[理学]材料化学第六章薄膜材料
微电子技术中的半导体薄膜材料
微电子技术中的半导体薄膜材料摘要：本文着重介绍了用于微电于技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结钩的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。
关键词：薄膜材料，结构性质，发展特点1 引言薄膜材料是发展微电子技术的先导条件和制造微电子器件的物质基础，近半个世纪以来，随着各种成膜方法的长足进步，半导体薄膜材料从体单晶到非晶态，从非晶态到纳米相，从窄禁带到宽带隙，从常规制备到人工设计，涌现出了一大批高质量和有重要实用价值的新材料。
目前，关于半导体薄膜材料物理与工艺的研究，已成为真空、微电子和材料科学中一个极其活跃的领域[1]。
半导体薄膜材料研究的核心为新材料的研究和传统材料性能的提高。
前者是按照人为的意志构想新的结构形式和设计新的化学组分，并通过现代超薄层外延技术加以实现；后者则是利用适宜的工艺方法改变材料的微观结构，使其呈现出常规材料所不具有的全新原子组态。
2 不同结构类型的半导体薄膜材料2.1 非晶态材料非晶态半导体是一门在凝聚态物理领域中占据着重要地位且发展十分迅速的新兴学科，研究非晶态材料的意义不仅是在科学技术上获得大量的新材料和新器件，而且可以开拓和加深人们对固体物理领域中许多基本问题的认识与理解。
以促进固体物理学的发展，同时对其许多周边物质，如非晶态合金及多层异质结、超微粒子、多孔硅以及硅系高分子等的研究也将产生积极而深远的影响。
原子结构的无序性和化学组分的多样化，使非晶态半导体具有许多显著不同于晶态半导体的物理特性[2]。
对于大多数非晶态材料而言，其组成原子都是由共价键结合在一起，形成了一种连续的共价键无规网络结构；在非晶态半导体中可以实现连续的物性控制，当连续改变其化学组成时，其禁带宽度、电导率和相变温度等都随之连续变化；在热力学上，非晶态处于一种亚稳状态，仅在一定条件下才可以转变成晶态；此外，非晶态材料的结构特性、电学及光学性质都灵敏地依赖制备方法与工艺条件。
(推荐)《薄膜物理》PPT课件
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
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稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
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稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强 下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
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真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
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真空的基本知识
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真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
李奇 材料化学 第六章 纳米材料
Байду номын сангаас
纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：
• 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材 料的那么颗粒粉体，合成块体（包括薄膜）， 研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于 常规材料的性能。
第一阶段 （1990年以前）
• 第二阶段 （1994年以前）
研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的 奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合 材料。
图6-1-1 碳纳米管的TEM照片 (a) 直径6.7nm，含有5层碳管 (b) 直径5.5nm，含有2层碳管 (c) 直径6.5nm，含有7层碳管
按维数分，纳米材料的基本单元可分为三类：
零维
•
指在空间三维方向均为纳米尺寸的颗粒，原子 团簇等。
一维
二维
•
指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳 米棒、纳米管等。
石墨片卷绕成碳纳米管 (a) 石墨片 ； (b) 以扶手椅面方向为轴卷绕的情况； (c) 有螺旋度时的卷绕情况
2. 纳米棒、纳米丝
准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，而长度要比上述两维方 向上的尺度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材料。人们把纵横比（长度与直 径的比率）小的称为纳米棒，纵横比大的称为纳米丝。
•
指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多 层薄膜等。
纳米材料大部分都是人工制备的，但自然界中早就存在纳米微粒和纳米 固体这样的物质。
薄膜材料成分分析方法
e
e
能量弥散X 射线谱
软X射线出 现电势谱
EDXS
SXAPS 辐射退激 发 软X射线产额对 电子能量的一次 微商谱
成分
表面成分 几层原子 层
e
e
e
e
消隐电势 谱
俄歇电子 出现电势 谱
DAPS
AEAPS 俄歇退激 发 样品电流对入射 电子能量的一次 微商谱
成分
表面成分 几层原子 层
e
I
电子感生 脱附谱
离
子
与
靶
原
子
的
弹
性
碰
撞
特点：
1. RBS 分析方法简便,分析速度快,结果定量、可靠,不必依赖于标样, 不破坏样品宏观结构,能给出表面下不同种类原子的深度分析，并 能进行定量分析； 2. RBS的典型深度分辨率为10－20nm； 3. RBS探测重元素的灵敏度很高，但对轻元素的探测则受到严重的限 制； 4. C, N, O是普遍存在且对固体的近表面区很重要的元素，但RBS对 于痕量的上述元素很不灵敏； 5. RBS分析中的信号缺乏特征性，所有的背散射粒子仅仅是能量不 同，因此，质量相 近的两种元素就可能分不开。 6. RBS分析所用的样品在分析区域内严格要求横向均匀。如果存在一 定量的刻痕、空洞、灰尘以及任何其它的表面不均匀性，那怕只 有亚维米尺寸，也会严重地影响能谱。
ISS 分 析 的 原 理 示 意 图
特点： 1、入射离子的质量越轻，碰撞后运动状态的改变越大。 因此，ISS最常选用的离子是 He+， 但它不易分辨重 元素； 2、ISS信息来自最表面层，且能探测表面的结构，因而 成为研究最表层的成分和结构的有效手段，并常用于 吸附/解吸和发射等表面过程的研究； 3、ISS对不同元素的灵敏度的变化范围在3－10倍之间，
薄膜材料有哪些
薄膜材料有哪些
薄膜材料是一种在工业和科技领域中应用广泛的材料，它具有轻薄、柔韧、透明、耐腐蚀等特点，在电子、光学、医疗、包装等领域有着重要的应用。
薄膜材料的种类繁多，下面将介绍一些常见的薄膜材料及其应用。
首先，聚酯薄膜是一种常见的薄膜材料，它具有优异的机械性能和化学稳定性，适用于印刷、包装、电子等领域。
在包装领域，聚酯薄膜常用于食品包装、药品包装等，其优异的透明性和耐热性能使得产品更加吸引人。
在电子领域，聚酯薄膜常用于制备电子元件、电池等，其优异的绝缘性能和耐高温性能使得电子产品更加稳定可靠。
其次，聚乙烯薄膜是另一种常见的薄膜材料，它具有良好的柔韧性和耐磨性，
适用于包装、农业覆盖、建筑防水等领域。
在包装领域，聚乙烯薄膜常用于塑料袋、保鲜膜等，其良好的密封性和抗拉伸性能使得产品更加实用。
在农业领域，聚乙烯薄膜常用于大棚覆盖、地膜覆盖等，其良好的透光性和抗老化性能使得作物更加茁壮生长。
此外，聚丙烯薄膜也是一种常见的薄膜材料，它具有良好的耐高温性和耐化学
腐蚀性，适用于医疗、包装、建筑等领域。
在医疗领域，聚丙烯薄膜常用于制备医用器械、医用包装等，其良好的无菌性和透明性能使得医疗产品更加安全可靠。
在包装领域，聚丙烯薄膜常用于制备各种包装袋、包装盒等，其良好的耐磨性和耐高温性能使得产品更加耐用。
总的来说，薄膜材料在现代社会中有着广泛的应用，不仅提高了产品的质量和
性能，也为人们的生活带来了便利。
随着科技的不断进步，薄膜材料的种类和应用领域还会不断扩展，相信在未来会有更多新型薄膜材料的涌现，为人类社会的发展做出更大的贡献。
薄膜材料的定义
薄膜材料的定义薄膜材料是一种具有特殊结构和性质的材料，广泛应用于各个领域。
它的定义可以从多个角度来解释，包括材料的厚度、结构和功能等方面。
从厚度角度来看，薄膜材料是指在纳米尺度下的材料，其厚度通常在几纳米到几微米之间。
相比之下，传统的材料通常具有更大的尺寸。
由于薄膜材料的特殊厚度，它们具有许多独特的性质和应用。
从结构角度来看，薄膜材料通常由一层或多层原子、分子或离子组成。
这些层状结构使得薄膜材料具有特殊的物理、化学和光学性质。
例如，由于薄膜材料的结构紧密，它们通常具有较高的表面积和较低的体积，从而表现出更高的反应活性和更好的传输性能。
从功能角度来看，薄膜材料具有广泛的应用。
它们可以用作表面涂层，以增强材料的硬度、耐腐蚀性和耐磨性。
薄膜材料还可以用于光学器件，例如太阳能电池板和液晶显示屏，以改善光的传输和控制。
此外，薄膜材料还可以应用于电子器件、传感器、生物医学和环境保护等领域。
薄膜材料的制备方法多种多样，可以通过物理蒸发、化学气相沉积、溶液法和电化学方法等来实现。
每种制备方法都有其优点和局限性，需根据具体应用需求来选择合适的方法。
薄膜材料的研究和应用正在不断发展。
随着纳米技术的发展，人们对薄膜材料的理解和掌握将更加深入。
通过对薄膜材料的研究，可以进一步改善材料的性能，拓宽其应用领域。
预计薄膜材料将在未来的科技发展中发挥重要作用。
薄膜材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其定义可以从厚度、结构和功能等方面来解释。
薄膜材料具有广泛的应用前景，并且其研究和应用正在不断发展。
通过对薄膜材料的深入研究，可以进一步拓展其应用领域，推动科技的发展。
[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
2018/12/4
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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
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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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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）
薄膜的边缘效应名词解释
薄膜的边缘效应名词解释薄膜是一种有着非常特殊性质与广泛应用的材料。
由于其厚度远比其他维度小，使得薄膜具有许多独特的物理、化学和光学特性。
然而，当我们研究薄膜性质时，一种被广泛讨论的现象就是“薄膜的边缘效应”。
在这篇文章中，我们将解释什么是薄膜的边缘效应，以及它对薄膜材料和应用的影响。
边缘效应是指在薄膜的边缘区域发生的特殊现象。
由于薄膜的厚度非常小，在边缘处材料分子的排列方式产生了显著变化。
在薄膜的内部，分子之间的相互作用力可以使其达到相对稳定的状态。
然而，在边缘处，分子受到的约束减小，因为薄膜的结构并不完整。
这种结构的不完整性可能导致分子更自由地运动，并且在边缘区域出现特殊的物理化学现象。
薄膜的边缘效应在不同领域中有着不同的表现。
在材料科学中，边缘效应可能导致薄膜的边缘具有不同的化学反应性和活性。
这是因为边缘处的分子空间较大，使得它们更容易与外界发生相互作用。
这使得边缘处更容易吸附其他物质或与其反应，产生特殊的表面化学反应。
在表面物理学和光学应用中，薄膜的边缘效应可以影响其光学和电学性质。
由于边缘处分子的不完整排列，导致光的辐射和散射在边缘区域中更易发生。
边缘效应可以使光线在薄膜中传播时发生弯曲或衰减，从而改变了材料的光传导性质。
这对于设计和优化薄膜光电器件非常重要。
此外，在纳米科学和纳米技术中，薄膜的边缘效应也扮演着非常关键的角色。
纳米尺度下的薄膜具有更高的边缘自由度和表面积，因此在催化剂、传感器等领域有着广泛应用。
边缘效应对纳米薄膜的结构、稳定性和反应性均产生了重要影响，并可以被用来调控纳米薄膜的性能。
总之，薄膜的边缘效应是指当薄膜厚度远小于其他维度时，在边缘区域发生的特殊现象。
这一效应在材料科学、表面物理学、光学以及纳米科学等领域中有着广泛的表现和应用。
理解和探究薄膜的边缘效应不仅可以帮助我们深入理解薄膜的物性，还可以为薄膜材料的设计和应用提供新的思路和方法。
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在氧化还原电势驱动下，以冠醚和 M+
镍的配合物为载体，将M+离子和
电子协同进行传递，似一个氧化还 还原过程
原泵43; e-
调节，是个阳离子选择过程。
输入
M+
氧化过程
e-
输出
材料化学 第六章 薄膜材料
④、表面化学
表面化学可应用在矿物浮选，石油开采，食品加工，化学 工业，制药工业，纺织工业等工业领域，也与研磨，润湿，防 水，防污，脱色，洗涤，乳化，催化等技术过程紧密相关，并 且在高新技术发展中也有着重要的作用。
材料化学 第六章 薄膜材料
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②、污水净化
利用膜两边的浓度差分离或过滤， 可以提取多种有机物质。
渗透膜
膜法过滤大大减低了污水净化 的工艺复杂性，使设备和操作 变得简单，大大节约了成本。
材料化学 第六章 薄膜材料
③、电子或离子选择性
载体通道选择性通透电子或离子的 机理。底物在通过膜时，通过缔合、 离解、向前扩散和向后扩散四个步 骤，像接力赛跑似的直接流动，或 从一个位置跳到另一个位置穿过薄 膜。
材料化学 第六章 薄膜材料
③、表面
隔开囊泡内的那一层膜， 就是两相之交的过渡区域。 气液的交界面，气固的交界 面，固液的交界面，不相溶 的两种液体液液的交界面等， 都是表面。
生命现象的重要过程就是在这些表面上进行，大量的物理 化学作用，例如相变和化学反应，也在表面发生，由于表面上 分子处境特殊，这些作用发生于表面时更具特色，更丰富，也 更有趣。
囊泡
DNA
生命
薄膜在生命物质的前进过 程中起着决定性的作用。
材料化学 第六章 薄膜材料
6.1.2 表面化学和膜的应用举例
（1）基本概念
①、表面活性剂分子（Surfactant）
被誉为“工业味精”，指具有固 定的亲水亲油基团，在溶液的表面 能定向排列，并能使表面张力显著 下降的物质。洗涤时，在水溶液中 分散的两亲分子将亲油的尾巴插入 油污中，亲水的一端暴露在水中， 随着搅拌，表面活性剂集结在油污 周围包住污物，溶于水中，从而达 到去污的目的。
Xinjiang university
Material Chemistry
Chapter Six
Thin Film Materials
新疆大学化学化工学院材料化学与工程教研室
材料化学 第六章 薄膜材料
1
OUTLINE
6.1 Superficial Chemistry and the Importance of the Film (表面化学和膜的重要性)
材料化学 第六章 薄膜材料
④、细胞膜的功能
细胞膜具有选择性 细胞膜上的通道，按照离子通道的功能可有不同分类： 按通过离子种类分类；K+, Ca2+, Na+… 按通道的激活方式分类:开关功能,电压门控，配体门控等等 生命的过程就在这些通道的开合之间进行。带来生命的，不是神， 不是外星人，恰恰是神奇的表面－－－细胞膜的结构和功能。
6.1 Superficial Chemistry and the Importance of the Film
(表面化学和膜的重要性)
6.1.1 引言：从生命起源谈起
天体论－从外部天体而来
进化论－从海洋生物而来
神话论－女娲创造人和万物
材料化学 第六章 薄膜材料
1828 年 德 国 人 由 韦勒通过无机物人工 制备有机物尿素，证 明了“无机物和有机 物之间绝对没有不可 逾越的界限。”
（b）、在囊泡表面形成薄膜，通 过膜与外界进行能量和物质 的交换。
（c）、有时，由于缺陷或周围环境 的影响，囊泡会破裂，同时形 成新的囊泡。
（d）、囊泡通过相互吞并，形成 更为复杂和更为进化的囊泡。
材料化学 第六章 薄膜材料
囊泡内的有机物浓度不断 提高，促使反应向生成蛋白质， 甚至生成DNA的方向前进，并 逐渐增加其复杂性直至具备细 胞的功能。
材料化学 第六章 薄膜材料
（2）、应用举例
薄膜材料
细胞膜精妙复杂， 功能奇妙，人们努力 模仿它制造一种新型 材料－－薄膜材料。
薄膜材料是21世纪技术革新的基础材料之一。 基本功能：选择性地将电子、离子、或分子等进行定向渗透、 输送或反应。 基本特点：操作简便，节约能源，干净无污染。
材料化学 第六章 薄膜材料
希望药水能在叶面上铺展，提 高灭害效果，降低农药用量。
提高纤维 的憎水性， 增强抗湿 性能。
材料化学 第六章 薄膜材料
通过调整表面的化学成分来改变材料的表面特性
亲水表面改成了疏水表面
材料化学 第六章 薄膜材料
6.2 Film-Forming Technology---Molecular selfassembly technology
材料化学 第六章 薄膜材料
②、囊泡
水
水
水
单
多
室
室
囊泡
当水中分散了许多表面 活性剂分子时，都会自发 形 成 囊 泡 ， 其 尺 寸 在 30100左右，形状多为球形， 椭球形和扁球形。囊泡里 外都是水溶液，由一层薄 膜隔开，两亲分子尾靠尾 形成两层，疏水的一头聚 在一起，亲水的那头分别 面对囊泡内外的水环境。 从而使囊泡能较为稳定地 处在水溶液中。
①、海水淡化
加 压
海水
渗透膜
醋酸纤维类， 聚酰胺类， 聚苯砜对苯二甲酰胺类
淡水
材料化学 第六章 薄膜材料
• 国外已有多套日产水量为10万吨级以上的反渗透海水淡化 装置，目前正在运行的大型卷式膜海水淡化装置的单机能 力日产水量6000吨
• 目前国内有批量生产海水淡化膜装置的公司不超过10家， 正在河北建设的日产水量18000吨的“亚海水”脱盐装置 是国内最大的使用海水淡化膜的反渗透装置。
6.2 Film-Forming Technology--Molecular self-assembly technology (成膜技术－－－分子组装新手段)
6.3 A Short Introduction to Various Functional Thin Films
(各种功能膜简介）
材料化学 第六章 薄膜材料
生命起源
完全有可能通过
闪电将原始地球上
的水、甲烷、氨和
氢气等无机物合成
氨基酸这样的有机
小分子，从而完成
生命的产生。
简单的小分 子是如何变成越 来越复杂的有机 大分子的？
材料化学 第六章 薄膜材料
生命起源的囊泡假说
（a）、大气中的有机物通过降雨落 入大海，它们通过团聚产生 反应，形成大分子，并从此 走向生命历程。