材料物理薄膜物理实用教案

1、6.1 引言引言(ynyn) Plate 盘子盘子, 金属板金属板, 图版图版, 金银餐具镀（金金银餐具镀（金, 银等）银等）, 电镀电镀(dind), 给给.装钢板装钢板 Layer 层层, 阶层阶层 Coating外套外套, (动物的动物的)皮毛皮毛, (植物的植物的)表皮表皮, (漆等的漆等的)层层, 涂层涂层 涂上涂上, 包上包上 Membrane membrein (薄薄)膜膜, 隔膜隔膜 Film (Thin film) 薄膜薄膜, 膜层膜层, 胶卷胶卷, 影片影片, 薄雾薄雾, 轻烟轻烟, 电影电影 在在.上覆以薄膜上覆以薄膜, 拍成电影拍成电影生薄膜生薄膜, 变成朦胧变成朦胧,

2、 拍电影拍电影 Foil f?il箔箔, 金属薄片金属薄片, 叶形片叶形片, 烘托烘托, 衬衬托托 衬托衬托, 阻止阻止, 挡开挡开, 挫败挫败, 贴箔于贴箔于Dimension 材料(cilio)的维度 (one dimension)第1页/共66页第一页，共67页。On a farm第2页/共66页第二页，共67页。信息信息(xnx)存储存储技术技术第3页/共66页第三页，共67页。但作为但作为(zuwi)(zuwi)一门科学与技术，是在近一门科学与技术，是在近3030年信息时代到来之后年信息时代到来之后信息信息(xnx)显显示技术示技术第4页/共66页第四页，共67页。计算机技术计算机技

3、术第5页/共66页第五页，共67页。日常生活日常生活第6页/共66页第六页，共67页。 1 m基片基片电、磁、声、光电、磁、声、光生物医学生物医学工程应用工程应用基片：薄膜的承基片：薄膜的承载体载体(zit)，如，如Si电电 极极过渡层过渡层衬底衬底：基片与电基片与电极、过渡层的总极、过渡层的总称，如称，如Pt/Ti/Si。衬底衬底第7页/共66页第七页，共67页。6.1 薄膜的定义薄膜的定义(dngy)第8页/共66页第八页，共67页。Langmuir-Blodgett films6.1 薄膜的定义薄膜的定义(dngy)第9页/共66页第九页，共67页。 6.1 薄膜的定义(dngy)Lan

4、gmuir-Blodgett film第10页/共66页第十页，共67页。Langmuir-Blodgett film LB 膜是一种超薄有序膜膜是一种超薄有序膜; LB膜技术是一种可以在分子膜技术是一种可以在分子(fnz)水平上精确控制薄膜厚度的制膜水平上精确控制薄膜厚度的制膜技术。技术。 单分子膜的研究开始于单分子膜的研究开始于18世纪，世纪，B. Franklin 将一匙油滴在半英亩的池塘水将一匙油滴在半英亩的池塘水面面(shu min)上铺展开上铺展开;1890年年 第一次提出单分子膜概念第一次提出单分子膜概念;二十世纪二三十年代，美国科学家二十世纪二三十年代，美国科学家 I. Lan

5、gmuir 系统研究了单分子膜的性质系统研究了单分子膜的性质而建立了完整的单分子膜理论而建立了完整的单分子膜理论 。及其学生。及其学生 一起建立了一种单分子膜的制备一起建立了一种单分子膜的制备技术，并成功将单分子层膜转移沉积到固体底物之上技术，并成功将单分子层膜转移沉积到固体底物之上 ;上世纪六十年代，德国科学家首先意识到运上世纪六十年代，德国科学家首先意识到运 用用LB膜技术实现分子功能的组膜技术实现分子功能的组装并构成分子的有序系统。装并构成分子的有序系统。 6.1 薄膜的定义薄膜的定义(dngy)第11页/共66页第十一页，共67页。6.1 LB膜膜 利用分子表面活性在水气界面上形成凝结

6、利用分子表面活性在水气界面上形成凝结膜，并将该膜逐次转移到固体基板上，形成单层膜，并将该膜逐次转移到固体基板上，形成单层或多层类晶薄膜的一种或多层类晶薄膜的一种(y zhn)制膜方法。制膜方法。一、定义(dngy)： 这是一种由某些有机大分子(fnz)定向排列组成的单分子(fnz)层或多分子(fnz)层薄膜，其制备原理与其它成膜技术截然不同。第12页/共66页第十二页，共67页。LB膜的历史膜的历史(lsh)18世纪，美国政治家于伦敦：把一匙油世纪，美国政治家于伦敦：把一匙油(2ml)滴在半英亩的池滴在半英亩的池塘塘(chtng)水面上，观察到平铺的油膜。水面上，观察到平铺的油膜。1890年，

7、第一次提出单分子膜概念，研究了表面张力的规律，成年，第一次提出单分子膜概念，研究了表面张力的规律，成功估算油膜厚度在功估算油膜厚度在1020之间。之间。1891年年APockels设计了一个水槽，用一个金属障片来压缩控制设计了一个水槽，用一个金属障片来压缩控制膜面积，并指出在膜面积达到一定值时油膜表面张力变化很膜面积，并指出在膜面积达到一定值时油膜表面张力变化很小这表明水面上的分子恰好彼此压紧，这点称为小这表明水面上的分子恰好彼此压紧，这点称为Pockels点。点。1917年，改进了年，改进了Pockels槽，可以精确测定分子的尺寸和取向，槽，可以精确测定分子的尺寸和取向，了解分子之间的相互排

8、列和作用。提出有关气液界面的吸附理了解分子之间的相互排列和作用。提出有关气液界面的吸附理论，奠定了单分子层的理论基础，现在称单分子层为论，奠定了单分子层的理论基础，现在称单分子层为Langmuir膜。他的出色工作终于在膜。他的出色工作终于在1932年获得了诺贝尔奖。年获得了诺贝尔奖。第13页/共66页第十三页，共67页。1935年将年将Langmuir膜转移到固体衬底上，成功膜转移到固体衬底上，成功(chnggng)地制备出第一个单分子层积累的多层膜，地制备出第一个单分子层积累的多层膜，即即LB膜。膜。第14页/共66页第十四页，共67页。 LB膜制备膜制备(zhbi)装置示意图装置示意图第1

9、5页/共66页第十五页，共67页。第16页/共66页第十六页，共67页。 X型型LB膜中每层分子的亲油基都指向膜中每层分子的亲油基都指向(zh xin)基片表基片表面。面。Y型膜中成膜分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲型膜中成膜分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲油基相连。油基相连。Z型膜与型膜与x型相反，成膜分子的亲水基都指向型相反，成膜分子的亲水基都指向(zh xin)基片表面。基片表面。疏水基板疏水基板亲水基板亲水基板第17页/共66页第十七页，共67页。LB膜的优点膜的优点(yudin)：1）在）在LB膜中成膜分子是有序定向排列的，这也是膜中成膜分子是有序定向排列的，这也是LB膜的膜

10、的一个重要特点一个重要特点2）可以用）可以用LB技术成膜的分子材料有一定的广泛性。许多技术成膜的分子材料有一定的广泛性。许多有机功能分子和生物分子以及高分子材料可以直接有机功能分子和生物分子以及高分子材料可以直接(zhji)成膜。成膜。3）LB膜由单分子层组成。它的厚度取决于分子的尺寸和膜由单分子层组成。它的厚度取决于分子的尺寸和分子的层数。控制分子的层数可方便地得到所需的膜厚分子的层数。控制分子的层数可方便地得到所需的膜厚（从几（从几nm至几百至几百nm范围内变化）范围内变化）5）制膜设备比较简单，操作方便。）制膜设备比较简单，操作方便。第18页/共66页第十八页，共67页。LB膜的主要膜的

11、主要(zhyo)缺点：缺点：1）成膜效率）成膜效率(xio l)低低2）由于）由于LB膜为有机膜，因此它包含有机材料的膜为有机膜，因此它包含有机材料的弱点，例如：弱点，例如：LB膜的耐高温性能较差、机械强膜的耐高温性能较差、机械强度低等。度低等。3）由于）由于LB膜厚度小，在膜的表征手段方面遇到膜厚度小，在膜的表征手段方面遇到了较大的困难了较大的困难第19页/共66页第十九页，共67页。LB膜的应用膜的应用(yngyng) LB技术可以通过把一些具有特定功能的有技术可以通过把一些具有特定功能的有机分子或生物分子有序定向化，使之形成具有机分子或生物分子有序定向化，使之形成具有某一特殊功能的超薄膜

12、，如有机绝缘膜、非线某一特殊功能的超薄膜，如有机绝缘膜、非线性光学膜、光电薄膜、二维有机导电膜等。目性光学膜、光电薄膜、二维有机导电膜等。目前前LB膜已在膜已在MIS结构的场效应器件、电致发光、结构的场效应器件、电致发光、集成光路及生物传感器方面得到良好的使用集成光路及生物传感器方面得到良好的使用(shyng)结果。结果。第20页/共66页第二十页，共67页。 自组装(z zhun)膜（Self-assembled membranes）SAMs是利用固体(gt)表面在稀溶液中吸附活性物质而形成的有序分子组织，其基本原理是通过固液界面间的化学吸附或化学反应，在基片上形成化学键连接的、取向紧密排列

13、的二维有序单层膜。6.1 薄膜的定义薄膜的定义(dngy)第21页/共66页第二十一页，共67页。SAMFET 6.1 薄膜的定义(dngy)Self-Assemble Monolayersource表示源极，drain表示漏极，gate表示门，oxide表示用于门和基底绝缘(juyun)的薄层介电质 第22页/共66页第二十二页，共67页。6.1 薄膜的定义(dngy)第23页/共66页第二十三页，共67页。自组装自组装(z zhun)原理原理 本研究以结晶成核理论为依据，借助基板表本研究以结晶成核理论为依据，借助基板表面与溶液及其中的团簇，核，均一粒子等的界面面与溶液及其中的团簇，核，均一

14、粒子等的界面相互作用，通过模拟生物矿物质，生物结晶等的相互作用，通过模拟生物矿物质，生物结晶等的生长过程，利用项目组已经成功开发的饱和溶液生长过程，利用项目组已经成功开发的饱和溶液体系在纸，聚合物等各种柔性基板上位相（区域）体系在纸，聚合物等各种柔性基板上位相（区域）选择性生长结晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探选择性生长结晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探讨具有不同表面官能团的柔性基体与反应溶液之讨具有不同表面官能团的柔性基体与反应溶液之间的相互作用，模拟生物矿化原理，利用表面间的相互作用，模拟生物矿化原理，利用表面-界界面相互作用，在某一功能团表面选择成核与生长，面相互作用，在某一功能团表面选择成

15、核与生长，直接由液相一步实现薄膜的精确位置选择制备，直接由液相一步实现薄膜的精确位置选择制备，获得微米获得微米/纳米尺度的显微图案。研究在不均一，纳米尺度的显微图案。研究在不均一，过饱和的液相环境下位置、薄膜生长机理、生长过饱和的液相环境下位置、薄膜生长机理、生长动力学及其与薄膜表面微观结构动力学及其与薄膜表面微观结构/界面结合状态的界面结合状态的关系，为研究不同溶液体系提供理论依据。本技关系，为研究不同溶液体系提供理论依据。本技术术(jsh)有望开拓柔性显示器，柔性太阳电池，有望开拓柔性显示器，柔性太阳电池，生物芯片与生物传感器等的新的制备技术生物芯片与生物传感器等的新的制备技术(jsh)。

16、6.1 薄膜的定义(dngy)基于液相反应自组装制备透明柔性功能陶瓷薄膜及其生长机理的研究基于液相反应自组装制备透明柔性功能陶瓷薄膜及其生长机理的研究国家自然科学基金第24页/共66页第二十四页，共67页。界界面面第25页/共66页第二十五页，共67页。 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象(xinxing)和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象(xinxing)均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同 Kubo采用一电子模型求得金属纳米晶粒的能

17、级间距为：NEf34式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。小尺寸效应第26页/共66页第二十六页，共67页。 比如，当尺寸减小到数个至数十个纳米时，原来是良导体的金属会变成绝缘体，原为典型共价键无极性的绝缘体其电阻大大下降(xijing)甚至成为导体，原为型的半导体可能变为型。 第27页/共66页第二十七页，共67页。 在两块金属（或半导体、超导体）之间夹一层厚度约为的极薄绝缘层，构成一个称为“结”的元件。设电子开始处在左边的金属中，可认为电子是自由(zyu)的，在金属中的势能为零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个势的壁垒(势垒)。势场方程 这种在粒子总能量低于势垒的情况下，粒

18、子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为隧道效应隧道效应。第28页/共66页第二十八页，共67页。l 在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响； l在蒸镀法中，各种元素的蒸气压不同，溅射过程中各元素溅射速率不同，所以一般较难精确控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化学计量比的成分。一些对成分要求较严格的应用中，例如，化合物半导体用于制备薄膜晶体管就会受到限制。l同时，由沉积生长过程所决定，薄膜内一般存在大量的缺陷，如位错、空位等，其密度常与大变形冷加工的金属中的缺陷密度相当，基片的温度越低，沉积的薄膜中缺陷密度

19、越大，其中用离子镀和溅射方法制备的薄膜缺陷密度最大。l在薄膜沉积过程中的工作气体也常常混入(hn r)薄膜。很多薄膜材料都不宜进行高温热处理，所以缺陷不易消除。这些缺陷对材料的电学、磁学等很多性能都有影响，例如点缺陷、位错等会使电阻增大，制备的合金薄膜的磁性远低于块体材料。l薄膜材料一般都沉积在不同材料的基片，由于热膨胀系数不同，沉积后冷却过程容易发生剥离。第29页/共66页第二十九页，共67页。 可采用分子束外延（MBE）方法制备具有原子尺度周期性的所谓超晶格结构的多层膜。 例如用这种机理，已制成GaAs-AlGaAs超晶格高电子(dinz)迁移率晶体管（HEMT）和多量子阱（MQW）型激光

20、二极管等。 超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜。的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜。特定形式的层状精细复合材料。特定形式的层状精细复合材料。第30页/共66页第三十页，共67页。超晶格超晶格(jn )的定义的定义 两种或两种以上组分不同或导电类型不同的极薄的薄膜交替地两种或两种以上组分不同或导电类型不同的极薄的薄膜交替地叠合在一起而形成的多周期结构。这种周期结构的势阱区厚度小于叠合在一起而形成的多周期结构。这种周期结构的势阱区厚度小于电子平均自由程，势垒区足够窄，以致相邻势阱中的电子波函数能电子

21、平均自由程，势垒区足够窄，以致相邻势阱中的电子波函数能够互相耦合。够互相耦合。 按其所含的组分数目按其所含的组分数目(shm)可以分为只含一种组分的掺杂超可以分为只含一种组分的掺杂超晶格；含两种组分的组分超晶格和含有两种以上组分的复型超晶格。晶格；含两种组分的组分超晶格和含有两种以上组分的复型超晶格。根据组分材料之间的晶格匹配情况可分为晶格匹配的超晶格和失配根据组分材料之间的晶格匹配情况可分为晶格匹配的超晶格和失配的应变层超晶格。此外还有所谓短周期超晶格和一维、零维超晶体，的应变层超晶格。此外还有所谓短周期超晶格和一维、零维超晶体，以及由不同特征的超晶格组合在一起的，具有更为复杂能带结构的以及

22、由不同特征的超晶格组合在一起的，具有更为复杂能带结构的混合型超晶格。混合型超晶格。 耦合就是指两个实体相互依赖于对方的一个量度。 第31页/共66页第三十一页，共67页。6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第32页/共66页第三十二页，共67页。1.薄膜所用原料少，容易(rngy)大面积化，而且可以曲面加工。 例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第33页/共66页第三十三页，共67页。6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)2.新的效应(xioyng) 某一维度很小、比表面积大 例：极化效应(xioyng)、表面和界面效应(xi

23、oyng)、限域效应(xioyng)、耦合效应(xioyng)第34页/共66页第三十四页，共67页。DLC coated a magnetic thin-film diskLiquid lubricant 1-2 nmDLC 10-30 nmMagnetic coating 25-75 nmAl-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mmThe surface of stretched (12%) video tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm.The surface of stretched (1

24、2%) video tape without DLC-layer.diamond like carbon 第35页/共66页第三十五页，共67页。photoluminescence spectra of a series of GaN/AlxGa1-xN double heterostructures (DHs) 可以通过改变薄可以通过改变薄膜的厚度膜的厚度(hud)或者外加偏压来或者外加偏压来调节发光的波长调节发光的波长6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第36页/共66页第三十六页，共67页。改变缺陷(quxin)能级上的电子分布影响光电过程()/1( )1FE EkTF Ee-10-

25、8-6-4-202468100.00.20.40.60.81.0 F(E)(E-EF)/kT表面和界面(jimin)效应：表面态和界面(jimin)态第37页/共66页第三十七页，共67页。表面(biomin)和界面效应：表面(biomin)态和界面态导带表面能级价带晶体外晶体内距离晶体表面晶体表面(biomin)的能带结构的能带结构导带价带费米(fi m)能级施主能级电子n型半导体的表面能级型半导体的表面能级第38页/共66页第三十八页，共67页。半导体异质界面(jimin)二维电子气第39页/共66页第三十九页，共67页。量子(lingz)霍尔效应第40页/共66页第四十页，共67页。限域

26、效应(xioyng)dYxz22220()2xykkEE nm出现亚能带，d较小时(xiosh)产生能隙第41页/共66页第四十一页，共67页。退火通过退火(tu hu)控制带隙第42页/共66页第四十二页，共67页。222)(hmED二维体系中的电子(dinz)态密度32/12/3328)(hEmED第43页/共66页第四十三页，共67页。Tc (black solid dots) and the density of states (red stars) as a function of Pb film thickness第44页/共66页第四十四页，共67页。耦合效应耦合效应(xioyn

27、g)ZnO层厚度(hud)分别为(a) 0.75 nm, (b) 1.25 nm, (c) 2.0 nm, (d) 2.5 nm MgO/ZnO 多层膜。第45页/共66页第四十五页，共67页。MgxZn1-xO: 体相中Mg的平衡固溶度(rn d)为0.04, PLD法生长的薄膜中，x可01。a-Si1-xNx:H3.可以可以(ky)获得常态下不存在的非平衡和非化学计量比结构获得常态下不存在的非平衡和非化学计量比结构Diamond: 工业合成工业合成(hchng), 2000，万大气压，万大气压, CVD生长薄膜生长薄膜:常压，常压，800 第46页/共66页第四十六页，共67页。4.容易(

28、rngy)实现多层膜功能薄膜：太阳能电池(dinch) 超晶格：GaAlAs/GaAs第47页/共66页第四十七页，共67页。静电力: s为界面上出现的电荷密度， e0为真空(zhnkng)中的介电常数。互扩散(kusn)考虑(kol)表面能浸润5.薄膜和基片的粘附性范德瓦耳斯力：r为分子间距，a为分子的极化率，I为分子的离化能第48页/共66页第四十八页，共67页。6.薄膜的内应力晶格晶格(jn )常数失配，热膨胀系数失配常数失配，热膨胀系数失配 压应力、张应压应力、张应力力本征应力: 由于薄膜中缺陷的存在(cnzi)非本征应力：由于和薄膜的附着22dUEs应变(yngbin)能：厚度d，弹

29、性模量E，内应力s可以估算膜厚 SiC/Si第49页/共66页第四十九页，共67页。7.通常存在(cnzi)大量的缺陷Chemical Vapor Deposition (CVD)Molecular beam epitaxy (MBE)，Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)溅射、蒸发、微波(wib)、热丝、sol-gel、电沉积基板温度越低，点缺陷和空位(kn wi)密度越大成核取向不一样第50页/共66页第五十页，共67页。第51页/共66页第五十一页，共67页。（1）半导体器件与集成电路中的导电材料与 介质(jizh)薄膜材料Al,

30、Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2,Si3N4，Al2O3（2）超导薄膜 YBaCuO，BiSrCaCuO， TlBaCuO等高温超导材料（3）光电子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶态和非晶态薄膜电学薄膜第52页/共66页第五十二页，共67页。（4）薄膜传感器 可燃性气体传感器SnO2， 氧敏传感器ZrO2, 热敏传感器Pt, Ni, SiC, 离子敏传感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜电阻、电容、阻容网络(wnglu)与混合集成 电路，低电阻率：Ni-Cr， 高电阻率:Cr-SiO

31、, 薄膜电容：Zn，Al（6）薄膜太阳能电池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe电学薄膜第53页/共66页第五十三页，共67页。（7）平板显示器件： 液晶显示、等离子体(dnglzt)显示、电致发光显 示ITO透明电极，ZnS:Mn发光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面声波元件（9）磁记录薄膜与薄膜磁头，CoCrTa、 CoCrNi，FeSiAl、巨磁阻材料（10）静电复印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si电学薄膜第54页/共66页第五十四页，共67页。（1）减反射膜：相机、摄像机、投影仪、望远镜等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 红外设备镜头上的ZnS，CeO2，SiO（2

32、）反射膜：太阳能接收器、镀膜反射镜、激光器用的高反射率膜（3）分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上（4）镀膜玻璃：建筑、汽车隔热（5）光存储薄膜：光盘、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光学元件(yunjin)与光波导中的介质与半导体薄膜光学薄膜第55页/共66页第五十五页，共67页。（1）硬质膜，刀具(doj)、磨具表面的TiN，TiC， 金刚石、C3N4，c-BN（2）耐腐蚀膜，非晶镍膜，不锈钢膜，抗 热腐蚀的NiCrAlY等（3）润滑膜 MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni， Au，Ag，Pb保护膜第56页/共66页第五十六页，共67页。（1）新型半导体薄膜：GaN

33、，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改进工艺，降低成本，研究新的应用(yngyng)（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）纳米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）无机光电薄膜材料：III-V，II-V6.5 薄膜材料(cilio)研究现状IIIA: B, Al, Ga, In, TlIVA: C, Si, Ge, Sn, PbVA: N, P, As, Sb, BiIIB: Zn, Cd第57页/共66页第五十七页，共67页。（6）Spintronics薄膜、稀磁半导体薄膜薄膜、稀磁半导体薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（

34、7）有机薄膜微电和光电材料（）有机薄膜微电和光电材料（OLED) 需要提高效率和可靠性需要提高效率和可靠性（8）High-K、Low-K材料材料更快的速度更快的速度(sd)、 更高的集成度、更低的能耗，含氟氧更高的集成度、更低的能耗，含氟氧 化硅、化硅、HfO2、ZrO2 （9）高温超导和巨磁阻）高温超导和巨磁阻1.4 薄膜材料(cilio)研究现状Spin Transport Electronics OrganicLight-Emitting Diode 自旋(z xun)电子学 第58页/共66页第五十八页，共67页。1.4 薄膜材料研究(ynji)现状自旋(z xun)电子学 由于二氧化

35、硅（SiO2）具有易制Manufacturability，且能减少厚度以持续改善晶体管效能,当英特尔导入65纳米制造工艺时，虽已全力将二氧化硅闸极电介质厚度降低至纳米，相当于5层原子，但由于晶体管缩至原子大小的尺寸时，耗电和散热亦会同时增加，产生电流(dinli)浪费和不必要的热能，因此若继续采用目前材料，进一步减少厚度，闸极电介质的漏电情况势将会明显攀升，令缩小晶体管技术遭遇极限。 为解决此关键问题，英特尔正规划改用较厚的High-K材料(铪hafnium元素为基础的物质）作为闸极电介质，取代沿用至今已超过40年的二氧化硅，此举也成功使漏电量降低10倍以上。第59页/共66页第五十九页，共6

36、7页。6.6 透明透明(tumng)导电氧化物薄膜导电氧化物薄膜 TCO包括包括In、Sb、Zn和和Cd的氧化物及其复合多元的氧化物及其复合多元(du yun)氧化物薄膜氧化物薄膜材料。材料。Transparent Conductive Oxide 1907年 Badeker首次制成了CdO透明导电薄膜;1950年 前后(qinhu)出现了SnO2基和In2O3基薄膜。1980年 ZnO基薄膜 目 前 研 究 较 多 的 是 I TO （ I n 2 O 3 : S n ） 、 ATO（SnO2:Sb）和AZO(ZnO:Al)。 开发了Zn2SnO4、In4Sn3O12、MgIn2O4、CdI

37、n2O4等多元透明氧化物薄膜材料。第60页/共66页第六十页，共67页。TCO薄膜 （1）对可见光（=380780nm）的光透射率高；（2）电导率高。 可见光的平均透过率可见光的平均透过率Tavg 80%，电阻率在，电阻率在10-3cm以下以下(yxi)的薄膜才能成为透明导电膜。的薄膜才能成为透明导电膜。 透明(tumng)就意味着材料的能带隙宽度大（Eg3eV）而自由电子少；另一方面，电导率高的材料又往往自由电子多而不透明(tumng)。 SnO2 基薄膜基薄膜 ZnO 基薄膜基薄膜 In2O3 基薄膜基薄膜第61页/共66页第六十一页，共67页。SnO2 基薄膜基薄膜 SnO2 ( Tin

38、 oxide ,简称简称TO) 是一种是一种(y zhn)宽宽禁带半导体材料，其禁带宽度禁带半导体材料，其禁带宽度Eg = 3. 6eV，n 型半导型半导体。本征体。本征SnO2 薄膜导电性很差，因而得到广泛应用的薄膜导电性很差，因而得到广泛应用的是掺杂的是掺杂的SnO2 薄膜。对于薄膜。对于SnO2 来说，五价元素来说，五价元素(如如Sb、As 或或F 元素元素) 的掺杂均能在其禁带中形成浅施主的掺杂均能在其禁带中形成浅施主能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前研究最多、能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前研究最多、应用最广的是掺氟二氧化锡应用最广的是掺氟二氧化锡(SnO2：F) 薄膜和掺

39、锑二薄膜和掺锑二氧化锡氧化锡( SnO2 ：Sb ,简称简称ATO) 薄膜。薄膜。第62页/共66页第六十二页，共67页。ITO薄膜材料薄膜材料(cilio) 锡掺杂的锡掺杂的In2O3 (tin-doped indium oxide ,简称简称ITO) 薄膜具有透明性薄膜具有透明性好、电阻率低、易蚀刻和易低温制备等优点，一直是平板显示器领域中好、电阻率低、易蚀刻和易低温制备等优点，一直是平板显示器领域中使用的使用的TCO 薄膜的首选材料。薄膜的首选材料。 ITO 薄膜具有复杂的立方铁锰矿结构，由于在薄膜具有复杂的立方铁锰矿结构，由于在In2O3 形成过程中没形成过程中没有构成完整的理想有构成

40、完整的理想(lxing)化学配比结构，结晶结构中缺少氧原子化学配比结构，结晶结构中缺少氧原子(氧空氧空位位) ，因此存在过剩的自由电子，表现出一定的电子导电性。，因此存在过剩的自由电子，表现出一定的电子导电性。 同时，如果利用高价的阳离子如同时，如果利用高价的阳离子如Sn 掺杂在掺杂在In2O3 晶格中代替晶格中代替In3+ 的的位置，则会增加自由导电电子的浓度，进而提高位置，则会增加自由导电电子的浓度，进而提高In2O3 的导电性。在的导电性。在ITO 薄膜中薄膜中, Sn 一般以一般以Sn2+ 或或Sn4+ 的形式存在，由于的形式存在，由于In 在在In2O3 中是中是+ 3 价价, Sn4+ 的存在将提供的存在将提供1 个电子到导带个电子到导带,相反相反Sn2+ 的存在将降