薄膜及其特性

1.1 薄膜的概念
• （1）薄膜的定义
• 薄膜（thin film）是附着于基体上而与基体在组分或 结构上存在差异的物质，是不同于其它物态（气态、 液态、固体和等离子态）的一种新的凝聚态。顾名思 义，薄膜就是薄层材料。
• 薄膜材料是相对于体材料而言的，绝不是将块体材料 压薄而成的，而是通过特殊方法（如物理气相沉积 PVD、化学气相沉积CVD）制备的。人们常常是用 厚度对薄膜加以描述，通常是把膜层无基片 （substrate free1mm左右。
二、定义2（广义）：
夹在两个平行平面间的薄层。 上平面：空气 固体膜、液体膜
下平面：固体表面、液体表面、空气
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
三、定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的 一薄层固态物质 。
●强调基板必不可少； ——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
• 这一厚度也是采用常规方法所制薄膜膜厚 的上限。随着科技工作的不断发展和深入， 薄膜领域也在不断扩展，不同的应用领域 对薄膜的厚度有不同要求。所以有时把厚 度为几十微米的膜层也称为薄膜。通常是 几个纳米到几十个微米，这也就是薄膜物 理所研究的范围。
• 它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面 的气体薄膜。也可以理解为液体薄膜，如附 着在液体或固体表面的油膜。我们这里所指 的薄膜是固体薄膜（solid thin films），即使 是固体薄膜，也可以分为薄膜单体和附着在 某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里 所指的薄膜属后者。即附着于基体（又称衬 底）上而与基体在组分或结构等方面存在着 差异的薄层物质称为薄膜。
●强调制备方法； ——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度： 薄膜 < 1μm 厚膜>10μm
●薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄 层。
●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、 膏状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷(Print)、热喷涂(Spray) 历史：陶瓷表面上釉
⑧用ZnO、 Ta2O5 、AlN等薄膜制成的声表面滤波 器件。
⑨磁记录薄膜与薄膜磁头 如用于高质量录音和录 像的磁性材料薄膜录音带与录像带；用于计算机数 据储存的CoCrTa、CoCrNi等的薄膜软盘和硬盘； 用于垂直磁记录中FeSiAl薄膜磁头等。
⑩静电复印鼓用的Se-Te、SeTeAs合金膜及非晶硅 薄膜。
声学——声表面波滤波器，如ZnO、Ta2O5 热学——导热、隔热、耐热 机械——硬质、润滑、耐蚀、应变 有机、生物
1.2 薄膜材料的分类
按薄膜的功能及其应用领域大致可分类如下： （1）电学薄膜
①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质 薄膜材料Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、 SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。 ②超导薄膜 特别是近年来国内外普遍重视的高温 超导薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超导薄 膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀土元素氧 化物超导薄膜。
涂层
薄膜
厚膜
说明: 溶胶－凝胶(Sol-Gel)、金属有机物热分解 (MOD)、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，
但从原理上更接近厚膜方法。
SAPPHIRE, Al2O3
Silicon-On-Sapphire Wafers
Substrate for III-V Nitride Epitaxy.
1 薄膜的几种定义
一、定义1（狭义）：
由单个的原子、离
Vacuum
子、原子团无规则地入
射到基板表面，经表面 Thin Film 附着、迁徙、凝结、成
核、核生长等过程而形
成的一薄层固态物质。
Atom Substrate
定义1的特点：
●强调了薄膜生长的机理与过程 ●仅仅适用于薄膜的气相生长方法，而不适用于液相法 ●也不能描述扩散、注入方法 ●强调了薄膜的生长必须依附基板
⑤薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成 电路
⑥薄膜太阳能电池 特别是非晶硅、CuInSe2和 CdSe薄膜太阳能电池。
⑦平板显示器件 液晶显示、等离子体显示和电致 发光显示三大类平板显示器件所用的透明电极 （氧化铟锡薄膜）。特别是薄膜电致发光屏是一 种多层功能薄膜（包括氧化铟锡透明导电膜， Y2O3、Ta2O5等介质膜，ZnS：Mn等发光膜，Al 电极膜等）组成的全固态平板显示器件。
（b）研究该薄膜具有哪些新的特性（包括光、 热、电、磁、力等方面），研究这些特性 的物理本质；
（c）如何把这些薄膜材料应用于各个领域， 尤其是用于高新科技领域。
1.2 薄膜材料的分类
电学——超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质 功能薄膜，如光电、压电、铁电、热释电、 磁敏、热敏、化学敏
光学——增透、反射、减反、光存储、红外 磁学——磁记录和磁头薄膜
• 薄膜材料可用各种单质元素及无机化合物 或有机化合物来制作膜，也可用固体、液 体或气体物质来合成。薄膜与块状物体一 样，可以是单晶薄膜、多晶薄膜、微晶薄 膜、纳米晶薄膜、非晶薄膜、超晶格薄膜 等。
（2）薄膜材料科学与技术的研究内容
（a）如何使某一物质（可以是块状、液态等 物质）能成为薄膜形状？就是研究该材料 的制备工艺（合成）技术；
③光电子器件中使用的功能薄膜 特别是近年来 开发研究成功的GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、aSi:H、a-SiGe:H、a-SiC:H、a-SiN:H、a-Si/a-SiC 等一系列晶态与非晶态超晶格薄膜。
④薄膜敏感元件与固态传感器 例如SnO2薄膜可 燃性气体传感器、ZrO2薄膜氧敏传感器、薄膜 应变电阻与压力传感器、Pt、Ni等金属薄膜与 Co－Mn－Ni等氧化物薄膜及SiC薄膜的热敏电 阻和Si3N4、Ta2O5薄膜的离子敏传感器等。
（2）光学薄膜
①减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影 放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜和 棱镜上所镀的单层MgF2薄膜和双层或多层（SiO2、 ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜组成的宽带减反射膜； 野视仪和红外设备的镜头上所用的ZnS、CeO2、 SiO、Y2O3等红外减反射膜。 ②反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳 能接收器的镀铝膜；用于大型天文仪器和精密光学 仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反射率 的膜（反射率可达99％以上）等等。