纳米薄膜制备及性能
纳米薄膜制备资料
(Ⅰ)金属-非金属纳米复合膜的制备
当 C2H5+/Ar+<10-2 时 ， 只获得组成基本上为 金属的纳米粒子膜； C2H5+/Ar+=10-1 ～ 102时，可获得不同金 属颗粒含量的膜 。
（美国IBM公司）
体积分数(volume fraction)变化
超微粉涂层材料的优越性
超微粉与表面涂层技术结合，形成了含有超微粉的 表面涂层材料(Ultra-Fine Powder Coating)。
超细粉末涂层材料包括金属、无机非金属、高分子 材料和复合材料等，经过沉积、喷涂和镀覆等手段 实施，可以将不同性质、不同尺度的材料组合起来， 使其表面机械、物理和化学性能得到提高，赋予基 体表面新的力学、热学、光学、电磁学和催化敏感 等功能，达到表面改性与功能化的目标。
第八章 纳米薄膜(nanofilm)的制备
纳米薄膜分两类，一是由纳米粒子组成 的(或堆砌而成的薄膜)，另一类薄膜是指 纳米粒子镶嵌(embedded)在另一种基体材 料中的颗粒膜，即在纳米粒子间有较多 的孔隙或无序原子或其它类材料．
纳米薄膜在光学、电学、催化、气敏等 方面具有很多特性，因此具有广阔的应 用前景．
表 9-2 金属颗粒的有机复合膜中粒径 与金属体积分数的关系
金属体积 分数(%)
Au(fcc)粒子的 平均粒径 d(nm)
10
3.5
20
6.0
30
8.5
40
15
Co(hcp)粒子的 平均粒径 d(nm)
1.0 1.0 1.7 4.0
(Ⅱ)铜-高聚物纳米镶嵌膜的制备
这种镶嵌膜(embadded film)是把金属纳米粒 子镶嵌在高聚物的基 体中．
纳米膜的制备方法
纳米膜的制备方法纳米膜是一种厚度在纳米尺度的薄膜，具有高表面积和特殊的物理、化学特性。
制备纳米膜的方法有很多，下面我将介绍其中一些常用的方法。
1. 溶液法制备纳米膜：溶液法是制备纳米膜最常用的方法之一。
该方法通过从溶液中聚集纳米颗粒或分子使其自组织成膜。
常见的溶液法包括自组装、溶胶-凝胶法和电泳沉积等。
其中，自组装是最常见的一种方法，它通过溶液中腔体溶胶粒子之间的相互作用力使其自发排列成膜。
这种方法制备的纳米膜有较高的有序性和孔隙度，可用于分离、过滤和催化等应用。
2. 气相沉积法制备纳米膜：气相沉积法是一种在高温高压下将气体分子沉积在基底表面形成薄膜的方法。
常见的气相沉积法有热蒸发法和化学气相沉积法。
热蒸发法是利用电子束或加热的金属坩埚蒸发金属，然后在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积法则是利用卤化物或金属有机化合物在基底表面氧化反应形成纳米膜。
气相沉积法可以制备高纯度的纳米膜，并且可以控制膜的成分、形貌和厚度等。
3. 磁控溅射法制备纳米膜：磁控溅射法是利用离子轰击金属靶材，使得金属原子从靶材上剥离并沉积在基底表面形成薄膜的方法。
该方法具有成膜速度快、控制性好等优点。
磁控溅射法制备的纳米膜具有较好的致密性和结晶性能，常用于制备金属和金属合金的纳米膜。
4. 分子束外延法制备纳米膜：分子束外延法是一种利用高能离子束轰击材料表面使其形成纳米膜的方法。
该方法通过将气态材料加热至升华温度，然后用束流轰击材料使其蒸发并沉积在衬底表面形成薄膜。
分子束外延法制备的纳米膜具有高纯度、表面质量好等优点，尤其适用于制备半导体器件的纳米膜。
5. 电沉积法制备纳米膜：电沉积法是一种利用电化学原理将离子溶液中的金属离子还原成金属沉积在电极上形成纳米膜的方法。
该方法可以通过调节电解液成分、电流密度和沉积时间等参数来控制纳米膜的成分、形貌和厚度等。
电沉积法制备的纳米膜具有较好的均一性和结晶性能，常用于制备导电膜和阻挡膜等。
纳米膜制备的方法还有很多，上述只是其中一些常用的方法。
溶胶凝胶法制备纳米薄膜材料
实验名称：溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜材料纳米TiO2具有许多特殊功能,如良好的抗紫外线性能、耐化学腐蚀性能和耐热性、白度好、可见光透射性好以及化学活性高等。
TiO2纳米材料还具有净化空气、杀菌、除臭、超亲水性等功能,已广泛应用于抗菌陶瓷,空气净化器、不用擦拭的汽车后视镜等领域,20世纪80年代末纳米发展起来成为主要的纳米材料之一。
研究表明,紫外线过量照射人体,会使人的记忆力减退、反应迟钝、视力下降、易失眠等影响。
在玻璃上负载TiO2膜可以有效地吸收紫线。
本次实验利用溶胶凝胶法制备TiO2纳米薄膜材料，在一定程度上是对TiO2在实际生活中应用的尝试。
一．实验目的1.了解溶胶-凝胶法制备纳米薄膜材料的应用。
2.掌握溶胶-凝胶法制备纳米薄膜材料的原理以及实际应用。
3.掌握XRD颜射原理以及实际操作技能。
4.掌握根据X-射线衍射图分析晶体的基本方法。
5.二．实验原理溶胶．凝胶法（Ｓ０１．Ｇｅｌ法，简称S.G法）就是以无机物或金属醇盐作前驱体，在液相将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
溶胶．凝胶法就是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体。
其基本反应如下：(l）水解反应：M(OR)n + H2O → M (OH) x (OR) n－x + xROH(2) 聚合反应：－M－OH + HO－M－→ －M－O－M－+H2O－M－OR + HO－M－→ －M－O－M－+ROH三．实验器材：实验仪器：移液管（10ml）1只量筒（50ml）1只吸量管（5ml）2只小烧杯（100ml ) 2只载玻片若干滴管2只恒温磁力搅拌器1台恒温干燥箱1台原子吸光光度计1台X-射线衍射仪1台马弗炉1台实验原料：三乙醇胺（AR)乙醇（AR）钛酸丁酯（AR）四．实验过程1.取载玻片若干片（一般4-5）片，先用丙酮清洗，再用去离子水清洗，放在烘箱中烘干编号备用。
纳米薄膜制备技术及应用
纳米薄膜制备技术及应用随着科技的不断进步和发展，人们对于材料的要求也越来越高，尤其是在纳米材料的研究领域，相关技术的应用越来越广泛。
其中，纳米薄膜一直是研究的热点之一，具有广泛的应用前景。
纳米薄膜不仅可以应用于电子器件、光学器件、传感器等领域，也可以应用于防腐蚀，涂料和生物医学等领域。
因此，纳米薄膜制备技术的研究和应用成为了材料科学研究的一个重要方向。
一、纳米薄膜技术简介纳米薄膜是一种薄弱的材料形态，通常厚度不超过几百纳米，甚至更薄。
相比之下，普通金属材料通常具有厚厚的物质结构。
纳米薄膜通常被应用于未来科技领域。
例如，研究人员正在尝试制造所谓的“纳米电池”，利用这种小型电池来驱动未来的微型设备。
同时，纳米薄膜也可以被用作电池或半导体材料。
纳米薄膜制备技术通常基于物理和化学原理，有多种制备技术可供选择。
二、纳米薄膜制备技术1.物理气相沉积：物理气相沉积是一种常用的制备纳米薄膜的技术。
该技术利用蒸发，溅射或激光蒸发等方法制备纳米薄膜。
2.化学气相沉积：化学气相沉积通常使用淀粉溶液或气体反应制备纳米薄膜。
根据化学反应的不同，可以制备不同的薄膜材料。
3.溶胶-凝胶法：溶胶凝胶法是一种利用液体中的溶胶，悬浮或凝胶物质制备纳米薄膜的方法。
它的优点是成本低，化学性能好。
三、纳米薄膜的应用1. 纳米薄膜在信息技术方面的应用：随着信息技术日新月异地发展，人们对于更加小型化、高灵敏度的电子产品的要求越来越高。
因此，纳米薄膜被广泛应用于大屏幕、高精度显示器、智能手机等电子产品中，它们具有优异的光电性能和快速响应能力。
2. 纳米薄膜在制备传感器方面的应用: 由于纳米薄膜材料具有优异的电学、光学、磁学、化学性质和较高的比表面积，因此它们被广泛应用于新型传感器的开发，可以更准确地检测体内的化学物质、生化物质和食品质量等物质。
3. 纳米薄膜在材料方面的应用: 由于纳米薄膜材料具有巨大的比表面积，容易与其他物质相互作用，这使得它们可以应用于材料学领域。
纳米纤维薄膜的制备及其应用
纳米纤维薄膜的制备及其应用概述：纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其颗粒尺寸在1到100纳米之间。
纳米纤维薄膜是一种应用广泛的纳米材料，具有较大的比表面积、高孔隙度和优异的力学性能。
本文将重点介绍纳米纤维薄膜的制备方法以及其在各个领域的应用。
一、纳米纤维薄膜的制备方法1. 电纺法电纺法是一种常用的制备纳米纤维薄膜的方法。
通过电纺设备将聚合物溶液注入电纺针头，利用高电压的电场作用下形成纳米尺寸的纤维，并在收集器上形成纳米纤维薄膜。
电纺法制备出的纳米纤维薄膜具有较高的孔隙度和比表面积，适用于过滤、分离和催化等领域。
2. 真空蒸发法真空蒸发法是一种通过在真空环境下将物质从固态直接转化为气态，再沉积到基底上形成薄膜的方法。
通过调控沉积条件和蒸发物质的性质，可以制备出具有纳米级结构的纤维薄膜。
真空蒸发法具有制备简单、薄膜质量高的优点，适用于光学器件和电子器件等领域。
3. 模板法模板法是一种常用的制备纳米纤维薄膜的方法。
通过选择合适的模板材料和制备工艺，在模板孔隙中填充聚合物或金属溶液，经过固化和模板移除等步骤，最终得到纳米纤维薄膜。
模板法制备的纤维薄膜具有均匀的孔隙结构和较高的孔隙度，适用于储能和催化等领域。
二、纳米纤维薄膜的应用1. 污水处理纳米纤维薄膜具有高孔隙度和大比表面积的特点，可以用于污水处理领域。
通过纳米纤维薄膜的过滤作用，可以有效去除污水中的悬浮颗粒和有机物质，实现水质的净化。
此外，纳米纤维薄膜还可以用作分离膜，对盐水进行脱盐，解决淡水资源的问题。
2. 组织工程纳米纤维薄膜具有类似胶原蛋白的纤维结构和良好的生物相容性，因此在组织工程领域有广泛应用。
通过将细胞种植在纳米纤维薄膜上，可以模拟自然的细胞外基质环境，促进细胞生长和组织再生。
此外，纳米纤维薄膜还可以用于药物缓释，实现局部治疗和控制释放，提高疗效。
3. 能源领域纳米纤维薄膜在能源领域具有重要应用价值。
通过改变纳米纤维薄膜的孔隙结构和材料组成，可以制备出高效的电池隔膜和超级电容器电极等材料，提高能源存储的性能。
纳米膜技术
纳米膜技术概述纳米膜技术是一种基于纳米级材料制备和应用的技术，具有广泛的应用领域和巨大的潜力。
它通过控制材料的结构和性质，制备出具有特殊功能和优异性能的薄膜，可用于过滤、分离、传感、催化等多个领域。
本文将深入探讨纳米膜技术的原理、制备方法以及应用。
原理纳米膜技术基于纳米级材料的特殊性质，利用其尺寸效应、表面效应和量子效应等特征，实现对物质分子或离子的选择性传输。
纳米膜一般由多层次结构组成，包括支撑层和功能层。
支撑层提供了稳定性和机械强度，而功能层则实现了对物质传输的选择性。
在纳米膜中，通过调控孔隙大小、形状以及表面化学性质等因素，可以实现对不同尺寸、形状或电荷的物质分子或离子的选择性传输。
例如，通过控制孔隙大小，可以实现对特定分子的分离和富集；通过表面修饰，可以增强对特定物质的吸附和催化反应。
制备方法纳米膜技术的制备方法多种多样，常见的包括溶液法、气相沉积法、物理气相沉积法等。
下面将介绍几种常用的制备方法：1.溶液法：将纳米级颗粒悬浮在溶剂中，通过溶剂挥发或沉淀等方式，使颗粒自组装形成膜状结构。
这种方法简单易行，适用于大面积膜的制备。
2.气相沉积法：将气体中的原子或分子在基底表面上沉积形成薄膜。
这种方法可以控制膜的厚度和成分，并且适用于高温、高真空条件下的制备。
3.物理气相沉积法：利用物理过程如热蒸发、电子束蒸发等，在真空环境中将材料直接转移到基底上形成纳米膜。
这种方法可以制备高质量、单晶结构的纳米膜。
4.其他方法：还有一些特殊的制备方法，如电化学沉积、自组装等，可以根据具体需求选择。
应用领域纳米膜技术在各个领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用领域：1.膜分离技术：纳米膜可以实现对液体或气体中特定分子或离子的选择性分离和富集，广泛应用于水处理、气体分离、生物医药等领域。
2.传感器技术：纳米膜可以通过修饰表面化学性质或引入功能材料，在传感器上实现对特定物质的高灵敏度检测。
例如，通过纳米膜修饰的电化学传感器可以实现对重金属离子、有机污染物等的检测。
制备纳米薄膜的方法
制备纳米薄膜的方法
制备纳米薄膜的方法有很多种，以下是其中一些常见的方法：
1. 真空蒸发法：在高真空下，将材料加热至其蒸发温度，使其蒸发并沉积在基底上形成薄膜。
这种方法适用于材料蒸发温度较低的情况。
2. 磁控溅射法：在真空室中，通过加热材料至其灼烧温度并利用磁场控制离子轨迹，使离子撞击材料表面并碎裂，形成薄膜。
这种方法适用于需要提高材料附着力和纯度的情况。
3. 化学气相沉积法（CVD）：通过将气态前体物质引入反应室中，在适当的温度和压力下，使其发生化学反应并在基底上沉积形成薄膜。
这种方法适用于制备复杂化合物薄膜。
4. 溶液法：将纳米材料悬浮在溶剂中，通过溶剂挥发或沉积基底上使溶液中的纳米材料沉积成薄膜。
这种方法适用于制备大面积、低成本的纳米薄膜。
5. 电化学沉积法：通过在电解质溶液中施加电压或电流，使金属或合金离子在电极上沉积成薄膜。
这种方法适用于制备金属薄膜，并能够控制薄膜的形貌和厚度。
这些方法可以根据具体需求和材料特性选择合适的制备方法。
同时，不同的方法
也有各自的优缺点，需要根据实际情况进行选择。
自组装纳米材料的制备及其性能研究
自组装纳米材料的制备及其性能研究随着纳米技术的发展，纳米材料的制备技术也在不断地更新换代。
在纳米材料的制备过程中，自组装技术受到了广泛的关注。
自组装是指分子或化合物在特定条件下，通过非共价相互作用，自发地形成稳定的大分子或超分子结构。
它的原理是分子间存在的化学亲和性、堆积效应、极性、范德华力等相互作用力，从而形成三维的结构。
本文将详细介绍自组装纳米材料的制备方法及其性能研究。
1. 自组装纳米材料的制备方法1.1 薄膜自组装法薄膜自组装法是指将带有电荷的分子或化合物在固体表面进行自组装，形成具有多层交替排列的超分子薄膜。
该方法主要是利用有机物和离子表面活性剂，通过静电相互作用和范德华力的作用力，形成分子层和离子层的交替排列。
1.2 聚集诱导自组装法聚集诱导自组装法是指将分子或化合物在溶液中或液晶区域中通过水合作用、π-π作用、范德华力、静电作用、氢键等非共价相互作用，自发地形成稳定的聚集体结构，从而达到3D结构的自组装。
1.3 浸渍自组装法浸渍自组装法是指将无序的纳米粒子在液相中通过吸附或化学反应等方式，实现纳米材料的自组装制备。
该方法适用于无需组装很多层的热稳定材料，且制备过程简单，操作容易。
2. 自组装纳米材料的性能研究自组装纳米材料不仅具有超大的比表面积和高效的质量转移特性，还具有明显的结构可控性和形貌可调性，因此在吸附分离、催化、传感、药物释放和光催化等领域有着广泛的应用。
2.1 吸附分离自组装纳米材料可以通过调节不同组装的结构和形貌，以及表面活性剂的选择和浓度等因素，实现对不同体系物质的选择性吸附和分离。
例如，由于纳米材料显著的比表面积，可选择性吸附CO2、甲烷、乙烯等气体，并且具有重复使用的特性，因此在天然气/乙醇混合物的分离中具有广泛的应用前景。
2.2 催化自组装纳米材料不仅具有相应体系物质较大的比表面积和高效的传质特性，还能够控制纳米材料的晶体结构和物相，提高其催化性能。
例如，由于金属纳米材料具有丰富的表面反应活性位点，可以通过可控自组装，实现金属纳米颗粒的大小、形状、晶体结构等参数的控制调节，从而提高其催化性能。
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4．连续薄膜 • 在薄膜形成时，特别是在结合阶段，岛的取向会发 生显著的变化． • 对形成外延膜，这种情况是相当重要的．形成多晶 膜的机理类似于外延膜，除了在外延膜中小岛结合 时必须相互有一定的取向以外． • 发现在结合时有一些再结晶现象，以致在薄膜中的 晶粒大于初始核间的距离． • 即使基片处在室温下，也有相当的再结晶发生，每 个晶粒的大小包括有100个或更多的起始核区． • 由此可见，薄膜中的晶粒尺寸受控于核或岛相互结 合时的再结晶，而不仅是受控于起始核密度．
• 分子束外延
• 以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备， 经过十余年的开发，近年来来已制备出各种Ⅲ-V族 化合物的半导体器件。外延是指在单晶基体上生长 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)。 • 目前分子束外延的膜厚控制水平已经达到单原子层， 甚至知道某一单原子层是否已经排满，而另一层是 否已经开始生长。
5.1.2溅射制膜
• 溅射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面， 使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。 • 溅射镀膜有两种 • 一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离 子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基 片上。 • 另一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射击 的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。离子束要由 特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只 是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。
• 薄膜技术目前还是一门发展中的边缘学科，其中 不少问题还正在探讨之中。
• 薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光 学性能、磁学性能、催化性能、超导性能等。
• 薄膜在工业上有着广泛的应用，而且在现代电子 工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在 这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了 一个国家的科技水平。
纳米薄膜分类
• 纳米薄膜分为三类： • （1）由纳米粒子组成(或堆砌而成)的薄膜， • （2）在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材 料。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜就属于第二 类纳米薄膜。 • （3）薄膜厚度在纳米级，或有纳米级厚度的薄膜交替重 叠形成的薄膜。
5.1薄膜材料的制备
5x1014m-2，最小扩散距离约为50nm．
2．结合阶段 • 对于小核，发生结合的时间小于0.1s，并且结合后增大了 高度，减少了在基片上所占的总面积．除此以外，结合前 具有良好晶体形状的核在结合时变为圆形．若在进一步结 合前尚有具够的时间，复合岛(即结合以后的小岛)会再次具 有晶体形状．在小岛阶段，晶体多为三角形．而在结合以 后，各岛常变为六角形．
薄膜的应用
薄膜在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用
光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、 偏振镜等； 电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模 集成电路也有赖于薄膜技术来制造； 硬质保护膜可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强 表面的耐磨程度； 在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具 有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用； 磁性薄膜具有记忆功能，在电子计算机中作存储记录介质而 占有重要地位。
5.1.1气相法 纳米薄膜的获得主要通过两种途径： • (1)在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成， 如采用共溅射方法制备Si／SiO2薄膜，在700— 900℃的N2气氛下快速退火获得纳米Si颗粒； • (2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成， 其中薄膜沉积条件的控制显得特别重要，在溅射 工艺中，高的溅射气压、低的溅射功率下易于得 到纳米结构的薄膜。 • 在CeO2-x、Cu/CeO2-x的研究中，在160W、2030Pa的条件下能制备粒径为7nm的纳米微粒薄膜。
生长模式
衬底
Frank-van der Merve Mode Layer by Layer ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode Layer Plus Island Growth ( 2D-3D ) Volmer-Weber Mode Island Growth ( 3D )
衬底
衬底
薄膜生长中服从的物理原理
总能量必须最小化：表面自由能+位错能+应变能
蒸镀用途 • 蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如用 作电极的导电膜、光学镜头用的增透膜等。 • 蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射 困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速率快 的优势。 • 蒸镀纯金属膜中，90％是铝膜。铝膜有广泛的用途。目前在 制镜工业中已经广泛采，用蒸镀，以铝代银，节约贵重金属。 • 集成电路通过镀铝进行金属化，然后再刻出导线。在聚酯薄 膜上镀铝具有多种用途：制造小体积的电容器,制作防止紫外 线照射的食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳 的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐 头盒。
• （2） 蒸发源的熔点要高于被蒸发物的蒸发温度。加热器 要有足够大的热容量。 • （3） 蒸发物质和蒸发源材料的互熔性必须很差，不易形 成合金。 • （4） 要求线圈状蒸发源所用材料能与蒸发材料有良好的 浸润，有较大的表面张力。 • （5） 对于不易制成丝状、或蒸发材料与丝状蒸发源的表 面张力较小时，可采用舟状蒸发源。
(9)形成带有沟道和孔洞的薄膜；
(10)在沟道和孔洞处“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续薄 膜．
薄膜的形成包括如下过程：
1. 小岛阶段
• 在这个阶段中，包括成核和核生长． • 在真空度为10-6Pa下，用物理气相沉积法制造薄膜，并且 同时用透射电镜观察成膜过程．结果发现，首先看到的是 大小相当一致的核突然出现，其线度为2-3nm，其形状是 三维的，并且平行基片表面的两维大于垂直向的第三 维．这说明核的生长主要是由于吸附单体在基片表面的扩 散，而不是由于气相原子的直接碰撞．例如，以MoS2为基 片、在400C下成膜时，Ag或Au膜的起始核密度约为
液相法
• 5. 溶胶-凝胶(sol-gel法
• 6. 电镀法，化学镀 • 7 LB膜
• 真空蒸发镀膜： 在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适 当的表面上。它的优点是沉积速度较高，蒸发源结构简单， 易制作，造价低廉，但不能蒸发难熔金属和介质材料。最 大的缺点就是材料的利用率极低（试料在篮状蒸发源中以 立体角、在舟状蒸发源中以立体角四散开来） • 真空溅射镀膜： 当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与 表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅 出来，落在衬底上形成薄膜。溅射镀膜材料的利用率大大 高于蒸发镀膜。
• 在上述这些溅射方式中，如果在Ar中混入反应气体，如O2、 N2、C2H2等，可制得靶材料的氧化物、氮化物、碳化物等 化合物薄膜，这就是反应溅射.
溅射过程的物理模型
入射离子 +
真空 靶材固体 渗透深度 溅射粒子 （离子或中性粒子）
• 真空蒸发制膜 • 在高真空中用加热蒸发的方法使源物质 转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法 称为蒸发制膜，简称蒸镀。
(1)蒸镀原理 • 在高真空中，将源物质加热到高温，相应温度下 的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通 量并不相等。 • 基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在基 片上形成凝固膜。为了补充凝固蒸气，蒸发源要 以一定的速度连续供给蒸气。 (2)蒸镀方法 • ①电阻加热蒸镀。加热器材料常使用钨、钼、钽 等高熔点金属，蒸发材料可以是丝状、带状或板 状。 • ②电子束加热蒸镀。利用电子束加热可以使钨(熔 点3380T)等高熔点金属熔化。
气相沉积的基本过程
(1)气相物质的产生 • 一种方法是使沉积物加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；另一种方 法是用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积物原子，称 为溅射镀膜。
(2)气相物质的输运 • 气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉 积物到达基片。在高真空度的情况下(真空度≤10-2Pa)，沉积物与残余 气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线到达基片，沉积速率较快； 若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过 程无法进行，或薄膜质量太差。 (3)气相物质的沉积 • 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以 形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若在沉积过程中，沉积物原子之间发 生化学反应形成化合物膜，称为反应镀。若用具有一定能量的离子轰击 靶材，以求改变膜层结构与性能的沉积过程称离子镀。
PVD的物理原理
衬底 扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
气相法薄膜形成的过程
薄膜的形成包括如下过程：
(1)单体的吸附；
(2)大小不同的各种小原子团(或称胚芽)的形成； (3)形成临界核(开始成核)； (4)由于捕获其周围的单体，临界核长大； (6)在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核； (6)稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛． 由于新 岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的面积； (7)在这些新暴露的面积上吸附单体，发生“二次”成核； (8)小岛长大，结合成为大岛，大岛长大、相互结合．在新暴露 的面积发生“二次”或“三次”成核；
蒸发系统
工作架
轰击电极 活动挡板
蒸发电极
烘烤电极
热蒸发
玻璃钟罩 衬底 衬底架
反应气体管道 充气管道 Plume 厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚 真空泵
仪器
内部结构
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
常用蒸发材料形态
蒸发源材料和镀膜材料的选择搭配原则
• （1） 蒸发源有良好的热稳定性，化学性质不活泼，达到 蒸发温度时加热器本身的蒸汽压要足够低。
纳米薄膜
• 薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛， 单质元素、化合物或复合物，无机材料或 有机材料均可制作薄膜。 • 薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、 多晶态的或单晶态的。 • 近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技 术、分析方法、结构观察和形成机理等方 面的研究都取得了很大进展。其中无机薄 膜的开发和应用更是日新月异，十分引人 注目。