薄膜制备新技术及应用
流延法制备薄膜
流延法制备薄膜薄膜材料是当今科学技术发展中应用广泛的一种物质，它以其自身独特的力学、化学、光学性能而得到了广泛的应用。
在工业中，它可用来制造和修复电子元件、电路板、芯片等；在医疗中，它可以做到快速诊断和治疗；在生物学方面，它可以用来观察蛋白质和细胞结构，甚至可以用来研究基因。
由于薄膜材料特性的独特性，具有一定的生产难度，流延法就成为制备薄膜的一种新技术，具有一定的生产率和成本效益。
流延法是一种无溶剂、低温、无污染的制备薄膜技术，它可以用于制备各种薄膜材料，如碳膜、钛膜、钨膜、氧化铝膜、氧化铁膜等。
流延法制备薄膜的基本原理是以液体形式涂覆在基材表面，并借助外加电场或外加热源使它凝固，使其塌陷形成薄膜。
它的制备过程主要分为三个步骤，即预处理步骤、涂覆步骤和固化步骤。
首先，在预处理步骤，需要将基材表面进行预处理，包括清洗、去污和活性化处理等，以确保基材表面的平整度和粗糙度，以确保后续的涂覆和固化步骤的顺利进行。
其次，在涂覆步骤，需要使用流延机将涂料以液态形式舀取，然后运用外加电场或外加热源将涂料涂覆到基材表面，形成一层厚度均匀的涂料层，以形成一层薄膜。
最后，在固化步骤，需要将涂覆了涂料的基材表面放入烘箱中，进行烘烤固化处理，使涂料层与基材表面结合紧密，从而形成一层薄膜，完成薄膜的整个制备过程。
流延法相对于传统的制备薄膜技术，拥有一定的优势，首先是流延法的涂覆处理温度较低，大大降低了基材表面的损耗，从而可以获得更好的表面光洁度；其次，流延法有较高的生产效率，可以制备出厚度均匀、表面光洁度高的薄膜；最后，流延法具有污染小、成本低的优势，使得大批量生产变得经济实惠。
总结而言，流延法是一种制备薄膜的新技术，具有操作简单、污染小、生产效率高、成本低的优势，可以广泛应用于电子元件、电路板、芯片的制备，也可以用来观察蛋白质和细胞结构，研究基因，从而为科学技术的发展带来重要的影响。
薄膜技术的发展和应用
薄膜技术的发展和应用随着科技的不断进步，薄膜技术也得到了广泛应用和发展。
本文将就薄膜技术的发展和应用进行介绍。
一、薄膜技术的定义和分类薄膜技术是指将材料以极薄的层数覆盖在基材表面上的技术。
薄膜技术因其独特的性质，在电子、医疗、能源、光电和材料领域都有广泛的应用。
薄膜技术按照制备工艺可分为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法、离子束沉积法和溶液法等。
其中，物理气相沉积法和化学气相沉积法是基于气相反应制备薄膜，而溅射法和离子束沉积法则是基于固态反应制备薄膜。
二、薄膜技术的应用1、电子领域薄膜技术在电子领域有着广泛的应用，如显示器件中的膜电极和透光薄膜，硅上集成电路中的金属线薄膜和凸点薄膜，以及太阳能电池中的透明导电膜等。
通过不同种类的薄膜组合，可以制造出光电显示器件、光二极管、半导体器件等。
2、医疗领域薄膜技术在医疗领域也有广泛的应用，如人造器官表面的生物相容性薄膜、药物释放薄膜、医用传感器薄膜、隔离膜和过滤膜等。
这些薄膜可以帮助医学界实现更好的医学检测和治疗。
3、能源领域薄膜技术在能源领域也发挥了重要的作用，如太阳能电池和燃料电池中的薄膜。
通过合适的制备工艺可以制造出透明导电膜、锂离子电池隔膜、固体氧化物燃料电池氧离子传输膜等薄膜材料。
4、光电领域光电领域是薄膜技术应用较早的领域之一，尤其是光学涂层和抗反射膜方面的应用。
薄膜技术不仅可以增强光学元件的透过率和强度，还可以制造仿生光学器件等。
5、材料领域薄膜技术还可以制造出纳米微观结构，实现材料性质的精细控制，如金属膜的纳米微结构、高分子复合薄膜、磁性薄膜等，这些材料在生产制造、传感器等领域有广泛的应用。
三、薄膜技术未来的发展趋势随着技术的不断更新，薄膜技术也在不断地发展和创新。
未来薄膜技术的发展趋势将主要集中在以下几个方面：1、多层薄膜技术的发展多层薄膜技术是目前的一个研究热点，它可以实现对于薄膜性质的控制和变化。
通过不同比例的堆叠和改变各种材料的结构和性质，可以制备出更加精细的薄膜材料。
聚合物薄膜材料的制备及其应用研究
聚合物薄膜材料的制备及其应用研究聚合物薄膜材料是一种非常重要的材料，主要用于各种领域的表面涂层、保护层、隔离层等等。
现代科学技术的发展和人类对高质量生活的追求，为聚合物薄膜材料的制备和应用提供了更加广阔的空间和更高的要求。
本文将全面地介绍聚合物薄膜材料的制备和应用研究的最新动态。
一、聚合物薄膜材料的制备聚合物薄膜材料的制备是一个非常复杂的过程，通常需要通过一系列的化学反应来完成。
其中，最为重要的是聚合反应和溶剂挥发、离子交换、电沉积、喷涂等处理方法。
具体来说，聚合反应通常是指单体通过引发剂、热量、光线等外部刺激，与其他单元结合而成长链高分子物质的化学反应。
而聚合物薄膜的制备则需要通过控制反应条件、选择合适的反应体系、调整材料组成等一系列措施来实现。
目前，聚合物薄膜材料的制备技术正在不断创新和发展。
例如，研究人员可以利用新型杂化化学物质、微留策略、自组装技术等新兴技术来提高在制备过程中对材料形态的控制能力，进一步实现高效、可控、智能化的聚合物薄膜材料制备。
二、聚合物薄膜材料的应用研究聚合物薄膜材料具有广泛的应用前景。
目前，它已经广泛应用于如下领域：1.生物医学: 聚合物薄膜材料可用于制备各种高分子仿生材料，这些材料能够模拟生物体内的组织、细胞、器官等，可以应用于医学、药学、生命科学等领域，如修复人体组织，治疗疾病，诊断疾病等。
2.光电子学: 聚合物薄膜材料可以用作各种器件的基底材料及保护材料，例如:光电传感器、LED等。
比如聚合物薄膜材料可以制成非常薄、非常透明的保护层，不影响LED的发光效果。
3.环境保护: 聚合物薄膜材料可以用来制备一系列辅助材料，如处理海水，除臭，净化空气，涂料等等。
因为这些材料具有优异的物理和化学性能，能够协助完成上述任务。
4.能源领域: 聚合物薄膜材料还具有广泛的应用于能源领域，如太阳能电池、锂电池等。
在太阳能电池中，它们主要用作电荷的传输介质，可大大提高电池的转化效率。
磁控溅射薄膜制备工艺及其应用研究
磁控溅射薄膜制备工艺及其应用研究磁控溅射是一种常用的物理气相沉积技术，其中使用电弧或磁控电子束等带电粒子轰击靶材表面，使靶材表面的原子脱离并沉积在基底上形成薄膜。
磁控溅射薄膜制备工艺具有制备高质量、高纯度、均匀厚度的薄膜以及控制薄膜成分、微结构和物理性质等方面的优点，因此应用研究非常广泛。
一、磁控溅射薄膜制备工艺磁控溅射薄膜制备工艺的主要装置包括磁控溅射靶材、磁控溅射室、真空系统、基底传送装置等。
在制备过程中需要首先制备好靶材，通常使用高纯度的金属材料或化合物作为靶材。
在磁控溅射室内设置靶材和基底，通过抽真空将压力降低到一定程度，然后加入惰性气体（如氩气），使用外加磁场引导电子轨迹和控制电子束的进入角度，利用电子轰击靶材表面并将原子从靶材中溅射出来，然后沉积在基底上形成薄膜。
二、磁控溅射薄膜制备技术的应用1. 硬质涂层磁控溅射薄膜制备技术广泛应用于制备硬质涂层，如钛氮、碳氮、氮化铝等涂层，这些涂层具有非常好的耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性，可用于汽车发动机零部件、针头、刀具等领域。
2. 光学涂层磁控溅射薄膜制备技术还可以制备光学涂层，如反射镜膜、中间反射膜、透镜膜、滤波镜。
这些涂层具有高透明度、低散射和高反射率等特点，广泛应用于光学器件、显示器件、激光器件等领域。
3. 生物医学领域磁控溅射薄膜制备技术还可以制备生物医学材料，如医用钢、医用钛、金属合金等薄膜，这些薄膜具有良好的生物相容性和生物可降解性，可用于人工骨骼、人工关节和牙科修补材料等方面。
4. 电子器件磁控溅射薄膜制备技术还可以制备电子器件材料，如导电膜、隔离膜、介质膜等，这些薄膜具有优良的电学性能和化学稳定性，可用于半导体器件、光电子器件等领域。
5. 其他应用除了以上应用之外，磁控溅射薄膜制备技术还可以用于制备防腐蚀、阻燃和防弹涂层，磁记忆材料、人工晶体、存储介质、光电子元器件、传感器等领域。
三、磁控溅射薄膜制备技术的优势和发展方向磁控溅射薄膜制备技术具有许多优势，如具有高质量、高可控性、高纯度、良好的附着性、高重复性等，与传统的化学气相沉积、离子束沉积、溅射沉积等技术相比具有明显的优势。
薄膜技术及应用
20世纪末至今
随着新材料和制备技术的 不断发展，新型薄膜材料 不断涌现，薄膜技术应用 领域不断扩大。
02
薄膜制备技术
物理气相沉积（PVD）
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料，使其 原子或分子从固态表面升 华进入气态，然后在基底 表面凝结形成薄膜。
导体薄膜
功能薄膜
用于制造集成电路、微电子器件和薄 膜晶体管等，具有高导电性能和稳定 性。
如光电转换薄膜、磁性薄膜、传感器 用敏感薄膜等，在电子器件中具有特 定功能。
绝缘薄膜
用作电子器件的介质层和绝缘材料， 具有低介电常数和损耗、高击穿场强 等特点。
光学领域
反射和滤光薄膜
用于控制光的反射、透射、干涉和偏振等特性， 在光学仪器、摄影、照明等领域有广泛应用。
多功能化薄膜
通过材料复合和结构设计，制备具有多功能特性的薄膜，如光学、热学、电学、磁学等多重性能的集 成。
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薄膜的分类
01
按材料分类
金属薄膜、制备方法分类
功能薄膜（如导电薄膜、光学薄 膜、磁性薄膜等）、结构薄膜等。
物理气相沉积、化学气相沉积、 溶胶-凝胶法等。
薄膜技术的发展历程
01
02
03
19世纪末
真空蒸发镀膜技术出现， 主要用于制造光学仪器和 装饰品。
20世纪中期
薄膜技术及应用
目录
• 薄膜技术简介 • 薄膜制备技术 • 薄膜的应用领域 • 薄膜的未来发展与挑战
01
薄膜技术简介
薄膜的定义与特性
定义
薄膜是一种厚度在微米到纳米级别的 材料，覆盖在基底上，具有特定的物 理、化学和机械性能。
薄膜技术的理论和应用
薄膜技术的理论和应用薄膜技术是一种高新技术，它通过将材料分子层层堆积析出而形成一种薄而均匀的材料。
薄膜技术的应用非常广泛，包括光电、电子、化工、食品、医疗等领域。
本文将从薄膜技术的理论和应用两个方面来详细探讨。
一、薄膜技术的理论1. 薄膜生长模型薄膜生长模型是研究薄膜形成规律的数学模型。
它可以描述薄膜生长的物理过程，并预测薄膜的形态和结构。
在薄膜生长模型中，主要包括表面扩散、沉积、缺陷漂浮、晶化、成核等几个重要步骤。
这些步骤影响着薄膜的形态和质量。
薄膜生长模型的出现，为薄膜技术的发展提供了重要的理论基础。
2. 薄膜吸附理论在薄膜形成过程中，吸附理论是非常重要的。
它可以描述薄膜形成的过程中物质分子与基底表面的物理化学现象。
普通的吸附理论往往是以吸附能为研究对象，但是对于薄膜来说，由于它的尺寸极小，故应采用尺寸效应吸附理论。
这个理论为薄膜技术的精确控制提供了良好的理论依据。
3. 薄膜在化学反应中的应用化学反应中使用薄膜技术，常常采用气相沉积、热蒸发等方法。
在化学反应中，薄膜的化学反应起到重要的作用，可以产生一些特殊的物理化学性质。
因此，薄膜技术在催化、传感等领域发挥着重要的作用。
4. 纳米薄膜技术纳米薄膜技术是薄膜技术的一个分支，它将薄膜做到了纳米尺度。
纳米薄膜具有极高的比表面积和表面反应性，因此在传感、催化、光电等领域有着广泛的应用前景。
同时，纳米薄膜技术的研究也给薄膜技术开发提供了重要的思路。
二、薄膜技术的应用1. 光电领域薄膜技术在光电领域有着广泛的应用。
例如，太阳能电池、液晶显示器等都是依靠薄膜技术制成的。
此外，薄膜技术在光学薄膜、光学滤波、全息成像等领域也都有着广泛的应用。
2. 电子领域薄膜技术在电子领域的应用也非常广泛。
例如，利用薄膜技术可以制备高温超导材料，用于高功率电子器件；还可以制备高品质的晶体管。
此外，在电阻器、金属线、电容器等器件中也广泛使用了薄膜技术的成果。
3. 化学领域在化学领域，薄膜技术应用非常广泛。
ald镀膜原理
ald镀膜原理
ALD镀膜原理是一种新型的薄膜制备技术，它是一种化学气相沉积技术，可以在纳米尺度上控制薄膜的厚度和成分。
ALD镀膜原理的核心是利用化学反应在表面上逐层生长薄膜，这种技术可以制备出高质量、高精度的薄膜，广泛应用于微电子、光电子、能源等领域。
ALD镀膜原理的基本过程是：在反应室中，将两种或多种反应气体交替注入，每次注入一种气体，使其在表面上发生化学反应，生成一层薄膜，然后将反应气体排出，再注入另一种气体，重复上述过程，逐层生长薄膜。
这种技术可以控制每一层薄膜的厚度和成分，从而实现对薄膜性质的精确控制。
ALD镀膜原理的优点是多方面的。
首先，它可以制备出高质量、高精度的薄膜，具有优异的电学、光学、磁学等性质。
其次，ALD镀膜技术可以在复杂的表面结构上进行薄膜生长，如纳米线、纳米孔等结构，从而实现对这些结构的功能化改性。
此外，ALD镀膜技术还可以制备出多层复合薄膜，从而实现对薄膜性质的更加精确的控制。
ALD镀膜技术在微电子、光电子、能源等领域有着广泛的应用。
在微电子领域，ALD镀膜技术可以制备出高质量的介电薄膜、金属薄膜、氧化物薄膜等，用于制备晶体管、电容器、电阻器等器件。
在光电子领域，ALD镀膜技术可以制备出高质量的光学薄膜、光学波导等，用于制备激光器、光纤通信器件等。
在能源领域，ALD镀膜
技术可以制备出高效的太阳能电池、燃料电池等。
ALD镀膜技术是一种非常重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，ALD镀膜技术将会在更多的领域得到应用，为人类的生活和发展带来更多的便利和创新。
类金刚石薄膜制备及应用综述
类金刚石薄膜制备及应用综述类金刚石薄膜是一种具有高硬度、高热导率、化学稳定性良好等优良性能的材料，在多个领域有着广泛的应用。
在本综述中，我将就类金刚石薄膜的制备方法、特性及应用进行详细的介绍，以期为相关领域的研究人员提供指导和借鉴。
一、类金刚石薄膜的制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的制备类金刚石薄膜的方法，其核心原理是利用化学反应在基板表面上沉积出单质碳或烷烃单体，再通过合适的条件使其聚合形成类金刚石薄膜。
其优点是工艺成熟、生产效率高，所需设备成本较高，对操作者的技术要求也较高。
2. 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法则是在化学气相沉积法的基础上引入了等离子体，利用微波等离子体来活化反应气体，提高沉积速率和质量，从而得到较高质量的类金刚石薄膜。
3. 溅射法溅射法是利用高能粒子轰击类金刚石靶材，使其表面的碳原子脱离靶材并在基底表面重新结晶形成薄膜。
该方法制备的类金刚石薄膜质量较好，但成本较高。
二、类金刚石薄膜的特性1. 高硬度类金刚石薄膜具有与天然金刚石相近的硬度，达到10GPa以上。
这使得类金刚石薄膜在一些需要高耐磨性能的领域有着广泛的应用，如刀具表面涂层等。
2. 高热导率类金刚石薄膜具有非常高的热导率，可达到约2000W/mK，因此被广泛用于热管理领域，如散热片、导热膏等。
3. 化学稳定性良好类金刚石薄膜在化学腐蚀等方面具有较好的稳定性，这使其在一些特殊的化学环境下得到应用。
4. 其它特性除了上述特性之外，类金刚石薄膜还具有较好的光学性能、生物相容性等特性，这为其在生物医疗、光学涂层等领域的应用提供了可能。
三、类金刚石薄膜的应用1. 刀具涂层由于其高硬度与耐磨性能，类金刚石薄膜被广泛应用于刀具涂层，能够大大提高刀具的使用寿命与切削性能。
2. 热管理材料类金刚石薄膜的高热导率使其成为理想的热管理材料，广泛应用于散热片、导热膏等领域。
3. 光学涂层类金刚石薄膜的优良光学性能使其在激光光学、液晶面板等领域有着广泛的应用。
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河南工业职业技术学院Henan Polytechnic Institute毕业设计题目薄膜制备新技术及应用系别光电工程系专业班级姓名学号指导教师日期 2011．10目录目录 (2)1 真空蒸发沉积 (3)2溅射沉积 (4)3 分子束外延 (5)4 脉冲激光沉积 (5)5 化学气相沉积 (7)5.1 金属有机化合物化学气相沉积 (7)5.2 等离子体增强化学气相沉积 (8)6 溶胶2凝胶工艺 (8)7 结束语 (9)1 真空蒸发沉积真空蒸发沉积是制备光学薄膜最常用的方法 ,目前也被广泛地用作制备光电薄膜。
它的基本原理是把被蒸发材料加热到蒸发温度 ,使之蒸发沉积到衬底上形成所需要的膜层。
早期做法是用电阻加热法 (R 法) 来制备金属膜或介质膜 ,常用的不外乎 ZnS ,MgF2 ,Na3AlF6 等极有限的几种材料 ,由于其机械性能较差 ,不耐磨、抗激光损伤强度低 ,所以严重地限制了它的使用 ,更无法满足激光器件 (如耐磨擦、抗高功率等) 的要求。
为适应激光的发展而产生的电子束蒸发法（EB法) 开创了蒸发镀膜的新领域 ,即用其来蒸发氧化物材料即得所谓的“硬膜”。
由于氧化物材料 , 如ZrO2 ,TiO2 ,Ta2O5 ,SiO2 等熔点高又耐磨 ,所以得到的膜层与用热蒸发镀制的“软膜”相比 ,其化学性能和物理性能都要稳定得多。
上蒸镀时 ,是用电子束的动能将其熔化 ,被蒸发的气体分子又获得了一定的动能 ,所以膜的致密度、粘附力均得到提高 ,抗激光破坏的阈值也得到改善。
但是采用上述蒸发镀膜所获得的薄膜一般呈柱状结构 ,还不够十分致密 ,所以膜层很容易吸附大气中诸如水蒸汽、H2 和 O2等 ,这将导致薄膜性能发生改变。
除了上述传统的热蒸发沉积及电子束蒸发以外 ,日本京都大学教Takag等于 1972 年发明了离化团簇束沉积 ( ICBD 技术 ,ICBD 是一种非平衡条件)下的真空蒸发与离子束相结合的薄膜沉积技术 ,是一种可在室温条件下获得高质量薄膜甚至单晶膜的沉积方法。
ICB 膜生长有以下 3 个主要特点：①离化原子团的荷质比小 ,能在低能量获得高的沉积速率 ; ②容易控制离化原子团的能量和离子含量 ,在低温衬底上容易获得附着力强的薄膜 ; ③离化原子团和衬底碰撞时 ,增加了原子的迁移率 ,改善了膜的结晶状态。
20 多年来 , Katagi 等就 ICB 机制包括原子团的形成、原子团的尺寸、强度和离化条件及其薄膜生长机理进行了广泛的研究。
ICB 技术已被用于制备各种功能薄膜 , 其中包括半导体、金属、介质、光学涂层、光电材料、热电材料、磁性材料及有机材料等。
除日本、美国外 ,俄国和韩国等学者也开展了ICB 方法的研究。
在国内 ,北京大学、南京大学、复旦大学、武汉大学和一些科研院所也已掌握了 ICB技术 ,开展多种薄膜材料的研究工作。
例如 , Yamada等在 Si (111) 和 Si (100) 衬底上用 ICB 外延方法制备了 400 nm 的单晶 Al (111) 和 Al (100 膜 ; Katagi 等用)ICB 技术首先在硅衬底上沉积CaF2 单晶 ,再外延 Al膜 ,得到的单晶 CaF2 表面光滑 ,附着良好。
北京大学用 ICB 方法在 GaAs 和 Si 衬底上生长了 ZnSe ,CdTe 和 ZnTe 等单晶薄膜 ,获得了良好的单晶结构及单晶膜面。
北京大学用 ICB 方法也制备了0 . 2 ～合物薄膜的工艺参数。
在应用光学领域 ,采用 ICB技术制备的大面积高反射率的 Au 膜已经用于 CO2激光器和 X射线反射镜上。
随着离子束技术的应用 ,为了改善薄膜的微结构 ,人们提出了离子辅助蒸发法 ( IBAD 法或 IBED法)。
在蒸发膜料的同时 ,用一个离子源来产生离子束 , 如 Ar , Kr ,O 等 ,在薄膜形成的过程中 ,离子把自身所携带的能量、动量、电荷等传递给膜料和衬底 ,在其提供能量、溅射、成核、扩散、离子注入及加热等综合效应下 ,膜层的物理性质得到明显的改善 ,如附着力、填充密度、表面粗糙度、结晶状态等等。
此外 ,为了获得化学计量的薄膜 ,人们采用了“闪蒸”法 ( Flash Evaporation) 和多元共蒸法，方法已经成功地制备了 CuInSe2 太阳电池的吸收膜以及光学混合膜。
2溅射沉积溅射法是用高能离子轰击靶材表面 ,使靶材表变的分子或原子喷射在沉底表面，形成致密薄膜过程其中离子束溅射IBS法是在离子束辅助沉积BAD的基础上发展起来的 ,它是采用了进一步加面的分子或原子喷射在衬底表面 ,以形成致密薄膜的过程。
溅射沉积的薄膜致密度高 ,与衬底的粘附性好 ,薄膜的成分与靶材具有较好的一致性。
因此溅射镀膜技术已用于研究各种光学、光电子薄膜和硬质耐磨涂层中一些技术已经用于规模化生产。
溅射法包括二极溅射、三极 (或四极溅射、磁)控溅射、对向靶溅射和离子束辅助溅射等。
由于离子轰击的能量比 IBAD 法要大得多 ,因此用 IBS 沉积的光学薄膜具有高的堆积密度和极细致的微观结构 ,而折射率又接近块状材料 ,因此薄膜具有高的光学稳定性和低的散射、吸收损耗。
这为制造高强度、高功率的光学薄膜开辟了新的路径。
中国科学院固体物理研究所采用 IBS 法在 J G2 紫外光学石英玻璃衬底上成功地制备出厚度为 500 nm 的纯度高、质量好 Ge2SiO2 纳米颗粒镶嵌薄膜样品。
科院长春光机所采用此技术成功制备了用于 28 . 4nm 和 30 . 4 nm 波段的新材料组合 CΠSi 多层膜反射镜。
但是它也有自身的缺点 :(1) 大的离子轰击能量和密度 ,增大了表面的粗糙度 ,从而引起散射损耗的增加。
(2) 必需合理地选择离子源的工作气体 ,因为不同的气体对同一种膜料有着不同的吸收。
(3) IBS 沉积率很小。
溅射沉积是近几年发展较快的一种薄膜沉积方法 ,研究得较多 ,因而应用得也比较广泛。
3 分子束外延分子束外延 (MB E) 是在真空蒸发的基础上发展起来的一种单晶薄膜的制备技术 ,用 MB E 技术制备的半导体超晶格和量子阱材料是近年来半导体物理学和材料科学中的一个重大突破。
MBE 技术目前在固态微波器件、光电器件、超大规模集成电路、光通信和制备超晶格材料领域有着广阔的前景。
MBE 是把所需要外延的膜料放在喷射炉中 ,在10 Pa 量级的超高真空条件下使其加热蒸发 ,并将这些膜料组分的原子 (或分子) 按一定的比例喷射到加热的衬底上外延沉积成膜。
与其他薄膜制备技术相比 ,MB E 有以下特点 : ①超高真空条件下 ,残余气体杂质极少 ,可保持膜表面清洁 ; ②它是在低温下(500～600 ℃) 生长Ⅲ2 Ⅴ族、Ⅱ2 Ⅵ族及Ⅳ族元素化合物薄膜 ,生长速度极慢 (1～10μmΠh) ,因此膜是层状生长 ,可以得到表面缺陷极少、均匀度极高的膜 ;③可方便控制组分浓度和杂质浓度 ,因此可以制出急剧变化杂质浓度和组分的器件 ; ④可以用反射式高能电子衍射 ( RHEED) 原位观察薄膜晶体的生长情况。
目前 , 用 MBE 方法制备的半导体薄膜激光器、HgCdTe 红外探测器、InGaAsΠIn GaAsP、GaAsΠAl2GaAs 等量子阱材料在实际应用方面展示了重要的前景。
4 脉冲激光沉积脉冲激光沉积 ( PLD) 是 20 世纪 80 年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。
PLD 是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面 ,使靶材料表面产生高温及熔蚀 ,并进一步产生高温高压等离子体( T ≥104 K) ,这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。
目前所用的脉冲激光器中以准分子激光器能量效果最好。
准分子激光器的工作气体为 ArF , KrF , XeCl和 XeF ,其波长分别为 193 ,248 ,308 ,351 nm ,光子能量相应为 6 . 40 ,5 . 00 ,4 . 03 ,3 . 54 eV。
准分子激光器一般输出脉冲宽度为 20 ns 左右 ,脉冲重复频率为 1～20 Hz ,靶面能量密度可达 2～5 J Πcm ,功率密度可达1 ×10 ～1 ×10 WΠcm ,而脉冲峰值功率可高1×10 W。
同其他制备技术相比 ,PLD 具有如下优点:(1) 可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄)膜 ,甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜 ,是其突出的优点。
(2) 激光能量的高度集中 ,PLD 可以蒸发金属、半导体、陶瓷等无机材料。
有利于解决难熔材料 (如硅化物、氧化物、碳化物、硼化物等) 的薄膜沉积问题。
(3) 易于在较低温度 (如室温) 下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜。
因此 ,适用于制备高质量的光电、铁电、压电、高T c 超导等多种功能薄膜。
(4) 能够沉积高质量纳米薄膜。
高的粒子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用 ,促使薄膜的生长沿二维展开 ,因而能够获得极薄的连续薄膜而不易出现岛化。
(5) 灵活的换靶装置 ,便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长 ,多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁的界面。
(6) 生长过程可以原位引入多种气体 ,烧蚀物能量高 ,容易制备多层膜和异质结 ,工艺简单 ,灵活性大。
目前 ,PLD 技术主要用于 BNNΠKTP 外延光波导膜、钙钛矿结构铁电膜、纳米颗粒嵌入膜以及其他光电子薄膜的制备。
大量的研究表明 ,调节试验条件可以使薄膜的化学成分与靶材的化学成分一致 ,这使得 PLD 成为制备复杂组分的薄膜材料的重要手段。
但是 ,在薄膜中及表面存在微米、亚微米尺度的颗粒 (Droplet) ,所制备的薄膜面积小 ,以及某些材料的靶膜成分不一致。
伴随着 PLD 及新兴的激光 MB E技术的完善 ,脉冲激光制膜将会在高质量的纳米半导体薄膜、超晶格和新型人工设计薄膜的研究方面得到进一步的发展。
5 化学气相沉积化学气相沉积 (CVD 是把含有构成薄膜元素的)一种或几种化合物、单质气体供给衬底 ,借助气相作用或在衬底表面上的化学反应生成薄膜的一种制备方法。
由于 CVD 法是一种化学反应方法 ,它可任意控制薄膜组成 ,能够实现过去没有的全新结构和组成 ,甚至可以在低于薄膜组成物质的熔点温度下制备薄膜 ,所以主要用于制备半导体集成电路中的外延膜、外延光波导膜、薄膜激Si3N4 ,SiO2 等绝缘保护膜和 TiC , SiC ,BN 等耐磨涂层。
近年来 CVD技术有了很大的发展 ,主要表现在以下几种 :5 .1 金属有机化合物化学气相沉积金属有机化合物化学气相沉积 (MOCVD) 法是近二三十年来发展起来的一项薄膜材料制备技术 ,该方法是采用Ⅲ、Ⅱ族元素的有机化合物和Ⅴ族、Ⅵ族元素的氢化物等作为生长源材料 ,以热分解反应在衬底上进行气相外延 ,生长Ⅲ2 Ⅴ族、Ⅱ2 Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单层。