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1、薄膜物理与技术,教材：唐伟忠,.,薄膜材料,制备原理、技术及应用,冶金工业出版社,32,学时,，选修课,2020/3/26,2020/3/26,绪,论,薄膜科学的发展历史,薄膜的分类,薄膜科学的研究内容,薄膜科学的基本概念,本课程的主要内容,教材及参考书,?,?,?,?,?,?,two-dimension materials,thin=less than about one micron,(10,000 Angstroms,1000 nm),film=layer of material on a substrate,(if no substrate,it is a foil),2020/3/2
2、6,薄膜科学的发展历史,一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研,究，使物理学成为一个很大的学科领域。在这个领,域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个独立,的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分,支。,薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方,法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的生长机理等,及其丰富的内容。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、,作家兼政治家的富兰克林,(Benjamin,Franklin),，他在,1774,年,的文件中留下了这样的描述：,“,不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很,惊人地慢慢扩展，直到抵达在下
3、风处的水池边缘，布满了水,池的那个区域，可能有半英亩（,1,英亩约为,4000,平方公尺）,之广，而表面平滑的像面镜子。,”,该薄膜的膜厚约为,10?,，是一个单分子膜层。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅,短。在现今留下的纪录里，最早的是,1852,年德国的,化学家本生,(Robert,Wilhelm,Bunsen),和,Grove,分别由,化学反应和辉光放电,(glow,discharge),确认了其所产,生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或,分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的,基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以
4、,薄膜来称呼。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄膜。,随着各种光学透镜的发展，各种增透膜、减反射,膜、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检测和,分析。进入上世纪,70,年代后，透光材料在建筑、,装璜等方面被广泛应用，在房屋、车辆、太阳能,电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增透、,防辐射和反射等薄膜。这类产品已经广泛进入我,们的日常生活中。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在，不,过事实上在日常生活当中，我们可以见到各式各样,的薄膜。例如：,?,厨房用的铝箔（厚度约,0.02mm,，,20m,）；,?,保鲜膜
5、（厚度约,15,m,）；,?,保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜；,?,油漆等较厚的膜；,?,眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜；,?,IC,芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜；,?,下雨时车窗上的水膜，或是漂浮在汤汁上面的油膜等，,则是属于液体薄膜。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,?,薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面,所具有的特殊性,在科学技术发展和人们的日常,生活中发挥着越来越重要的作用。,?,薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作,者,而且受到各国高技术产业界的广泛关注。,?,薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料,科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领
6、域,薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的,边缘学科。,2020/3/26,薄膜科学的发展历史,?,从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起,薄膜的制备,与应用已经有一千多年的发展历史。,?,从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地,研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。,?,直到上世纪,80,年代,薄膜科学才发展成为一门相对,独立的学科。,?,促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的,强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和,现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。,2020/3/26,薄膜科学的应用,1.,耐磨及表面防护涂层,高温电绝缘涂层,现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出了
7、,单一材料可以达到的性能范围。在用涂层方法制备出材料组,高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同，可分为许,合，则可以有效地发挥各种材料的优点，同时避免各自的局,多种类。如石墨导体表面上的,氮化硼,或,氧化铝,、,氟化铜,限性。,耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨损、,搪瓷,到,700,，磷酸盐为基的,无机粘结剂,涂层到,1000,，,化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长使用寿命。,涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金,绝缘性能。,属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐,高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航,化学腐蚀性能。,涂层，到,400,仍有良好的电
8、绝缘性能。金属导线上的,等离子喷涂氧化铝涂层在,1300,，都仍保持着良好的电,空、原子能、空间技术等方面获得了广泛的应用。,2020/3/26,薄膜科学的应用,（,1,）耐磨涂层,减小零件或工具的机械磨损。例如,TiN,、,TiC,涂层。,（,2,）耐热涂层,燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加,其耐热保护。,（,3,）防腐涂层,保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用,的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂,层方面。,2020/3/26,TiC,耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨,损能力，适合于低速切削及磨损严重的场合；,TiN,涂,层具有低的摩擦系数，
9、润滑性能好，能减少切削热和,切削力，适合于产生融合和磨损的切削；,Al,2,O,3,的高,温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比,TiC,和,TiN,好，月,牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削；金刚石,涂层硬度和热导性高，摩擦系数很低，适合于有色金,属合金的高速切削；而复合涂层综合几种涂层材料的,特点，目前以双涂层和三涂层组合居多。,2020/3/26,薄膜科学的应用,2.,金刚石薄膜,金刚石具有一系列优异的物理性质，包括,已知物,质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、,击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极,高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度，,极高的载流子迁移率和极
10、高的化学稳定性,。,金刚石薄膜的应用,（,1,）力学性质的应用,利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在,工具的表面，提高工具的使用寿命,2020/3/26,2020/3/26,薄膜科学的应用,（,2,）热学性质的应用,利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜,的,5,倍。本身又是极好的绝缘材料。因此，金刚石薄膜可,用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器,材料。,（,3,）电学性质的应用,利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、,高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、,高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好,材料。,另外，利用金刚石膜制
11、备的声表面波器件使得工作频率范,围大大增加；金刚石膜也是很好的光学窗口材料。,2020/3/26,薄膜科学的应用,3.,薄膜科学在集成电路中的应用,集成电路工艺中，氧化、涂胶等都涉及到了薄膜,材料的制备问题。,其它的分离器件，如发光二极管、异质结激光器、,超晶格与量子阱结构,4.,磁记录薄膜和光存储薄膜,薄膜磁头、只读（,ROM,）光盘、一次写入,（,WORM,）式光盘、可擦重写（,E-DRAW),式光盘、,直接重写式光盘,2020/3/26,薄膜科学的应用,在信息显示技术中的应用,2020/3/26,薄膜科学的应用,在信息显示技术中的应用,2020/3/26,薄膜科学的应用,在信息存贮技术中
12、的应用,2020/3/26,薄膜科学的应用,在日常生活中的应用,2020/3/26,薄膜科学的应用,在计算机技术中的应用,2020/3/26,薄膜科学的应用,2020/3/26,在计算机技术中的应用,薄膜的分类,薄膜在当今和未来都拥有十分广泛的应用领域，,尤其是微电子和光电子领域。按功能和应用领域分,类：,?,电子薄膜,?,光学薄膜,?,硬质薄膜、耐蚀薄膜、润滑薄膜,?,装饰薄膜,?,包装薄膜,?,生物薄膜,?,其它,2020/3/26,薄膜的分类,电子薄膜：,?,半导体器件与集成电路中使用的导电和介电材料薄膜,?,超导薄膜,?,光电子器件中使用的功能薄膜,?,薄膜敏感元件和固态传感器薄膜,?
13、,薄膜电阻,?,薄膜太阳能电池,?,平板显示器件,?,薄膜声表面波滤波器,?,磁记录薄膜和薄膜磁头,?,静电复印机磁鼓薄膜,2020/3/26,薄膜的分类,光学薄膜：,?,减反膜,?,反射膜,?,分光镜和滤光片薄膜,?,镀膜玻璃,?,光盘存储介质薄膜,?,集成光学元件与光波导器件中介质薄膜,和半导体薄膜,2020/3/26,薄膜的分类,工程薄膜：,?,硬质薄膜（用于工模具、量具、刀具等）,TiN,、,TiC,、,TiB,2,、,AlN,?,耐蚀薄膜,化工容器耐蚀非晶镍膜、微晶不锈钢薄膜、涡,轮发动机叶片抗热蚀薄膜等。,?,润滑薄膜,用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的,MoS,2,、,MoS
14、,2,-Au,、,MoS,2,-Ni,等固体润滑薄膜,2020/3/26,薄膜的分类,装饰薄膜：,广泛用于灯具、玩具、汽车等交通工具；家,用电器、钟表、工艺美术、日用小商品等。,包装薄膜：,镀铝纸（香烟）、镀铝涤纶薄膜（食品、,糖果、茶叶、咖啡等）,2020/3/26,薄膜科学的研究内容,?,薄膜生长理论和薄膜制备技术；,?,薄膜的结构、成分和微观状态；,?,薄膜的宏观特性及其应用；,?,薄膜的研究方法。,薄膜研究是以薄膜制备为起点的,因此,薄膜,生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究的基础。,2020/3/26,薄膜科学的研究内容,薄膜科学涉及的领域：,涉及材料学、化学、物理化学、表面物理学、
15、,凝聚态物理学、电子学等内容。,?,界面和表面结构,?,薄膜的缺陷和固体扩散,?,薄膜的成核和生长,?,薄膜表面动力学,?,薄膜反应、界面扩散和界面迁移,?,薄膜物理性能,2020/3/26,薄膜科学的研究内容,薄膜科学中的热点问题：,?,薄膜成长的过程与影响因素,?,蒸镀技术热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、,分子束薄膜成长,?,溅镀技术,DC,溅镀、,RF,溅镀、反应溅镀、磁控原理,?,化学气相镀膜技术常压,CVD,、低压,CVD,、电浆辅助,CVD,?,薄膜生长技术材料匹配、应力层超晶格、低温生长,?,薄膜间的反应、相互扩散、电迁移等现象,?,薄膜分析方法结晶结构、化学组成、表面及界面
16、分,析、显微分析,2020/3/26,薄膜科学的基本概念,薄膜的特性：,?,different from bulk materials,?,Thin films may be:,?,not fully dense,?,under stress,?,different defect structures from bulk,?,quasi-,two dimensional(very thin films),?,strongly influenced by surface and interface effects,?,This will change electrical,magnetic,op
17、tical,thermal,and,mechanical properties.,2020/3/26,薄膜科学的基本概念,Typical steps in making thin films:,1.,2.,transport of particles to substrate(free vs.directed),How do the variables effect,emission of particles from source(heat,high voltage.),film structure and properties?,3.,condensation of particles o
18、n substrate(how do they,condense?),2020/3/26,薄膜科学的基本概念,涉及的物理内容：,?,thermodynamics and kinetics,?,phase transition-,gas condenses to solid,?,nucleation,?,growth kinetics,?,activated processes,?,desorption,?,diffusion,?,allowed processes and allowed phases,2020/3/26,薄膜科学的基本概念,2020/3/26,?,solid state ph
19、ysics,?,crystallography,?,defects,?,bonding,?,electricity and magnetism,?,optics,?,conductivity-,resistivity,?,magnetic properties,?,mechanics,?,stresses in films,?,friction and wear,本课程的主要内容,?,薄膜的制备技术,?,蒸发镀膜技术,Vaporation,?,溅射镀膜技术,Sputtering,?,离子镀膜技术,Ion,Plating,?,分子束外延技术,MBE,Molecule,Binding,Epitax
20、y,?,化,学,气,相,沉,积,技,术,deposition,?,LB,技术,CVD,Chemical,Vapor,?,Sol-Gel,技术,2020/3/26,本课程的主要内容,?,薄膜物理,?,薄膜形成机理和物理模型,包括薄膜凝结过程、核形成和生长、生长模,式等,?,薄膜结构和缺陷,包括薄膜的组织结构（非晶、纤维、单晶和,多晶结构）、表面结构以及结构与组分的分析,方法；缺陷类型（点缺陷、位错、层错等）,?,薄膜物理性质,2020/3/26,电学、光学、磁学以及力学性质等,本课程的主要内容,?,薄膜研究方法简介,?,薄膜厚度,光学测量法和机械测量法,?,薄膜结构,扫描电子显微镜、透射电子显微
21、镜、,X,射线衍射、低能,电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描探针显微镜等,?,薄膜成分,X,射线能量色散谱、俄歇电子能谱、卢瑟福背散射技,术、二次离子质谱等,?,薄膜附着力等分析,刮剥法、拉伸法等,2020/3/26,教材及参考书,?,唐伟忠,.,薄膜材料制备原理、技术及应用,.,冶金工业出版社，,2019,?,杨邦朝，王文生,.,薄膜物理与技术,.,电子科技大学出版社，,2019,?,陈国平,.,薄膜物理与技术,.,东南大学出版社，,1993,?,曲喜新，杨邦朝，姜节俭，张怀武编著,.,电子薄膜材料,.,科,学出版社，,2019,?,吴自勤，王兵,.,薄膜生长,.,科学出版社，,2019,?,薛增泉，吴全德，李浩,.,薄膜物理,.,电子工业出版社，,1991,?,郑伟涛,.,薄膜材料与薄膜技术。,化学工业出版社，,2019,2020/3/26,
