薄膜的结构与缺陷
薄膜的结构特征和缺陷
高分子薄膜
如聚乙烯膜、聚丙烯膜等， 具有良好的柔韧性和加工 性，广泛应用于包装、印 刷等领域。
PART 02
薄膜结构特征分析
表面形貌与粗糙度
表面形貌
薄膜表面通常呈现出不同的形貌特征，如平滑、粗糙、颗粒状等。这些形貌特 征受到制备工艺、材料性质等因素的影响。
粗糙度
粗糙度是描述薄膜表面不平整程度的参数，常用算术平均粗糙度（Ra）或均方 根粗糙度（Rq）来表示。粗糙度对薄膜的光学、电学等性能有重要影响。
WENKU
REPORTING
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度、湿度和化学物质等，导致结构和性能的不稳定。
缺陷控制难题
02
薄膜中常常存在各种缺陷，如空位、杂质、位错等，这些缺陷
对薄膜的性能产生严重影响，而控制缺陷的难度较大。
大面积制备技术瓶颈
03
目前薄膜的制备技术难以实现大面积、高质量薄膜的制备，限
制了薄膜材料在实际应用中的推广。
未来发展趋势预测
新型薄膜材料的开发
01
晶界
不同晶粒之间的界面，由于晶粒取向不同而形成面缺陷。晶界可能是由
于晶体生长过程中的形核、长大等因素导致。
02
相界
不同相之间的界面，由于相结构或化学成分不同而形成面缺陷。相界可
能是由于薄膜制备过程中的成分偏析、热处理等因素造成。
03
面缺陷对薄膜性能的影响
可能导致薄膜力学性能降低、耐腐蚀性变差等。
2
精确控制沉积速率、温度、压力等关键工艺参数， 以确保薄膜具有所需的结构和性能。
3
采用先进的工艺控制技术，如实时监测与反馈调 整，确保制备过程的稳定性和可重复性。
优化原材料质量和纯度
选用高纯度、高质量的原材料， 以减少杂质和缺陷的引入。
《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。
薄膜结构面面观
薄膜结构面面观摘要：膜结构作为一种新型的建筑结构体系在上世纪70年代受到人们的普遍关注，并在大空间建筑中得到广泛的应用。
本文以漫谈的方式概述膜结构的起源，发展，性能，应用及其对建筑理念的影响。
关键词：膜结构网膜结构缆索膜结构穹顶大空间0 引言所谓膜结构是指积极地利用膜状材料并在结构与建筑设计上能充分表现膜结构的特点的结构形式。
膜结构的材料特性决定了它独特的结构形态以及建筑形态。
就其对建筑造型的空间形态的影响来看，空间造型表现出一种轻逸感，建筑摆脱了沉重的结构构架，使人们从深沉厚重的建筑审美感觉中解放出来，并且逐渐接纳前者，如今轻的表现倾向于向大空间构架方向发展。
“轻”以成为建筑审美的一大特点是建筑技术的体现，而支撑这种轻盈的膜材或膜面的构造也应具有轻量感。
用大空间构架来表现轻的感觉是一种世界流行的趋势。
在欧美及世界各国的建筑师都采用独特的手法以获得这种轻的效果。
对“轻”的追求已成为某些类型建筑设计的理念。
1 发展过程膜结构真正在世界范围内发展起来的标志应是1970年的日本大阪的万国博览会，此前，在欧洲膜结构已经较为广泛的应用到了建筑设计中，但是并没有在全球的范围内普及。
其中的原因很多。
首先，膜结构是一种新型的高技术含量的建筑结构。
发展中国家及落后国家没有能力支持其技术的开发与研究更谈不上应用到建筑设计当中去。
其二；作为永久性的建筑材料，必须是不燃的，而且，对建筑材料的强度和耐久性也有很高的要求。
而原来的膜结构在防火，荷载等方面都存在技术上的缺陷与不足。
因此，它无法成为永久性的建筑材料而只能用于临时性质的建筑中。
很长的一段时间内，膜结构只适用于类似博览会建筑等特殊建筑中。
但是，建筑师，结构工程师们却被这种新型结构的魅力所折服，这激发了它们研究膜结构的热情。
之后，通过若干次博览会膜结构得到了近一步的研究，膜材料也经过多次试验，逐步确立了膜结构的设计方法。
这时期进行了大量的膜结构的结构分析。
借助电子计算机对膜结构的形态及膜材料的非线性特征作了大量的研究，对膜面皱折，形状及结合处的分析已经是很普及了。
薄膜生长
薄膜生长与薄膜结构1、概述“薄膜”很难用一句话来定义。
为了与厚膜相区别，一般认为厚度小于1μm的膜称为薄膜。
另外针对于薄膜的生长过程和形态，人们对于薄膜的认知也不同，比如在成膜初期的岛状不连续构造，很多人不认为是薄膜。
薄膜（film）材料和块体（bulk）材料有很多的不同。
首先薄膜生长伴随着温度的急剧变化，内部会存在大量的缺陷；其次，薄膜的厚度与表面尺寸相比相差甚远，可以看成二维结构，表面效应非常强。
薄膜的最终性能与薄膜的生长过程密切相关。
从微观角度看，入射到基板或薄膜表面的气相原子，一部分被反射回去，一部分被表面捕获吸附后吸收能量再蒸发出去，一部分被表面捕获吸附后凝结成核，逐渐长大，最终形成连续的膜层。
下面将详细分析薄膜的生长过程。
2、吸附材料表面是一种特殊的状态，从结构方面讲，这里存在原子或分子间结合键的中断，因此具有吸引外来原子或分子的能力；从能量方面来讲，这里具有一种较高的能量：表面自由能，只有吸附了气相原子之后，自由能才会减小，从而变得稳定。
这种气相原子被吸引住的现象称为吸附，伴随吸附现象的发生而释放的能量称为吸附能。
入射到基板表面的原子可能会发生三种现象：1、与基板表面进行能量交换被吸附；2、吸附后在基板表面做短暂停留，能量过大或吸收能量后再次蒸发；3、直接被基板表面反弹回去。
用溅射法制备薄膜时，入射到基板表面的气相原子，绝大多数都与基板表面原子进行能量交换而被吸附。
如果吸附仅仅是由原子电偶极矩间的范德华力起作用，则称为物理吸附，比如冬天窗户上形成的雾状水气；如果吸附是由化学键结合力起作用，则称为化学吸附，比如当前研究比较热的纳米氧化层。
作为实际问题，使用何种材料，进行什么处理，在真空容器内发生哪种吸附，效果怎么样，这些还不能简单说清楚，特别是表面状态不能保持一定，越发使问题复杂化。
到现在为止，这方面的研究还不多。
在薄膜制造中，如果我们想要获得新材料，那么可以积极利用这种吸附情况；如果我们想得到清洁的纯膜，那么这种吸附会引起麻烦。
薄膜的结构与缺陷
总结词
薄膜在电子器件领域的应用广泛，包括集成电路、显示器、 太阳能电池等。
详细描述
薄膜材料具有优异的电学、光学和机械性能，能够提高电子 器件的效率、稳定性和可靠性。例如，在集成电路中，薄膜 可以作为导电层、绝缘层和介质层，实现高速、低功耗的电 路传输。
光学器件领域
总结词
薄膜在光学器件领域的应用主要涉及反射、折射、滤光等功能。
点缺陷
定义
点缺陷是指薄膜中仅有一个或几个原子尺度的缺陷。
形成原因
在薄膜制备过程中，由于原子或分子的迁移率低，导致某些位置上 的原子或分子无法到达预期位置，从而形成点缺陷。
影响
点缺陷的存在会影响薄膜的物理和化学性质，如导电性、光学性能 等。
线缺陷
定义
线缺陷是指沿某一特定方向延伸的缺陷，如位错、晶界等。
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薄膜的结构与缺陷
目录
• 薄膜的简介 • 薄膜的结构 • 薄膜的缺陷 • 薄膜的制备方法 • 薄膜的检测与表征 • 薄膜的应用与展望
01
薄膜的简介
薄膜的定义
薄膜是指在固体表面上的一个薄层， 其厚度通常在纳米到微米级别。
薄膜的特性与基底材料、制备工艺、 环境条件等多种因素有关。
薄膜的分类
根据材料分类
影响
面缺陷的存在会影响薄膜的光学性能和表面平整度，如反射率、透光 率等。
04
薄膜的制备方法
物理气相沉积法
01
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料，使其原子或分子从蒸发源中逸出，并在基底表面凝
结成膜的方法。
02
子或分子被溅射出来并在基底表面
沉积成膜的方法。
03
离子镀
外延薄膜中的缺陷
衬底与外延薄膜的匹配：确保衬底与外 延薄膜在晶格结构、热膨胀系数等方面 相匹配，以减少因失配引起的缺陷。
杂质控制
杂质来源：原材料、设备、环境等 杂质扩散：控制扩散速度和范围 杂质类型：金属、非金属等 杂质检测：采用各种检测手段
表面重构优化
表面重构的概念： 通过改变薄膜表面 的原子排列，提高 薄膜的稳定性和性 能。
衬底表面的粗糙度、不均匀性以及附着力的强弱等因素也会影响外延薄 膜中缺陷的形成。
衬底中的杂质和缺陷可以传递到外延薄膜中，从而影响其结构和性能。
衬底温度对外延薄膜中缺陷的形成也有影响，温度过高或过低都可能导 致缺陷的产生。
杂质的影响
杂质的存在会导 致外延薄膜中缺 陷的形成。
杂质的类型和浓 度对缺陷的形成 有重要影响。
动力学演化
缺陷的生成与扩散
缺陷间的相互作用
缺陷与外延薄膜的相互作用
缺陷演化的动力学模型
缺陷的相互作用与竞争
不同缺陷之间的相互作用 方式
缺陷之间的竞争关系及其 演化过程
缺陷相互作用的物理机制 和影响因素
缺陷竞争对薄膜性能的影 响和作用机理
缺陷的扩散与迁移
缺陷在外延薄膜中的扩散方式 缺陷扩散的驱动力与影响因素 缺陷的迁移机制与动力学过程 缺陷扩散与迁移对薄膜性能的影响
外延薄膜中的缺陷
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
目录
01 外 延 薄 膜 的 缺 陷 类 型
03 外 延 薄 膜 中 缺 陷 的
演化机制
05 外 延 薄 膜 中 缺 陷 的 控制方法
02 外 延 薄 膜 中 缺 陷 的 形成原因
04 外 延 薄 膜 中 缺 陷 的 表征技术
薄膜的结构与缺陷
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薄膜表面结构与构成薄膜整体的内部结构相关， 因此应研究薄膜内部结构。
2、内部结构
由于薄膜表面结构和构成薄膜整体的微型体状密 切相关，大多数蒸发薄膜具有下述特点：
形成无定形薄膜的工艺条件：
降低吸附原子的表面扩散速率(通过降低基体温度Ts、引 入反应气体和搀杂方法实现)，使原子扩散速率降低到凝结 在本身射点及入射点附近。
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二．薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。 ◆ 由于晶体结构具有对称性，可以用三维空间中的三个矢 量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
四、层错缺陷
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在真空蒸发薄膜中存在层错缺陷，由原子错排 产生，
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在完整的面心立方晶体中应以ABC顺序堆垛，每三层一个 反复，周而复始，ABCABC……（若在原子排列中缺少某 一层，如A层），则为ABC BC ABC，于是产生了层错。
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◆ 若薄膜的平均厚度为d，它按无规则变量的泊松 几率分布，由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
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1—在N2气压为133.3Pa下淀积的；2—在高真空下淀积的 14
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◆ 薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。但由于
入射原子沉积到基体表面上之后，释放出能量就吸附在 基体表面上。然后依靠横向扩散能量在表面上作扩散， 占据表面上的一些空位，使薄膜表面上的谷被填平，峰 被削平，导致薄膜表面面积不断缩小，表面能逐步降低。
第八章-薄膜的结构与缺陷
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原因解释： 阴影效应 在沉积过程中，基片表面优先生长出许
多峰状微小晶粒，由于阴影效果，遮住了相邻的 晶粒使继续入射的原子达不到其表面，使薄膜表 面凹凸不平，内部出现大缺陷。
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若沉积薄膜时真空度较低，由于残余气压过高， 入射的气相原子和残余气体分子相碰撞，先在 气相中凝结成烟尘，然后再到达基体表面沉积 形成薄膜。由于这种薄膜由微粒松散堆积而成， 也是多孔性的。
看作区域1 在Ts/Tm 值为0时在非常光滑基体上形 成的极限形式。是区域1结构中晶粒尺寸小到难 以分辨时呈现的纤维结构。 当入射气相粒子流垂直入射沉积在较光滑、均匀 的基体表面上时，在吸附原子的表面扩散速率足 够大时，可形成接近区域1 的结构。
特点：晶粒间界致密，机械性能好。
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区域 2 在基体温度较大，或沉积吸附原子在基
扩散到表面上稳定的位置，排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染，以及蒸镀速度。
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二．薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。 ◆ 在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与块 状晶体是相同的。（7个晶系14 种布拉非格子）
◆不同之处：
晶粒择优取向薄膜（包括锥形结构、纤维结构和柱 状结构）
在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发 现的介稳相结构。
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晶界：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面，具有与晶 粒内部不同的特征。 晶界特点： ①由于晶界中晶格畸变较大，晶界上原子的平均能
量高于晶粒内部原子的平均能量，它们的差值称 为晶界能。 ②由于晶界中原子排列不规则，其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处，杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。
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◆ 不规则的网络结构是两种互相贯通的随机密堆积结 构组成的。这些随机结构的特征是缺乏连续的长程有 序性。
◆ 在x 射线衍射谱图中，呈现很宽的漫散射峰，在电
子衍射图中显示出很宽的弥散性光环。
薄膜的结构与缺陷
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形成无定形薄膜的工艺条件：
降低吸附原子的表面扩散速率。
方法：
降低基体温度Ts、引入反应气体和掺杂。 实例：
取向。
◆ 薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段：
初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。
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薄膜的结构与缺陷
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◆ 若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率， 晶粒的择优取向可发生在薄膜形成的初期阶段。
在起始层中原子排列取决于基体表面、基体温度、 晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点。
a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率，因此 沉积速率和基体温度 Ts 是重要因素。
b、基体与薄膜材料的结晶相容性。
晶格失配数 m=(b-a)/a ，m值越小，一般
地说其外延生长就越容易实现。
C、基体表的结构与缺陷
12 12
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薄膜的结构与缺陷
薄膜结构因研究对象不同可分为三种类型：
组织结构、晶体结构、表面结构。 一．薄膜的组织结构
指它的结晶形态。
无定形结构 多晶结构（包括纤维结构） 单晶结构
薄膜的结构与缺陷
33
1．无定形结构(非晶结构或玻璃态结构)
无定形
近程有序，长程无序，2～3个原子距离内原子排列是
有秩序的，大于这个距离其排列是杂乱无规则的。
A、硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形 成无定形薄膜。
B、10-2~10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟等超导薄 膜，由于氧化层阻挡晶粒生长而形成无定形薄膜。
C、83%ZrO2 -17%SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉
202积1/3/原3 子尺寸的不同也可薄膜形的结成构与无缺陷定形薄膜。
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13 13
外延温度：要得到单晶膜，基底必须保持的最低临 界温度。
需要外延温度的原因： 在这温度以上能保证沉积原子有足够的条件迁徙，
扩散到表面上稳定的位置，排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染，以及蒸镀速度。
薄膜的结构与缺陷
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二．薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
1、晶粒取向和晶粒尺寸不同。
2、晶格常数不同。
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薄膜的结构与缺陷
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原因：
① 晶格常数不匹配
晶格常数失配数 m=(b-a)/a
当m≈2%时，晶格畸变层厚度为n个Å 当m≈4%时，晶格畸变层厚度可达几百Å
晶界特点：
①由于晶界中晶格畸变较大，晶界上原子的平均能 量高于晶粒内部原子的平均能量，它们的差值称 为晶界能。
②由于晶界中原子排列不规则，其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处，杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。
多晶薄膜中晶粒间界原子扩散的研究方法包括建立 解析数学模型和实验技术。
薄膜的结构与缺陷
❖ 在ZrO2中掺入Y2O3后可防止介稳相产生而形成 稳定的立方相。
❖ 形成介稳相的原因可能是沉积工艺条件、基体、 杂质、电场和磁场等引起的。
❖ 但通过退火热处理可使介稳相转变成稳定的正常 结构。
薄膜的结构与缺陷
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晶界：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶粒间 界，或称晶界。具有与晶粒内部不同的特征。
如：非晶半导体薄膜、非晶稀土-过渡金属磁光薄 膜，某些阳极氧化膜
类无定形
由无序排列的极其微小（<2nm）的晶粒组成，其X射 线和电子束的衍射图像发生严重弥散而类似于无定 形结构。
如：高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳、 硅、锗的某些化合物薄膜，两个不相容材料的共沉 薄膜。
薄膜的结构与缺陷
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◆无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。 两种结构： 不规则的网络结构（玻璃态） 主要出现在氧化物薄膜、元素半导体薄膜和硫化物薄 膜中。 随机密堆积的结构 主要出现在合金薄膜之中。
◆ 如果吸附原子的表面扩散速率小，初始膜层不 会产生择优取向。
◆当膜层较厚时,则形成强烈的对着蒸发源方向的 取向。晶粒向蒸发源的倾斜程度依赖于基体温度、 气体原子入射角度和沉积速率等。
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薄膜的结构与缺陷
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4．单晶结构
原子高度有序排列。单晶结构薄膜多由外 延工艺制作。
外延生长单晶薄膜条件：
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。
◆ 由于晶体结构具有对称性，可以用三维空间中的三个矢
量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
其中a、b、c是晶格在三维空间中的基本平移量，称为
晶格常数。
◆ 在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是
相同的。（7个晶系14 种布拉非格子）
不同之处：
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3．纤维结构
纤维结构薄膜 是晶粒具有择优取向的薄膜。
『属于这种结构的有各种压电微晶薄膜』
◆ 根据取向方向、数量的不同分为:
单重纤维结构 双重纤维结构。
单重纤维结构：晶粒只在一个方向上择优取向，
有时称为一维取向薄膜。
双重纤维结构：在两个方向上有择优取向，有时称为
二维取向薄膜。
◆在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示出择优
第八章 薄膜的结构与缺陷
§8-1 薄膜的结构 §8-2 薄膜的缺陷 §8-3 薄膜结构和组织的分析方法
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薄膜的结构与缺陷
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薄膜的结构与缺陷在一定程度上决定着 薄膜的性能，因此对薄膜结构与缺陷的研 究一直是大家十分关注的问题。
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薄膜的结构与缺陷
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§8-1 薄膜的结构
2.多晶结构
多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。
晶粒尺寸一般在10-100nm，亦称为微晶薄膜（如低熔点金 属薄膜）。晶粒特别小（<10nm）的薄膜，称为超微粒薄 膜。
在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征（原子 有规则的排列），由众多小岛聚结形成薄膜就是多晶薄膜。 真空蒸发与溅射法制成的薄膜多属于这种结构。
分类：
按微晶的排列情况：
无序多晶薄膜（包括多熔点金属薄膜）
晶粒择优取向薄膜（包括锥形结构、纤维结构和柱状结构）
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薄膜的结构与缺陷
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❖ 在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发 现的介稳相结构。
❖ 例如在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。当四 方相朝单斜相转变时伴随有4％的体积膨胀。