纳米第07讲-物理气相沉积法

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中空微纳米结构制备方法

中空微纳米结构制备方法

中空微纳米结构制备方法一、物理气相沉积物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)是一种制备中空微纳米结构的方法。

该方法利用物理过程,如蒸发、溅射或离子束沉积,将材料从源物质转化为气态,然后凝结在基底上形成薄膜。

通过控制沉积条件,可以制备出具有不同形貌和结构的中空微纳米结构。

二、化学气相沉积化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一种利用化学反应制备中空微纳米结构的方法。

该方法通过将反应气体在基底上加热或通过等离子体激发,促进气体之间的化学反应,形成固态薄膜。

通过控制反应条件,可以制备出具有特定形貌和结构的中空微纳米结构。

三、模板法模板法是一种利用模板制备中空微纳米结构的方法。

该方法将模板材料(如聚合物、金属或氧化物)制成孔洞阵列,然后通过填充其他材料或化学反应形成中空结构。

模板法可以制备出具有复杂形状和尺寸的中空微纳米结构,但其工艺过程较为繁琐。

四、软模板法软模板法是一种利用软模板制备中空微纳米结构的方法。

该方法利用自组装单分子层或高分子凝胶作为模板,通过化学反应或物理填充形成中空结构。

软模板法可以制备出具有较大面积和均匀分布的中空微纳米结构,但其制备过程受限于模板的稳定性。

五、微球组装法微球组装法是一种利用微球颗粒制备中空微纳米结构的方法。

该方法将单分散的微球颗粒作为硬模板,通过吸附或自组装形成有序阵列,再通过去除模板制备出中空微纳米结构。

微球组装法可以制备出具有规整和可调尺寸的中空微纳米结构,但其工艺过程较为繁琐。

六、电化学沉积电化学沉积是一种利用电化学反应制备中空微纳米结构的方法。

该方法通过在电极上施加一定的电位,使溶液中的离子发生还原或氧化反应,形成固态薄膜或中空结构。

电化学沉积可以制备出具有高纯度和高密度的中空微纳米结构,但其对电极材料和溶液的限制较大。

七、激光诱导液态薄膜相变激光诱导液态薄膜相变是一种利用激光诱导液态薄膜相变制备中空微纳米结构的方法。

气相沉积法制备纳米材料

气相沉积法制备纳米材料

气相沉积法制备纳米材料气相沉积法主要包括化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)和物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition,PVD)两种类型。

其中,CVD主要利用化学反应来产生纳米材料,而PVD主要利用物理方式,如蒸发和溅射等,将材料直接沉积在基底上。

气相沉积法具有以下特点:1.高纯度制备。

气相沉积法在高真空条件下进行,可以避免杂质的污染,从而得到高纯度的纳米材料。

2.可控性好。

通过控制反应温度、气体流量、反应时间等参数,可以精确控制纳米材料的成分、尺寸、形貌等,实现所需功能。

3.薄膜均匀性好。

气相沉积法通过在基底上均匀沉积材料,可以得到均一的纳米材料薄膜,其性能也相对一致。

4.生长速度快。

气相沉积法可以在较短的时间内生长大量纳米材料,提高制备效率。

气相沉积法在制备纳米材料方面有广泛的应用。

例如,在纳米纤维制备中,可以利用电纺丝技术制备纳米纤维薄膜。

电纺丝技术中,通过电场作用将高分子溶液快速拉伸成纳米级细纤维,然后经过气相沉积法,将纳米颗粒或纳米结构材料沉积到纳米纤维上,从而得到具有特殊功能的纳米复合材料。

此外,气相沉积法还可以制备纳米粉体。

利用热化学反应,在气相中将金属盐溶液或金属有机化合物热解分解,生成纳米金属颗粒。

这些纳米金属颗粒可以用于催化剂、传感器、磁性材料等领域。

总的来说,气相沉积法是一种重要的纳米材料制备方法,具有制备纳米材料纯度高、生长速度快、可控性好等优点。

随着科技的发展,气相沉积法在纳米材料领域的应用将会更加广泛。

物理气相沉积技术及其在纳米材料制备中的应用

物理气相沉积技术及其在纳米材料制备中的应用

物理气相沉积技术及其在纳米材料制备中的应用纳米材料作为一种在纳米尺度上具有特殊性质和应用价值的新型材料,已在诸多领域展现了广泛的应用前景。

物理气相沉积技术 (Physical Vapor Deposition, PVD) 是制备纳米材料的重要手段之一,其基本特点是利用高能量粒子对固体表面进行打击、溅射并在另一处形成新材料的过程。

本文将介绍PVD技术的基本原理及其在纳米材料制备方面的应用。

1. PVD技术的基本原理PVD技术基于精细物理学和材料科学的理论基础,是通过控制严格的真空环境、电子束激发、离子轰击、蒸发等工艺,将金属、合金、化合物等材料从固态转变为气态,再通过约束等方法将气态物质转移到目标表面上,形成所需的薄膜或沉积物质。

在具体的操作过程中,通常会采用真空室、热源、电源等设备来实现材料的升华、蒸发或溅射。

PVD技术的主要工艺流程包括以下几个步骤:(1) 材料的升华或蒸发:采用熔融的方式或其他方式,将原始材料升华或蒸发,形成气态物质。

(2) 维持真空环境:将制备环境维持在高度真空状态,以防止气态物质在空气中与水分或氧气等的反应。

(3) 气态物质的传输:使用约束方法将气态物质传输到制备物质的表面。

(4) 沉积过程:将气态物质在制备物质的表面沉积,形成薄膜或其他制备物质。

2. PVD技术在纳米材料制备中的应用PVD技术广泛应用于纳米材料的制备中,特别是在金属、半导体、薄膜等领域有着重要的应用,如下所示:(1) 金属纳米材料的制备通过PVD技术可以制备各种金属的纳米材料,如Au、Ag、Cu、Ni和Pt等,这些纳米材料具有比其它形态的同种金属粒子更优异的物理、化学和生物学特性,例如更小的粒径、更可控的表面活性和更好的生物相容性等。

同时,PVD技术还可以制备多种形态的金属纳米材料,如球形、立方体、多面体等,具备良好的结构性能和表面活性,应用于催化、表面增强拉曼光谱、电子器件等方面。

(2) 半导体纳米材料的制备PVD技术可用于制备半导体陶瓷纳米材料,如TiO2、ZnO、Al2O3等材料。

薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法

薄膜物理课件 (7)薄膜的物理气相沉积法

真空蒸发的基本原理
计算1%的温度变化, 蒸发薄膜生长速率的变化情况 蒸发薄膜生长速率的变化情况。 值为 计算 的温度变化,Al蒸发薄膜生长速率的变化情况。B值为 的温度变化 3.586×104K,蒸气压为1托时的蒸发温度值为 × ,蒸气压为1托时的蒸发温度值为1830K
dG B 1 dT = 2.3 − G T 2 T
真空蒸发的基本原理
3. 蒸发速率 处于热平衡状态时,压强为 的气体单位时间内碰撞单位面积 处于热平衡状态时,压强为P的气体单位时间内碰撞单位面积 的分子数
1 P J = nυ a = 4 2πmkT
n:分子密度 : Va:算术平均速度 : m:分子质量 : k:玻尔兹曼常数 :
真空蒸发的基本原理
真空蒸发的基本原理
思考如下问题:如果沉积过程不在真空环境下进行将怎样? 思考如下问题:如果沉积过程不在真空环境下进行将怎样? (1) 蒸发原子或分子将与大量的空气分子碰撞,使膜层受到污染, 蒸发原子或分子将与大量的空气分子碰撞,使膜层受到污染, 甚至形成氧化物 (2) 蒸发源被加热氧化物烧毁 (3) 由于空气分子的碰撞阻挡,难以形成均匀连续的薄膜 由于空气分子的碰撞阻挡,
真空蒸发的基本原理
如果对上式乘以原子或分子质量, 如果对上式乘以原子或分子质量,则得到单位面积的质量蒸 发速率
G = mJ m =
≈ 5.83 × 10
−2
m ⋅P υ 2πkT
(g/cm2·s,Torr) / (kg/m2·s,Pa) /
M ⋅P υ T M ⋅P υ T
≈ 4.37 × 10
−3
第一节
一、真空蒸发的基本原理
真空蒸发镀膜法
1. 真空蒸发的特点与蒸发过程 真空蒸发镀膜的特点: 真空蒸发镀膜的特点: 设备比较简单,操作容易;制成的薄膜纯度高、质量好, 设备比较简单,操作容易;制成的薄膜纯度高、质量好,厚 度可较准确控制;成膜速度快、效率高; 度可较准确控制;成膜速度快、效率高;薄膜的生长机理比 较单纯 真空蒸发镀膜的缺点: 真空蒸发镀膜的缺点: 不容易获得结晶结构的薄膜,薄膜与基板的结合力小,工艺的重 不容易获得结晶结构的薄膜,薄膜与基板的结合力小, 复性不好

《物理气相沉积》课件

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电源设备
高压电源
01
提供高电压以产生电离气体。
直流电源
02
提供直流电流以加热沉积材料。
射频电源
03
提供射频能量以实现射频物理气相沉积。
控制设备
控制系统
用于控制物理气相沉积过程的各项参数,如温度、压力、电流等 。
监控系统
用于实时监测物理气相沉积过程的状态和参数。
数据采集系统
用于采集和记录物理气相沉积过程中的数据。
缺陷。
涂层制备工艺
真空系统建立
通过真空泵将沉积室内的气体抽至一定的真空度 ,为涂层制备创造必要的环境条件。
气相沉积
在真空条件下,通过物理方法将气态物质转化为 固态涂层,附着在工件表面。
涂层厚度控制
通过控制沉积时间和工艺参数,精确控制涂层的 厚度和均匀性。
后处理工艺
退火处理
通过加热使涂层内部原子重新排列,提高涂层的硬度 和稳定性。
详细描述
在溅射沉积中,高能粒子(如离子)轰击靶材表面,使靶材 原子或分子从表面溅射出来,并在基体上沉积形成薄膜。该 方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机材料。
离子镀
总结词
离子镀是一种物理气相沉积技术,通过将材料离子化并在电场作用下加速到基体 上,实现高能离子束沉积成膜。
详细描述
在离子镀中,将材料离子化后形成离子束,通过电场加速作用将离子束导向基体 表面,在基体上沉积形成薄膜。该方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机 材料,具有高沉积速率和良好的附着力。
由金属和非金属材料组成,具有优异 的力学性能和耐磨性,常用于制造机 械零件和刀具等。
04
物理气相沉积工艺
前处理工艺
表面清洗
去除工件表面的污垢、油脂和杂 质,确保表面干净,以提高涂层

《物理气相沉积》课件

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历史
物理气相沉积技术的起源可 以追溯到19世纪早期,随着 技术的发展和进步,它成为 了研究和应用中的重要工具。
技术分类
物理气相沉积技术可以根据 不同的气源、沉积方式和衬 底类型进行分类,如蒸发沉 积、溅射沉积和激光热解沉 积等。
物理气相沉积的原理
物理气相沉积过程包括原子蒸发、沉积再结晶和薄膜形成,其结果受多种影响因素的调控和控制。Fra bibliotek半导体行业
光伏行业
物理气相沉积可用于制备半导体器件中的金属导线、 氮化物薄膜和硅化物膜等。
物理气相沉积技术可用于制备太阳能电池中的透明 导电膜和光学薄膜。
硬盘制造
物理气相沉积可用于制备硬盘磁记录头中的磁性材
生物医学
物理气相沉积技术在生物医学研究中用于制备生物
物理气相沉积与其他沉积技术的比较
物理气相沉积与化学气相沉积和电子束蒸发等其他沉积技术相比具有不同的特点和适用场景。
1
原子蒸发
通过加热蒸发源,使固态材料转变为气态原子或分子,形成沉积粒子。
2
沉积再结晶
沉积粒子在衬底表面再结晶,形成连续的固体薄膜结构。
3
影响因素
沉积速率、沉积温度、沉积材料的物性和衬底表面的准备都会对薄膜沉积过程和性质产生重 要影响。
物理气相沉积的应用
物理气相沉积技术在半导体行业、光伏行业、硬盘制造和生物医学等领域得到广泛的应用。
化学气相沉积
通过化学反应产生沉积物,具有较高的沉积速率和 较好的均匀性,适用于大面积薄膜制备。
电子束蒸发
使用高能电子束蒸发材料,沉积速率快,适用于高 精度和小面积的薄膜制备。
《物理气相沉积》PPT课 件
本课程将介绍物理气相沉积的原理、应用和与其他沉积技术的比较,为您带 来一场视觉盛宴和知识的探索之旅。

物理气相沉积

物理气相沉积

物理气相沉积(PVD)技术第一节概述物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用,但在最近30年迅速开展,成为一门极具广阔应用前景的新技术。

,并向着环保型、清洁型趋势开展。

20世纪90年代初至今,在钟表行业,尤其是高档手表金属外观件的外表处理方面到达越来越为广泛的应用。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体外表气化成气态原子、分子或局部电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体外表沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

物理气相沉积的主要方法有,真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜,及分子束外延等。

开展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

真空蒸镀根本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉积在基体外表上,蒸发的方法常用电阻加热,高频感应加热,电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体外表,历史上,真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

溅射镀膜根本原理是充氩(Ar)气的真空条件下,使氩气进展辉光放电,这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+),氩离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件外表。

如果采用直流辉光放电,称直流(Qc)溅射,射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。

磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。

电弧等离子体镀膜根本原理是在真空条件下,用引弧针引弧,使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进展弧光放电,阴极外表快速移动着多个阴极弧斑,不断迅速蒸发甚至“异华〞镀料,使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体,并能迅速将镀料沉积于基体。

因为有多弧斑,所以也称多弧蒸发离化过程。

离子镀根本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子局部电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。

第七章气相沉积技术ppt课件

第七章气相沉积技术ppt课件

让 优

成 为

种 习

定义:等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等, 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
让 优

成 为



离子镀膜的应用
让 优

成 为

种 习

①首先,离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次,离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带,到手机外壳,鼻梁上的眼镜,再到我 们衣服上的扣子、领带夹,腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优

成 为

种 习

化学气相沉积
什么东西最硬?(钻石、铬钴) 沉积原理?
外延
让 优

成 为



外延的概念:外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体(同质外延),或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体(异质外延)。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑:依附于固体表面并得到 其支撑而存在,并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
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纳米材料和纳米结构P hysical V apor D eposition物理气相沉积第七讲Physical Vapor Deposition (PVD)物理气相沉积一、Definition定义Film deposition by condensation(凝结) from vapor phase(气相)从气相凝结的薄膜沉积二、Three Steps of PVD:(PVD的三个步骤:)1、Generating a vapor phase by evaporation or sublimation(用蒸发或升华生成一个气相)1、Electron-beam evaporation(电子束蒸发)2、Molecular-beam epitaxy(分子束外延)3、Thermal evaporation(热蒸发)4、Sputtering (溅射)5、Cathodic arc plasma deposition(阴极电弧等离子沉积)6、Pulsed laser deposition(脉冲激光沉积)2、Transporting the material from the source to the substrate(把原材料导入基底;)3、Formation of film by nucleation and diffusion(集结和扩散作用形成薄膜;)三、Application(应用)1、Coatings of electronic materials(电子材料的镀膜)Insulator绝缘体Semiconductor半导体Conductor导体Superconductor(超导体)2、Nanometer scale multilayer structures(纳米尺寸的层结构)Advanced electronic devices先进电子设备Abrasion resistant coatings耐磨涂料四、Concerned Problems(关注问题)*Contamination at the interfaces or intermixing(在物质界面和混合下的污染情况) * Multi-material systems involved(相关的复合材质系统;)* Cost of equipment and maintenance(器材和维护费用)* Complexion of operation(运算情况)五、Systems Described in This Section(此节中描述的系统)Sputtering(溅射法)Pulsed laser deposition(脉冲激光沉积法)1 Sputtering(溅射)1-1 Principle of Sputtering(溅射原理)1-2 Sputtering System(溅射系统)1-3 Preparing Multilayer Structures by Sputtering(溅射法备制多分子层结构) 1-4 Current Status of Sputtering(溅射法的近况)1-11-1 Principle of Sputtering(溅射原理)1、Ejection of Atoms from the Target(靶物质原子的喷溅)* Accomplished by an energetic particle bombarding a target surface with sufficient energy (50 eV – 1 000 eV)(在足够电压下(大概50---1000eV),高能量粒子撞击靶物质表面来完成喷溅。

)2、Target(靶物质)* Cathode, connected to a negative voltage supply(阴极连接到电压负极;)* Composed of the materials to be deposited(堆积组成的材料)3、Substrate(基底材料)* Anode(阳极)* May be grounded, floated, or biased(可能是接地、漂浮或偏移)4、Glow Discharge Medium in Sputtering Chamber(溅射室的散热介质)* A gas or a mixture of different gases, most commonly Ar or He (气体或不同气体的混合物,一般是Ar或He气)*Reactive sputtering: introduce reactive gases such as O2 or N2 (反应溅射:介绍反应气体如O2或N2)*Pressure: a few mTorr to several hundreds mTorr(压强:大概几个毫托到几百个毫托:注:1 torr≈133.322 Pa=1.333mbar(毫巴)=0.001315789473atm)5、Procedure(步骤)*Generation of positive ions: ionizing the sputtering gas by glowDischarge(正离子的产生:辉光放电电离溅射气体)*Bombarding: accelerated positive ions strike the target surface and remove mainly neutral atoms(碰撞:加速后的正离子撞击靶物质表面并带走大量中性原子)*Condensation: neutral atoms leave the target and condense on thesubstrate surface, and form into thin films(凝结:中性原子离开靶物质并在基底材料表面形成薄膜)6、An Important Concept: Sputtering Yield(重要概念:溅射效率)*A measurement of the efficiency of sputtering(溅射效率的测量)*Ratio of the number of emitted particles to the number ofbombarding ones(发散的粒子数与碰撞粒子数的比例)1-2 Sputtering System(溅射系统)1、Typical Types of Sputtering Systems(建设系统的典型类型)* Direct current (dc) diode sputtering(直流电<dc>二极管溅射)Used for sputtering conducting materials(用于溅射导体材料)* Radio frequency (rf) diode sputtering(频射<rf>二极管溅射)Used for sputtering insulating materials(用于溅射绝缘体材料)* Magnetron diode sputtering(二极管磁控溅射)& Most commonly used today(现在最常用的方法)& Plasma being confined around the target surface by a magnet field (等离子体被磁场限制在靶物质周围)& Advantages of using magnetron sputtering(二极管磁控溅射的优势)$ Feasibility of large cathode size(大尺寸阴极的可行性)$ High sputtering yield(溅射效率高)$ Less bombardment to the substrate(对基质更少的撞击)氩气锁定装置流量控制阀1 用于流量表流量控制阀低温泵流量表阀门流量表流量控制阀2主流量控制阀阀门制备TiN/VN多层膜的压力传感器衬底质谱仪磁控溅射低温泵靶1旋转衬底支架靶2 系统2、Ways to reduce the damage and resputtering of growing film(减少对薄膜生长的损害和二次溅射的方法)* Damage caused by negative ion effect and radiation enhanced diffusion (负离子效应和辐射带来的损害回增强扩散)* Improvement method(改进方法)$ Use high gas pressure: to reduce the energy of the negative ions (利用高气压:用以减少负离子的能量)$ Use off-axis sputtering: to avoid the substrate directly facing theCathode(利用偏轴溅射:为了避免基质直接接触阴极)$ Disadvantage of off-axis sputtering:(偏轴溅射的缺点)# Low deposition rate(沉积率低)# Small deposition area(沉积范围窄)3、Deposition of magnetic materials: facing target sputtering systems(磁性材料的沉积:正面溅射系统)溅射枪溅射源可360度旋转的衬底支架偏轴溅射系统陶瓷加热器负离子撞击区屏蔽闸衬底靶空间屏蔽区示意图Schematic of off-axis sputteringsystem磁体靶衬底正面溅射系统示意图Schematic氩气of thefacingtargetsputteringsystem冷却水1-3 Preparing Multilayer Structures by Sputtering(溅射法制备多分子层结构)1、Types and Properties of Multilayer Structures(多层结构的类型和属性)* Types of architectures(体系结构的类型)$Metal/metal(金属和金属)$ Ceramic/ceramic(陶瓷和陶瓷)$ Metal/ceramic(金属和陶瓷)$ Semiconductor/semiconductor(半导体和半导体)* Structural and physical properties(结构和物理性能)$ Structurally modulated architectures(结构性调整体系结构)$ Compositionally modulated architectures$ High interface volume fraction(高界面体积分数)$ Large intrinsic stress(大的内在压力)$ Structural and/or compositional gradient(结构和组合的梯度)$ Unique and enhanced electric, dielectric, magnetic, and mechanicproperties(独特和加强的导电、绝缘、磁性和机械性能)2、BaTiO3 Nanolayer Ferroelectric Thin Film Capacitors(具有纳米多层结构的铁电性BaTiO3薄膜电容器)* Advantage: high relative dielectric constant(优势:较高的相对介电常数)* Disadvantage: high leakage current(劣势:电流泄露高)* Electrical properties strongly depending upon the processingcondition, microcrystal structure, and choice of bottom electrode(电气性能强烈取决于加工工艺条件、微晶结构和电极的选择)$ Amorphous: low dielectric constant (16 at 105 V/cm), low leakageCurrent(非晶的:地介电常数<在105V/cm下为16>,低电流泄露)$ Polycrystalline: high dielectric constant (400 at 105 V/cm), highleakage current(多晶的:高介电常数<在105V/cm为400>,高电流泄露)* Nanolayer structure BaTiO3 film capacitor: high dielectric constantand low leakage current(纳米多层结构的BaTiO3薄膜电容器:高介电常数和低电流泄露)* Realization and effects(实践和影响)$ Substrate: Ru/SiO2/Si(基质:Ru/SiO2/Si)$ Technique: rf magnetron sputtering, sputtering interruption between layers to change the substrate temperatures (680 ︒C, 60 ︒C)(技术:射频磁控溅射,层间溅射中断以改变衬底温度<680度,60度>)$ Layer structure: n-cycle alternate layers of amorphous and polycrystalline BaTiO3 (microcrystalline be obtained by annealing amorphous layer)(层状结构:n重交换层的无定形和非晶态的BaTiO3结构<退火处理无定形层结构得到微晶>.)$ Results obtained(所得结果)# Leakage current density be considerably reduced, and the effect becoming better with increasing cycle number(电流泄露密度大大减小,而且,增加循环数优化了作用效果)# Dielectric constant be two or three times higher than single amorphous layer but lower than a single polycrystalline layer(介电常数比单一非晶层高了2或3倍,但是比单一多晶层低)Polycrystalline(多晶的,多晶质);amorphous(非晶质);electrode(电极;电焊条);microcrystalline(微晶的. 微晶);具有纳米多层结构的BaTiO3薄膜电容器横截面示意图3、Nanolayer MoSi2/SiC(MoSi2/SiC纳米层)* Substrate: single crystal silicon (sc-Si)(衬底:单晶硅< sc-Si >)* Techniques:(技术)$ Magnetron sputtering for deposition of MoSi2(磁控溅射的MoSi2沉积物)$ rf sputtering for deposition of SiC(射频溅射的SiC沉积物)$ MoSi2/SiC layered composites be prepared by cyclically passing thesamples beneath the two targets with a speed (thickness of 10 nm/3 nm)(在两个靶物质下一同样速度周期性通过样品生成MoSi2/SiC分层复合材料)* Heat treatment or annealing: inducing recrystallization in theMoSi2/SiC multilayered film(热处理或退火处理:包括在MoSi2/SiC多层膜的再结晶)* Properties after annealing:(退火后的性能)$ Superior oxidation resistance(优越的抗氧化性能)$ Significant hardness(显著的硬度)MoSi2/SiC多层膜的剖面透射电镜图片Cross-sectional TEM image of MoSi2/SiC multilayered filmMoSi2/SiC多层膜退火前的电子衍射花样Electron Diffraction Pattern of MoSi2/SiC multilayered film before annealing经过800°C,1h退火处理的MoSi2/SiC多层膜的低放大倍数亮场电镜照片4、Nanolayer Cu/Nb(Cu/Nb纳米层)* Substrate: (100) sc-Si(基质(100) sc-Si)* Techniques: dc magnetron sputtering(技术:直流磁控溅射法)* Layer thickness: (100 nm/100nm)(层厚度:100 nm/100nm)* Properties(性能)$ High strength(高强度)$ Superior thermal conductivity(优越的导热系数)$ Superior electrical conductivity(优越的导电性)通过磁控溅射技术沉积的Cu/Nb多层膜的剖面透射电镜图像Cu/Nb多层膜的电子衍射花样Electron diffraction pattern of Cu/Nb multilayer(Cu/Nb多分子层的电子衍射图)1-4 Current Status of Sputtering(溅射)AdvantagesMost widely used sputtering method(最广泛应用的溅射方法)Well-established coating techniques for microelectronic applications(固定的微电子应用的涂层工艺)Many nanometer multilayer structures be prepared by sputtering(很多毫微米级的多层结构通过溅射制备)ShortcomingsMaterials system limitation: mainly conductors or nitrides(材料体系的局限性:主要是导体或者氮化物)Difficulty in control stoichiometry, low deposition rate etc.(在控制化学计量方面的困境,沉积速率低等)Be questionable to be used as the main coating tool in microelectronicsindustry (although successful for SrTiO3, BaTiO3, and Ba1-x Sr x O3)(被用作微电子产业的主要涂层工具仍然存在问题(尽管对于SrTiO3, BaTiO3, and Ba1-xSrxO3是成功的)2 P ulsed L aser D eposition (PLD,脉冲激光沉积)2-1 Principles of PLD(PLD的原理)2-2 Deposition of Nanoscale Metal Oxide Thin Films(纳米级金属氧化物薄膜的沉积)2-3 Multilayer Structures Prepared by PLD(用PLD制备多层结构)2-4 Current Status of PLD(PLD的现状)2-1 Principles of PLDAdvantages and Properties of PLD(PLD的优点和性能)Simplest deposition technique among all thin film growth techniques(在所有的薄膜生长技术中最简单的沉淀技术)Stoichiometric removal of constituent species from target(靶材种类组成的化学计量迁移)Versatile deposition of a wide variety of materials(各种各样的材料的多样沉积)Metals(金属)Semiconductors(半导体)Nitrides(氮化物)Dielectric materials(介电材料)Oxides(氧化物)Organic compounds/ploymers(有机合成物)Ternary compounds(三元化合物)Technical Description of PLD(PLD技术说明)Based on physical vapor deposition(以物理气相沉积为基础)Impact of high-power short pulsed laser radiation on solid targets(高功率、短脉冲激光辐射对固体靶材的影响)Removal of materials from impact zone(材料从冲击区的迁移)Equipment constituent(设备结构)High power laser: external energy source to vaporize target(高能激光:使靶材蒸发的外部能量源)materials(材料)Vacuum chamber with a quartz window(有石英窗口的真空室)Target holder or multiple target holder(靶材支撑物或者多靶材支撑物)Substrate holder (with a heater)(带加热器的衬底架)Integration with other type of evaporation sources(其他类型蒸发源的集成)激光束脉冲激光沉积系统(示意图)Schematic diagram of a PLD system 加热器衬底喷流靶2-2 Deposition of Nanoscale Metal Oxide Thin Films(纳米级金属氧化物薄膜的沉积物)Importance(重要性)Metal oxides could exhibit versatile properties(金属氧化物能显示多种性能)High temperature superconductivity(高温超导性)Ferroelectricity(铁电性)Colossal magnetoresistivity (CMR)(很大的磁致电阻率)Non-linear optical properties(非线性光学性质)Metal oxides be recognized as possible candidates for next generationelectronic materials due to their diverse properties(由于性能多样,金属氧化物被认为是下一代电子材料可能的候选)Substrates for Metal Oxide Films(金属氧化物薄膜的基底)Importance: proper choice of substrate be essential for accomplishingperfect 2-dimensional epitaxy of metal oxide heterostructures(重要性:选择合适的基底对完美的完成金属氧化物异质结构的二维外延时必不可少的)Requirements for a good substrat(对好基底的要求)Good in plane lattice match(平面晶格匹配很好)Thermal expansion coefficient close to that of film(热胀系数与薄膜相近)Atomically smooth surface(原子级光滑的表面)Good chemical compatibility with the film(与薄膜能有很好的化学兼容)Commonly used single crystal substrates(常用的单晶基底)Yttria-stabilized zirconia (YSZ)(氧化钇稳定的氧化锆/钇稳定氧化锆)MgO(氧化镁)LaAlO3(铝酸镧)SrTiO3(钛酸锶)NdGaO3(镓酸钕(音:女))(LaAlO3)0.3– (Sr2AlTaO6)0.7(拉萨特LSAT)Sapphire(蓝宝石)Surface treatment of substrates(基底表面处理)Ion milling + in situ annealing(离子研磨+原位退火)Ion milling + pre-deposition(离子研磨+预先沉积/前扩散)Chemical etching + annealing(化学腐蚀+退火)Surface terminating(表面终止)Initial Growth of Metal Oxide Films(金属氧化物薄膜的早期生长)Observation and monitor techniques(观察和监控技术)In situ: reflected high energy electron diffraction (RHEED), laserlight scattering, real-time optical diagnosis(原位:反射的高能电子衍射,激光散射,实时光学诊断)Ex situ: scanning tunneling microscope (STM), atomic forcemicroscopy (AFM), cross-sectional transmission electron microscopy(TEM), X-ray diffraction(非原位:扫描隧道显微镜,原子力显微镜,横向透射电子显微镜,X射线衍射)Growth Mode(生长模式)-Highly depending upon the quality of substrate(高度取决于基底的质量)-Stranski-Krastanov mode (layer plus island growth) to Volmer-Webermode (island growth) [at a critical thickness] { Stranski-Krastanov 模式(层加岛状生长)到三维模式(岛状生长)[在一个临界厚度]}Layer plus island growth Island growth(Thickness < Critical Thickness) (Thickness > Critical Thickness)YBCO薄膜的早期生长模式及其转变Characterizing multilayer thickness by X-ray diffraction(通过X射线衍射描述多层厚度)YBCO/PrBCO superlattice: a new man-made periodicity(YBCO/PrBCO超点阵:一种新的人造周期性)The modulation thickness in superlattices is measured by the positionof satellites peaks, (超点阵上的调制厚度是通过卫星峰的位置测定的)given by:D = (⎣/2) /(sin⎝n+1 - sin⎝n)D is the modulation thickness with D = d YBCO +d PrBCO;(D是调制厚度)⎣ is the wavelength of X-ray source;(L是X射线源的波长)⎝n+1 and ⎝n are positions of the nth and the (n+1)th satellite peaks(⎝n+1和 ⎝n是第n和n+1个卫星峰的位置)The satellite peaks up to the fourth order indicate atomically sharpand flat interfaces(直到第四个卫星峰的顺序表明了原子级尺寸和平接口)Nominal Thickness2.4 nm/12 nmCalculated Thickness14.6 nmX-rayθ-2θscan around (001) and (002) peaks of a YBCO/PrBCO superlatticeCharacterizing film thickness by low-angle X-ray diffractionCharactering film thickness by STM, AFM, SEM, and TEMA low-angle X-ray reflection of a nominally 27.6 nm thick YBCO on NdGaO32-3 Examples of Multilayer Structures Prepared by PLD (PLD制备多层结构举例)Superconductivity in a Unit-cell Thick YBCO(一个单胞厚度YBCO的超导电性)Aimed Questions:What is the minimum unit needed for the occurrence ofsuperconductivity?(出现超导电性所需的最小单元是什么?)How essential is the interlayer coupling between Cu-O planes indetermining the transition temperature?(Cu-O平面层间耦合在决定转变温度方面的重要性)Way to the question: using superlattice structures as model system(possible coupling or other parameters can be changed artificially byinterposing other materials in between the Cu-O planes or unit-cells)【Way to the question:用超点阵结构作为模拟体系(可能的耦合或者其他参数能够通过在Cu-O平面或者单胞之间插入其他材料而人为改变)】System Composing:(系统构成)Ultrathin YBCO layers + PrBCO layers (nonsuperconducting)Resistive transition of 1, 2 and 4 unit-cell thick YBCO layers sandwiched between (Y1-x Pr x)Ba2Cu3O7 adjacent layers with x = 1 and 0.6Dependence of transition temperature on the x value of(Y1-x Pr x)Ba2Cu3O7 adjancentThe dependence of critical current density on the magnetic field for1 unit-cell (1.2 nm) and 200 nm thick YBa2Cu3O7 filmsC. Kwon et al., Appl. Phys. Lett. 62 (2004) 1289Superlattice SrTiO3/BaTiO3(SrTiO3/BaTiO3超晶格结构)SrTiO3/BaTiO3 can form solid solution with each other at allcompositions due to their similar structures and the comparable ionic radii of Ba2+ and Sr2+(SrTiO3/BaTiO3能够以任意比例形成固溶体,这是由于他们具有相似的结构,并且Ba2+和Sr2+的离子半径相近)Strained(紧张的;勉强的)SrTiO3/BaTiO3 superlatticeElectric/dielectric behaviour(带电行为和介电行为)Introducing lattice stress at the interface(在表面引进晶格应力)Enhanced dielectric constant(提高介电常数)H. Tabata et al., Appl. Phys. Lett. 65 (2005) 19702-4 Current Status of Pulsed Laser Deposition(PLD目前的地位)Major AdvantagesCongruent evaporation(全等蒸发)Crystallinity(结晶度)Fast response time(快速反应时间)Especially suited for synthesizing high qualified metal oxide thin films(对合成高质量金属氧化物薄膜非常合适)Major technological obstaclesParticulate emission(粒子排放)Large area coating(大面积镀膜)Hard to control down to the atomic scale(当小到原子级别时难以控制)Further optimizing of PLD processing condition and depositiontechniques are needed(仍然需要近一步优化PLG加工条件和沉积)Thank you for your attention。

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