。
薄膜物理与技术-5薄膜的形成与生长
Z
n1
exp
G* kT
2 r* sin
Ja0
exp
Ed ED kT
Z
n1
2
r*
sin
Ja0
exp
Ed
ED kT
G*
与成核能量和成膜参数有关的函数
电化学镀膜方法： 电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴 极上沉积薄膜的方法。
在
阳极 阴极
表面，利用还氧原化反反应应
生长
沉积
氧金化属物薄膜
阳极氧化 电镀
化学镀： 在无电流通过时，借助还原剂在金属盐溶液中使目标金属离子还 原，并沉积在基片表面上形成金属/合金薄膜的方法。
Ed kT
2）每个临界核的捕获范围（周长）为： A 2 r* sin
相邻吸附位置间距
3）原子向临界核运动的总速率：V n1 v
v
a0
D
a0
0
exp
ED kT
平均表面扩散时间
5.2 成核理论-热力学界面能理论
成核速率:
I Z ni* AV
5.2 成核理论
5.3.1 毛细理论（热力学界面能理论）
薄膜形成：气相→ 吸附相→固相的相变过程。 毛细理论视原子团为微小的凝聚滴
（1）成核过程定性分析：
•原子团通过吸附原子而增大，表面能增大，体系自由能增 加∆G； •到临界核时，自由能增加到最大值∆Gmax； •然后，原子团再增大，体系∆G下降，形成稳定核。
薄膜物理与技术-绪论
液相外延生长
溶液生长法
将基底浸入含有所需材料的溶液 中，通过控制溶液浓度、温度等 因素，使材料在基底表面外延生 长形成薄膜。
溶胶凝胶法
利用前驱体溶液在基底表面进行 水解、缩聚等化学反应，形成凝 胶态薄膜，再经过热处理等后处 理形成固态薄膜。
04
薄膜特性与性能
力学性能
弹性模量
描述薄膜在受力时抵抗弹性变 形的能力，是材料刚度的度量
介电常数
衡量电场作用下，介质中电位移与电场强度 之比的虚部，与电容、电场能量有关。
热电效应
当温度梯度存在时，薄膜中产生电动势的现 象，与热能转换为电能有关。
光学性能
反射、折射与散射
描述光波通过薄膜时的行为，包括光 的传播方向和强度的变化。
吸收光谱
描述光波通过薄膜时被吸收的特性， 与光的频率和薄膜的组成有关。
例如，在显示器中，通过在玻璃基板表面蒸镀不同材质和厚 度的薄膜，可以形成多层结构，控制光的反射和透射，从而 实现高清晰度和高亮度的显示效果。
能源与环境领域
薄膜技术在能源与环境领域也具有广泛的应用。薄膜材料 在太阳能电池、燃料电池、环境监测和治理等领域中发挥 着重要作用。通过改进薄膜材料的性能，可以提高能源利 用效率和环境质量。
02
薄膜物理基础
原子结构与电子状态
原子结构
原子由原子核和核外电子组成，原子 核由质子和中子组成。原子的电子状 态由主量子数、角量子数和磁量子数 决定。
电子状态
电子在原子中的状态可以用电子云、 能级和电子自旋等描述。电子的跃迁 和能量吸收、发射与物质的光学、电 学和热学性质密切相关。
晶体结构与缺陷
薄膜物理与技术-绪论
目录
• 薄膜的定义与分类 • 薄膜物理基础 • 薄膜制备技术 • 薄膜特性与性能 • 薄膜应用领域
薄膜物理与技术
将气体在电场的作用下离化，形成离子束或等离子体，然后轰击材 料表面，使其原子或分子沉积在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积（CVD）
常压化学气相沉积（APCVD）
在常压下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄膜 。
低压化学气相沉积（LPCVD）
在较低的压力下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形 成薄膜。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
利用等离子体激活反应气体，使其发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄 膜。
液相外延（LPE）
溶胶-凝胶法
将金属盐溶液通过脱水、聚合 等过程转化为凝胶，然后在一
定条件下转化为薄膜。
化学镀
利用化学反应在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
电镀
利用电解原理在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
薄膜的特性与性能参数
特性
薄膜具有一些独特的物理和化学特性， 如高表面面积、高纯度、高密度等， 这些特性使得薄膜在电子、光学、磁 学等领域具有广泛的应用前景。
性能参数
评估薄膜性能的参数包括表面粗糙度、 透光性、导电性、硬度等，这些参数 决定了薄膜在不同领域的应用效果。
薄膜的形成与生长机制
形成
薄膜的形成通常是通过物理或化学方法将物质蒸发或溅射到基材表面，然后凝 结或反应形成薄膜。
涉及其他非主要性能的表征，如化学稳定性、热稳定性等。
详细描述
除了光学、力学和电学性能表征外，还有其他一些非主要性能的表征方法，如化学稳定 性表征和热稳定性表征等。这些性能参数对于评估薄膜在不同环境条件下的稳定性和耐 久性具有重要意义，尤其在化学反应容器制造和高温环境应用等领域中具有重要价值。
[课件](讲义1)薄膜物理与技术PPT
薄膜物理与技术PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/0fb96d25eff9aef8941e06b4.png)
主要参考书
薄膜物理与器件. 肖定全、朱建国、朱基亮等，国防工业 出版社 (2011-05) 半导体薄膜技术与物理. 叶志镇、吕建国、吕斌，浙江大 学出版社 (2008-09) 薄膜物理与技术. 杨邦朝、王文生，电子科技大学出版社 (2006-09) 薄膜材料制备原理、技术及应用. 唐伟忠，冶金工业出版 社(2003-01) 薄膜科学与技术手册. 田民波、刘德令，机械工业出版社， (1991) Internet
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按薄膜厚度和晶体结构
• 超薄膜 • 二维纳米薄膜 • 薄膜 • 厚膜 • 单晶薄膜 • 多晶薄膜 • 非晶薄膜/微晶 • 纳米晶薄膜
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~ 10 nm < 100 nm < 10 µ m 10 ~ 100 µ m
21
四、薄膜的历史
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀 7世纪，溶液镀银工艺 19世纪中，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等 20世纪以来，学术和实际应用中取得丰硕成果，溅射法 近年来，Sol-Gel法、激光闪蒸法……
1. 2. 2. 3. 4. 5.
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按照材料特性（按σ，ε，u）
按电导率（ σ ）分有： 金属薄膜 半导体薄膜 绝缘体薄膜 超导体薄膜 光电薄膜 … 按（ ε ）分有： 介质薄膜
铁电薄膜
压电薄膜 热电薄膜
按导磁率（ u ）分有： 磁性薄膜 非磁性薄膜
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8
薄膜科学包括：
（1） 薄膜制造技术—— 气相沉积生长法（PVD、CVD…） 氧化生长法 Sol-gel法 电镀（电解）法 … （2）薄膜的形成（生长）—— 从气相原子凝结→形成晶核→核长 大 →网状结构（不连续性）→成膜（连续性）
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薄膜物理与技术第一章1、真空：低于一个大气压的气体空间。
P12、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越高。
P13、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P24、平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程。
P55、余弦定律：碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表面法线方向所成角度θ的余弦进行分布。
P76、极限压强（或极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0），而是具有一定的压强。
P77、抽气速率：在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
P78、机械泵的原理：利用机械力压缩和排除气体。
P89、分子泵的工作原理：靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走，而使被抽容器获得超高真空。
P13第二章1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17（1）加热蒸发过程：……（2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运：……（3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程：……2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空气非常稀薄的真空环境中进行？P18答：如果不是真空环境，蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。
3、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。
P184、蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。
P185、碰撞几率：。
P236、点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。
P25-27计算：公式2-28、2-337、蒸发源与基板的相对位置配置P33（1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中心。
（2）小平面源与基板相对位置的配置：当小平面源为球形工作架的一部分时，该小平面蒸发源蒸发时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。
（3）大、小面积基板和蒸发源的配置。
8、对蒸发源材料的要求：①熔点要高；②饱和蒸气压低；③化学性能稳定，在高温下不应与蒸发材料发生化学反应；④具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；⑤原料丰富，经济耐用。
P35、379、表2-5 适合于各种元素的蒸发源（蒸发源材料）。
P3610、外延：在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法。
P4611、同质外延：外延薄膜和衬底属于同一物质；异质外延：外延薄膜和衬底属于不同物质。
12、分子束外延：在超高真空条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层的技术。
P4613、第2-5节膜厚的测试方法（表2-8）第三章1、溅射：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。
P602、辉光放电：在真空度约为10～1Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。
P61图3-1 直流辉光放电伏安特性曲线P61图3-4 辉光放电过程中阴极附近分子状态示意图P653、射频辉光放电---为什么能溅射绝缘体？P664、溅射阈值：使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。
P675、溅射率：正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。
P686、两个理论：热蒸发理论、动量转移理论。
P83第四章1、离化率：被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比。
P107第五章1、CVD装置可分为：反应气体输入部分、反应激活能源供应部分、气体排出部分。
P1182、CVD法制备薄膜的过程可分为四个阶段。
P1193、5-4 低压化学气相沉积P1294、5-5 等离子体化学气相沉积P1305、有机金属化学气相沉积法（MOCVD法）的特点。
P133第六章溶液镀膜法（全部）第七章1、两种吸附过程：物理吸附、化学吸附。
P1442、表面扩散过程。
P1453、在研究凝结过程中通常使用的物理参数有：凝结系数、粘附系数、热适应系数。
P1474、薄膜的形成与成长的三种形式：岛状形式、单层成长形式、层岛结合形式。
P1485、在研究核形成过程时，常用的两种理论：热力学界面能理论、原子聚集理论。
P1496、成核速率：单位时间内在单位基体表面上形成稳定核的数量。
P1527、岛状薄膜的形成过程的四个阶段。
P1568、阴极溅射法制备薄膜和真空蒸发法制备薄膜的不同之处。
P1599、晶格失配数P16010、利用计算机模拟薄膜形成过程时可采用的两种方法：蒙特卡罗方法、分子动力学方法。
P161第八章1、薄膜结构的三种类型：组织结构、晶体结构、表面结构。
P1662、组织结构的四种类型：无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。
P1663、沉积薄膜微观结构的变化过程。
P1724、薄膜的缺陷：点缺陷、位错、晶粒间界、层错缺陷。
P175-1815、薄膜结构与组分的分析方法。
P181-188第九章1、薄膜附着的四种类型。
P1892、测量附着力的方法：划痕法、拉张法、剥离法。
P1913、应力、外应力、内应力、张应力、压应力。
P193-1944、测量薄膜内应力的方法：测量晶格畸变、测量基体变形。
P1945、压电薄膜。
P2156、闪锌矿：立方晶结构；纤锌矿：六方晶结构。
P2167、热释电薄膜。
P2198、铁电薄膜。
P220补充：真空表读真空度的方法一个正常大气压为760毫米汞柱，也就是一个负的大气压为-760毫米汞柱，20mmHG 的话也就是要达到-740mmHG，这个值在MPA为单位的表头来表示的话已经接近-0.1Mp 了,MPA为单位的通常一大格分五小格,20/760*50=1.3小格,也就是-0.097MPA左右（1）真空表上“0”表示正一个大气压, “-0.1”表示绝对真空。
真空表上的指示值不表示真空度的绝对值，只表示了真空度的相对值。
真空度的换算；根据本表的刻度示值范围，真空度的绝对值与相对值可用下式换算：P=1×105（1-δ/0.1）[ P - 真空度的绝对值（Pa）δ- 真空表的刻度示值绝对值]例一：表的示值为O，则P=1×105（1-O/0.1）=1×105 Pa = 1个大气压例二：表的示值为0.1，则P=1×105（1-0.1/0.1）= 0 Pa为绝对真空。
(绝对真空是不存在的)例三：表的示值为0.08，则P=1×105（1-0.08/0.1）= 2×104 Pa =20Kpa（2）进口泵常采用mbar（毫巴）作为单位，那么毫巴与表读数如何换算呢？公式：B=1×104（0.1-δ）例：表的示值为0.085，则B=1×104（0.1-0.085）=150mbar（3）国内客户经常用mmHg(毫米汞柱)做单位,那么毫米汞柱与Mpa又该如何换算呢？公式：M=P×760/0.1=P×7600例：表的示值为0.085，则M=0.085×7600=646mmHg计算公式就是：绝对压力（Mpa）=（0.1+压力表读数）（Mpa）我们假设大气压的绝对压力是0.1Mpa，那么：-0.1的时候的绝对压力是多少Pa？0Mpa-0.08的时候绝对压力是多少Pa？0.02Mpa-0.06的时候绝对压力是多少Pa？0.04Mpa0.1的时候绝对压力又是多少MPa？0.2Mpa0.2的时候绝对压力又是多少MPa？0.3Mpa真空表上“0”表示正一个大气压, “-0.1”表示绝对真空。
真空表上的指示值不表示真空度的绝对值，只表示了真空度的相对值。
真空度的换算；根据本表的刻度示值范围，真空度的绝对值与相对值可用下式换算：P=1×105（1-δ/0.1）P - 真空度的绝对值（Pa）δ- 真空表的刻度示值绝对值例一：表的示值为O，则P=1×105（1-O/0.1）=1×105 Pa = 1个大气压例二：表的示值为0.1，则P=1×105（1-0.1/0.1）= 0 Pa为绝对真空。
（绝对真空是不存在的）例三：表的示值为0.08，则P=1×105（1-0.08/0.1）= 2×104 Pa 本产品的真空度指标值为＜267Pa，表示本产品在267Pa（表面示值约为0.0997，接近于-0.1）时的低真空度状态下仍能保证正常工作。
产品的真空度主要取决于配套真空泵的性能。
真空度计量单位换算如下：0.1Mpa =1×105 Pa = 760mmHg = 1个大气压1乇= 1mmHg = 133.33Pa2乇= 0.00026666Mpa ≈267Pa。