薄膜物理与技术精品PPT课件
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(推荐)《薄膜物理》PPT课件
氙 (Xe) 二氧化碳 (CO2)
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
37
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
38
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
18
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）
19
真空的基本知识
21
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)
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
37
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
38
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
18
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）
19
真空的基本知识
21
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)
F5性质第二部分薄膜物理与技术第四章.ppt
较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
《材料物理薄膜物理》课件
《材料物理薄膜物理》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
薄膜物理与技术
离子镀
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。
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)
2018/12/4
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
20
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
2018/12/4
~ 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.
2018/12/4
19
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
2018/12/4
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）
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
20
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
2018/12/4
~ 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.
2018/12/4
19
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
2018/12/4
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）
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
薄膜物理课件文字-25页word资料
第一章真空的基本知识§1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1.真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2\T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1)帕(Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2)乇(torr)(3)mmHg(4)µbar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.75×10-2 torr = 10达因/cm21 µbar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1×105 Pa > P >1×103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa(3) 高真空：1×10-1~1×10-6 Pa(4) 超高真空：<1×10-6 Pan< 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得§2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式最可几速率：算术平均速率：均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：§ 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动—各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动—分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积×压强，即PV，单位：牛·米-2·米3=牛顿·米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表达式：(长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章真空的获得§3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。
薄膜物理与技术6现代薄膜分析方法PPT课件
材料性质。
2.已知θ， d 可测 ——X射线光谱分析，研究原子结构。
第9页/共32页
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
常用的衍射方法
方法 Laue法 转晶法
变化 固定
固定 （适合单晶） 变化 （粉末材料和薄膜）
X射线束是专用的X射线管发射的具有一定波长的特征X射线。 常用的几种特征X射线：Al的Ka射线（8.34A）、Cu的Ka射线（1.542A）、Cr的Ka射 线（2.29A）、Fe的Ka射线（1.94A）。
X射线是波长在100A~0. 1A之间的一种电磁波。常用X射线波长2.5A-0.5A，与晶体中原子 间距（~3A）数量级相同。可以把晶体作为天然衍射光栅，使得用X射线衍射进行晶体结 构分析成为可能。
第6页/共32页
晶体内原子按一定点阵排列得十分整齐，原子间距为几个埃，将晶体当作 光栅常数很小的三维立体光栅。
第5页/共32页
6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
光栅衍射： 光栅为一系列等宽狭缝，由物理光学可知,若光的波长与衍
射光栅宽度非常接近时, 可发生衍射的现象，得到一系列明 暗相间的条纹。 劳厄的想法： 晶体是原子按周期性排列构成的固体物质。 因原子面间距与入射X射线波长数量级相当，那么晶体可以 当作是X射线的三维衍射光栅。 在X射线一定的情况下，根据衍射的花样可以分析晶体的性 质，如点阵结构、晶胞大小和形状等。
针对不同研究对象的目的，可以选择不同的研究手段。
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6 现代薄膜分析方法
6.1 概述
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2.已知θ， d 可测 ——X射线光谱分析，研究原子结构。
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6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
常用的衍射方法
方法 Laue法 转晶法
变化 固定
固定 （适合单晶） 变化 （粉末材料和薄膜）
X射线束是专用的X射线管发射的具有一定波长的特征X射线。 常用的几种特征X射线：Al的Ka射线（8.34A）、Cu的Ka射线（1.542A）、Cr的Ka射 线（2.29A）、Fe的Ka射线（1.94A）。
X射线是波长在100A~0. 1A之间的一种电磁波。常用X射线波长2.5A-0.5A，与晶体中原子 间距（~3A）数量级相同。可以把晶体作为天然衍射光栅，使得用X射线衍射进行晶体结 构分析成为可能。
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晶体内原子按一定点阵排列得十分整齐，原子间距为几个埃，将晶体当作 光栅常数很小的三维立体光栅。
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6 现代薄膜分析方法
6.2 薄膜形貌/结构 （1）X射线衍射法（X－Ray Diffraction，XRD）
光栅衍射： 光栅为一系列等宽狭缝，由物理光学可知,若光的波长与衍
射光栅宽度非常接近时, 可发生衍射的现象，得到一系列明 暗相间的条纹。 劳厄的想法： 晶体是原子按周期性排列构成的固体物质。 因原子面间距与入射X射线波长数量级相当，那么晶体可以 当作是X射线的三维衍射光栅。 在X射线一定的情况下，根据衍射的花样可以分析晶体的性 质，如点阵结构、晶胞大小和形状等。
针对不同研究对象的目的，可以选择不同的研究手段。
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6 现代薄膜分析方法
6.1 概述
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Hd Issin
薄膜的性质——平面磁化各向异性
退磁场产生的静磁能为
Es 20Hd220Is2sin2
由于 0 时， E s 最小； /2时，E s 最大。所以位
于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。
磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内 晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因 素所决定的。
薄膜的性质——干涉效应
对特定波长的反射率为 R 与薄膜系统的折射率和薄膜内
相位的变化有关。
相位的变化为 4nd/，由此可以确定薄膜厚度。
4nd(2m1)
m为正整数
nd m
42
在此条件下，有
反射停止条件
R 0 n2 ns
薄膜的性质——干涉效应
布拉格反射器应用广泛。
薄膜的性质
对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小， 而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续 性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。
★ 熔点降低 ★ 干涉效应 ★ 表面散射 ★ 平面磁化各向异性 ★ 表面能级 ★ 量子尺寸效应
薄膜的性质——熔点降低
★ 熔点降低
在此考虑半径为r 的固体球。考虑此球与其外侧相（液 体）的界面能，求块体(buk)材料熔点 T m 和小球熔点 T s 之
dA dW
2 r
代入上式，得到
Tm Ts 2 0 Tm Lr
Tm Ts
半径越小，T s 越低。
薄膜的性质——熔点降低
以Pb为例：
33erg/cm2 L1.1kcal/m ol 11.3g/cm3
当 r107cm时，TmTs 150K 当 r106cm时， TmTs 15K
尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍 有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。
薄膜的性质——干涉效应
★ 干涉效应
从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开 始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。
置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根据斯奈尔折射 定律和菲涅耳公式进行推导和计算。
但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是 相当复杂的，下面以由单层透明薄膜和透明基片组成的系统 为例，给出垂直入射时反射率的公式，这是研究更复杂系统 的基础。
原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又
取决于层状结构的周期性。
R
1
1
nl n1
nl n1
n2 n3
n2 n3
2N
2N
2
nl
n
n
3
2
n1
当 N 足够大时，反射率趋于1。
薄膜的性质——干涉效应
增透膜，高反膜，干涉滤光膜等
薄膜的性质——表面散射
★ 表面散射
研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是 Sondheimer建立的，该理论描述了关于表面以及尺寸效应 对电导的影响。
间的关系。
设：固-液相间的界面能为
固体的熔解热为 L
熔解过程中熵的变化 S
固体的密度为
薄膜的性质——熔点降低
当质量为d W 的物质熔化变为液体．球的表面积产生的 变化 d A ，其热力学平衡关系式如下：
L d W T s S d W d A 0
对于体材料：
LdWTm SdW0
将
S
L
Tm，
薄膜的性质
薄膜的性质
进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际 应用中都取得了丰硕的成果。其中特别应该指出的是下述 三个方面。
第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜 的研究开发及其应用。这种薄膜在学术上有重要意义，同 时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。
第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。 一个显著成果是外延薄膜生长。特别是随着电路的小型化， 薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。
Sondheimer假定，在和表面相碰撞的电子中，发生弹 性碰撞的几率 p （ 0 p 1 ），发生非弹性碰撞的几率为 ( 1 p )。在这种边界条件下，求解关于电子分布的波耳兹 曼方程，并计算出分布函数。
薄膜的性质——表面散射
在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的
弛豫时间 0 ，电场方向在膜表面之内，并取电场的方向为 x 方
透射率可由反射率直接计算。
薄膜的性质——干涉效应
假设：
空气的折射率 n 0 单层膜的折射率 n
单层膜的膜厚 d
基片的折射率 n s 空气—薄膜交界面的振幅反射率 r 1
空气—薄膜交界面的振幅透射率 t 1
薄膜—基片交界面的振幅反射率 r 2 薄膜—基片交界面的振幅透射率 t 2 薄膜内光的位相变化
薄膜的性质——表面散射
式中 k d l，d 为薄膜厚度，l 为膜厚无穷大时电子的平均 自由程。 为膜厚无穷大时的电导率。
在 k 1 的条件下，可以近似为
13(18 kp)13(1 8dp)l
即 和1／d之间近似直线关系。在这里 p 1 是至关重 要的，表面散射的效应反映在 p 中。
这种效应也能从电阻温度系数、霍耳系数、热电能、电 流磁场效应反映出来。
薄膜的性质
第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平 衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料 的非平衡特征非常明显。虽然这种非平衡过程也有缺点， 但可以制备普通相图中不存在的物质。这些都是很突出 的优点。
在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。 这种效应称为尺寸效应。在粉末、微粒子等状态中也发 现有这种效应。
薄膜的性质——平面磁化各向异性
★ 平面磁化各向异性
铁磁性薄膜内部的磁化方向，一般都位于膜面之内。 而且，在膜面内都有一个确定的磁化方向。这种性质称为 平面磁化各向异性。
这种平面磁化产生的原因，是由于退滋场引起的静磁 能。
设自发磁化的大小为 I s ，其方向与表面的夹角为 ， 则退磁场 H d 可由下式给出
向，与膜表面垂直的方向为 z 方向，分布函数 f ( z , v x ) 为：
在 x 方向的电流密度 j x 和分布函数之间的关系为
jx(z)
2e
m3 h
v vxdv
式中，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数。积分 范围是在速度空间的全部体积内进行。
13k(1 2 p)k s1 3k s6 2 1 1 p es ssds
薄膜的性质——平面磁化各向异性
薄膜中的磁畴不能完全是单一的，往往会分成若干个磁 畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。
薄膜的性质——平面磁化各向异性
退磁场产生的静磁能为
Es 20Hd220Is2sin2
由于 0 时， E s 最小； /2时，E s 最大。所以位
于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。
磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内 晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因 素所决定的。
薄膜的性质——干涉效应
对特定波长的反射率为 R 与薄膜系统的折射率和薄膜内
相位的变化有关。
相位的变化为 4nd/，由此可以确定薄膜厚度。
4nd(2m1)
m为正整数
nd m
42
在此条件下，有
反射停止条件
R 0 n2 ns
薄膜的性质——干涉效应
布拉格反射器应用广泛。
薄膜的性质
对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小， 而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续 性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。
★ 熔点降低 ★ 干涉效应 ★ 表面散射 ★ 平面磁化各向异性 ★ 表面能级 ★ 量子尺寸效应
薄膜的性质——熔点降低
★ 熔点降低
在此考虑半径为r 的固体球。考虑此球与其外侧相（液 体）的界面能，求块体(buk)材料熔点 T m 和小球熔点 T s 之
dA dW
2 r
代入上式，得到
Tm Ts 2 0 Tm Lr
Tm Ts
半径越小，T s 越低。
薄膜的性质——熔点降低
以Pb为例：
33erg/cm2 L1.1kcal/m ol 11.3g/cm3
当 r107cm时，TmTs 150K 当 r106cm时， TmTs 15K
尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍 有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。
薄膜的性质——干涉效应
★ 干涉效应
从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开 始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。
置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根据斯奈尔折射 定律和菲涅耳公式进行推导和计算。
但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是 相当复杂的，下面以由单层透明薄膜和透明基片组成的系统 为例，给出垂直入射时反射率的公式，这是研究更复杂系统 的基础。
原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又
取决于层状结构的周期性。
R
1
1
nl n1
nl n1
n2 n3
n2 n3
2N
2N
2
nl
n
n
3
2
n1
当 N 足够大时，反射率趋于1。
薄膜的性质——干涉效应
增透膜，高反膜，干涉滤光膜等
薄膜的性质——表面散射
★ 表面散射
研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是 Sondheimer建立的，该理论描述了关于表面以及尺寸效应 对电导的影响。
间的关系。
设：固-液相间的界面能为
固体的熔解热为 L
熔解过程中熵的变化 S
固体的密度为
薄膜的性质——熔点降低
当质量为d W 的物质熔化变为液体．球的表面积产生的 变化 d A ，其热力学平衡关系式如下：
L d W T s S d W d A 0
对于体材料：
LdWTm SdW0
将
S
L
Tm，
薄膜的性质
薄膜的性质
进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际 应用中都取得了丰硕的成果。其中特别应该指出的是下述 三个方面。
第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜 的研究开发及其应用。这种薄膜在学术上有重要意义，同 时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。
第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。 一个显著成果是外延薄膜生长。特别是随着电路的小型化， 薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。
Sondheimer假定，在和表面相碰撞的电子中，发生弹 性碰撞的几率 p （ 0 p 1 ），发生非弹性碰撞的几率为 ( 1 p )。在这种边界条件下，求解关于电子分布的波耳兹 曼方程，并计算出分布函数。
薄膜的性质——表面散射
在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的
弛豫时间 0 ，电场方向在膜表面之内，并取电场的方向为 x 方
透射率可由反射率直接计算。
薄膜的性质——干涉效应
假设：
空气的折射率 n 0 单层膜的折射率 n
单层膜的膜厚 d
基片的折射率 n s 空气—薄膜交界面的振幅反射率 r 1
空气—薄膜交界面的振幅透射率 t 1
薄膜—基片交界面的振幅反射率 r 2 薄膜—基片交界面的振幅透射率 t 2 薄膜内光的位相变化
薄膜的性质——表面散射
式中 k d l，d 为薄膜厚度，l 为膜厚无穷大时电子的平均 自由程。 为膜厚无穷大时的电导率。
在 k 1 的条件下，可以近似为
13(18 kp)13(1 8dp)l
即 和1／d之间近似直线关系。在这里 p 1 是至关重 要的，表面散射的效应反映在 p 中。
这种效应也能从电阻温度系数、霍耳系数、热电能、电 流磁场效应反映出来。
薄膜的性质
第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平 衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料 的非平衡特征非常明显。虽然这种非平衡过程也有缺点， 但可以制备普通相图中不存在的物质。这些都是很突出 的优点。
在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。 这种效应称为尺寸效应。在粉末、微粒子等状态中也发 现有这种效应。
薄膜的性质——平面磁化各向异性
★ 平面磁化各向异性
铁磁性薄膜内部的磁化方向，一般都位于膜面之内。 而且，在膜面内都有一个确定的磁化方向。这种性质称为 平面磁化各向异性。
这种平面磁化产生的原因，是由于退滋场引起的静磁 能。
设自发磁化的大小为 I s ，其方向与表面的夹角为 ， 则退磁场 H d 可由下式给出
向，与膜表面垂直的方向为 z 方向，分布函数 f ( z , v x ) 为：
在 x 方向的电流密度 j x 和分布函数之间的关系为
jx(z)
2e
m3 h
v vxdv
式中，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数。积分 范围是在速度空间的全部体积内进行。
13k(1 2 p)k s1 3k s6 2 1 1 p es ssds
薄膜的性质——平面磁化各向异性
薄膜中的磁畴不能完全是单一的，往往会分成若干个磁 畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。