薄膜基础(李效民)解释.pdf

李 效 民 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室 薄膜材料基础 ? 薄膜材料定义 ? 薄膜材料制备方法 ? 薄膜材料应用 ? 薄膜材料研究实例 ? 参考书目 参考论文 Outline ?薄膜材料：薄膜是一种物质形态，一般指通过物理方法或化学 方法形成的厚度小于 10微米的固体材料。 ?薄膜与块体在化学组成、晶体结构、原子结合、残余应力等方 面有所不同，使其物理化学性质较块体材料有所变化： 电学特性—电阻率增大、电阻温度系数减小、表面效应增大、 载流子迁移率减小、空间电荷和电场效应明显 热学特性—热导率减小、热电效应增强 磁学特性—巨磁阻效应 光学特性—反射率变化、光干涉效应 机械特性—耐磨性、强度、硬度变化 量子效应—量子尺寸效应、遂穿效应 ? 薄膜材料制备方法 分类：物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溶液法 ?PVD — 在真空条件下，通过热蒸发、电子束蒸发、激光或离子束溅射 等方法，使原子、分子或分子团簇凝聚在固态衬底上形成薄膜。 基本过程： 固体蒸发源—高温气体—凝聚 （ 气体温度 〉衬底温度） ?CVD — 气体源在加热的固态衬底表面发生化学反应并形成薄膜。 基本过程：常温化合物气体—高温衬底上化学反应－反应生成物 （ 气体温度〈 衬底温度） 溶液法 — 泛指以液态为原料制备薄膜的方法。 ? 薄膜材料制备方法 ?真空蒸发法 — 真空中通过加热使固态原料在真空中蒸发 在衬底上形成薄膜的方法。 ?薄膜形成过程： 原料蒸发 — 气态原子、分子和团簇飞行 — 衬底上薄膜形成 ?蒸发温度和真空度： 蒸发温度必须在原料熔点以上， 真空度一般在10-2 - 10-3Pa ?平均自由行程 ：气态分子不与其他分子碰撞的平均移动距离。 平均自由行程＝0.8（cm） / 真空度（Pa） 例：当真空度为10-2Pa时，平均自由行程约为80cm ? 真空蒸发法 ? 薄膜材料制备方法 ?分子束外延法（MBE：Molecular Beam Epitaxy） — 超高真空中将源材料以分子束形式蒸发，使其在加热衬底上形成薄膜。 ? 薄膜材料制备方法 ?溅射法（Sputtering） — 利用高能粒子作用与固体表面，产生原子、分子和离子气体， 并使其在衬底上形成薄膜。包括离子溅射、磁控溅射等。 ? 薄膜材料制备方法 ?脉冲激光沉积法（PLD：Pulsed-laser Deposition） —将高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面，使靶材表面产生高温及熔蚀， 并进一步产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射并在衬底 上沉积而形成薄膜。 ? 薄膜材料制备方法 ?脉冲激光沉积法特点 1) 无成分选择蒸发效应，可生长与靶材成分相近化学计量比的薄膜。 2) 激光源从真空系统外部引入，激光能量、脉冲频率等参数独立可调， 可自由改变薄膜制备条件。 3) 产生高能等离子体，粒子动能远远大于蒸发、气相沉积或溅射法， 有利于薄膜在低温下的结晶生长、抑制相界面元素的相互扩散。 4) 可以实时原位监控薄膜生长过程，适于进行薄膜生长的人工设计， 尤其适于制备多层薄膜和超晶格薄膜。 ? 薄膜材料制备方法 ?实时原位监控 反射高能电子衍射:（RHEED：Reflective High Energy Electron Diffration） 是一种对晶体表面结构非常灵敏的表面分析方法。10 ~ 30keV的电子束以很小 的角度掠射样品表面，与晶体点阵发生衍射，将衍射图谱投射到荧光屏上，即 可监控薄膜表面数原子层的生长过程。 ? 薄膜材料制备方法 ?化学气相沉积法 （Chemical Vapor Deposition） —气体源在加热的固态衬底表面发生化学反应并形成薄膜。 具体方法包括热CVD、等离子辅助CVD、光辅助CVD等。 ?CVD法基本过程 热CVD — 化学反应主要在加热衬底表面发生。