薄膜材料与薄膜技术(1)(据说能看)

1、材料科学与工程学院薄膜材料与技术电子教案薄膜材料与技术电子教案第一章 薄膜制备的真空技术基础1薄膜制备的化学方法2薄膜的生长过程和薄膜结构4课程主要内容薄膜材料的表征方法53薄膜制备的物理方法主要参考书123唐伟忠，薄膜材料制备原理、技术及应用（第2版），冶金工业出版社，2003；田民波，李正操，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2011；蔡珣，石玉龙，周建，现代薄膜材料与技术，华东理工大学出版社，2007；教学形式及考核12分成5个小组，每组4人共同完成一篇课程论文；针对特定内容，每人一次口头报告（10分钟）英文文献阅读：每人针对一种薄膜制备方法查找一篇文献，翻译后讲解；3出勤情况和平时成

2、绩（包括课堂讨论、课程论文）占20；薄膜的定义12什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜？“涂层”（coating）、“层”（layer）、“箔”（foil）有相同的意义，但有时又有些差别。薄膜材料的分类 12化学组成： 无机膜、有机膜、复合膜；相组成：固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜；3晶体形态：单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶格膜等。 薄膜材料的分类 4薄膜的功能及其应用领域：电学薄膜、光学薄膜、硬质膜、耐蚀膜、润滑膜、有机分子薄膜、装饰膜 、包装膜 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、Si

3、3N4、Al2O3等的薄膜。超导薄膜：特别是近年来国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。薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。 电学薄膜薄膜材料的分类 光学薄膜减反射膜 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。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

4、光器的高反射率膜（反射率可达99%以上）等等。薄膜材料的分类 硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2、(Ti,Al)N、Ti(C,N)等硬质膜，以及金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍膜和非晶与微晶不锈钢膜；用于涡轮发动机叶片表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。 薄膜材料的分类 有机分子薄膜有机分子薄膜也称LB（Langmuir-Blodgett）膜，它是有机物，如羧酸及其盐、

5、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等构成的分子薄膜，其厚度可以是一个分子层的单分子膜，也可以是多分子层叠加的多层分子膜。多层分子膜可以是同一材料组成的，也可以是多种材料的调制分子膜，或称超分子结构薄膜。薄膜材料的分类 装饰膜、包装膜 广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、“金”线、“银”线、日用小商品等的铝膜、黄铜膜、不锈钢膜和仿金TiN膜与黑色TiC膜。 用于香烟包装的镀铝纸；用于食品、糖果、茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤纶薄膜；用于取代电镀或热涂Sn钢带的真空镀铝钢带等。 薄膜材料的分类 本课程的讨论对象是什么 ？ 具有结构/功能特性的固态薄膜 （thin

6、 solid films）！真空与薄膜材料与技术有何关系？一、真空技术基础薄膜材料制备技术的基础！典型薄膜制备系统构成一、真空技术基础真空的基本知识一、真空技术基础相对真空：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于 1 个大气压现代真空技术的极限：每cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa真空的基本知识一、真空技术基础1.1.1 真空度的单位 主要单位制262MKSSI1 1 N / mCGS 1 10 Pabartor dyne/cmmmHg1 1 mmHgra 1/ 760 tm国际单位制（制，即制）厘米克秒制（制）毫末汞柱制（制）torr/mmHg

7、Pabaratm1torr(1mmHg)1.333102(1.013105/760)1.33310-3(1.013/760)1.31610-3(1/760)1Pa7.50110-3(760/1.013105)10-59.86910-6(1/1.013105)1bar7.5011021059.86910-11atm760.01.0131051.013真空的基本知识一、真空技术基础1.1.2真空区域的划分1）气体分子的自由程（）：每个气体分子在与其它气体分子连续2次碰撞之间运动经历的路程。 平均自由程（ ）：气体分子自由程的统计平均值。 式中： 分子直径（m）；PTn222k21补充知识：真空的基

8、本知识一、真空技术基础1.1.2真空区域的划分补充知识：2）Knudsen常数3）真空系统中气体运动特征的理论划分： 粘滞流（层流） 粘滞-分子流 分子流（Knudsen流） Kn 1 DKn真空的基本知识一、真空技术基础P (Pa)10510210-110-310-610-9 (m)6.66710-86.66710-56.66710-26.6676.6671036.667106尺度数十nm不到1 mcm量级若干米数 km几千kmKn1气体分子流动特征粘滞流过渡段分子流气体分子运动特点大气状态热运动剧烈碰撞频繁粘滞流分子流分子-分子与分子-器壁碰撞几率相当器壁碰撞为主粒子直线飞行分子数更少分子

9、间无碰撞器壁碰撞几率也低真空区域工程划分 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高 真空1.1.2真空区域的划分真空的基本知识一、真空技术基础一、基本概念二、为什么需要关注（意义？）三、吸附的主要机制四、可能的影响因素1.1.3 气体的吸附及脱附真空的获得一、真空技术基础“抽真空”利用各种真空泵把容器内的空气抽出，使其内部压强保持在 1 atm的特定压强范围！。空间内的气体分子吸除吸气材料和装置将被抽气体捕获泵：利用各种泵达到排气的目的。体不断吸入并排出真空气体输运泵：通过将气真空泵的分类：真空的获得一、真空技术基础气体输运泵旋片式机械泵（Rotary Pump）单级：1051 Pa 双级：10

10、510-2 Pa罗茨泵（Booster Pump / Roots Pump）10310-1 Pa 油扩散泵（Diffusion Pump）110-6 Pa 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）110-8 Pa 。气体捕获泵溅射离子泵（Ion Pump）10-310-11 Pa 钛升华泵（Titanium Sublimation Pump）10-310-11 Pa 低温冷凝泵（Cyro Pump）10-410-11 Pa 吸附泵（Sorption Pump）10210-3 Pa 。真空泵的分类及常用工作压强范围真空的获得一、真空技术基础1.2.1 旋片式机械泵（Rotary Pu

11、mp）（a）外观（b）内部结构真空的获得一、真空技术基础双级机械泵示意图（c）工作原理1、扩张（吸气）2、容积最大3、压缩4、排气真空的获得一、真空技术基础1.2.2 油扩散泵（Diffusion Pump）（a）外观（b）内部结构真空的获得一、真空技术基础真空油历经循环：蒸发 喷射 碰撞 冷凝 回流（c）工作原理真空的获得一、真空技术基础1.2.3 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）（a）外观（b）内部结构（c）涡轮叶片真空的获得一、真空技术基础1.2.3 涡轮分子泵（Turbomolecular Pump）（a）牵引分子泵（b）复合分子泵真空的获得一、真空技术基础1.2.

12、3 涡轮分子泵内部结构主轴主轴静片静片动片动片高频旋转马达高频旋转马达外壳外壳静片固定圈静片固定圈TURBO部分部分牵引泵部分牵引泵部分下部磁悬浮电机下部磁悬浮电机辅助轴承辅助轴承真空的获得一、真空技术基础1.2.3 涡轮分子泵回转轴回转轴RVVrVhVVrVhVMFP动翼动翼静翼静翼真空的获得一、真空技术基础1.2.4 低温吸附泵（Cyropump）（a）外观真空的获得一、真空技术基础1.2.4 低温吸附泵（Cyropump）（b）内部结构多级深冷头示意图真空的测量一、真空技术基础概念：采用特定的仪器装置，对某一特定空间内的真空度（即：气压）进行测定。原理特点按测量原理不同分为绝对真空计U型

13、气压计压缩式气压计薄膜真空计。直接测定气压值的大小气压值测量结果与气体成分无关测量准确高真空下难以实现测量相对真空计热偶真空计Pirani真空计电离真空计。测量与气压相关的其它物理量，并与绝对真空计测量值比较，换算得到气压测得的气压值与气体成分相关精度略差易于实现测量真空计（Manometer）或 真空规（Vacuum Gauge）真空的测量一、真空技术基础1.3.1 电阻真空计电阻真空计的工作原理示意图工作原理：12QQQP 时，气体稀薄化 气体导热能力 Q2 相同灯丝电流下 Q 灯丝温度 T 灯丝R 真空的测量一、真空技术基础1.3.2 皮拉尼真空计（Pirani Gauge）皮拉尼真空计的工作原理工作范围：10210-1 Pa 之间（与热偶真空计相当）；应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；特 点：1）响应速度比热偶真空计快得多； 2）一定程度上解决了零点漂移的问题。工作原理：真空的测量一、真空技术基础1.3.3 热偶真空计热偶真空计的工作原理示意图glrtQQQQP 时 气体导热能力 Qg 相同灯丝电流下 Ql 热电偶温度 T 电压表上测得的热电势 V 常见气体或蒸汽的修正系数气体修正系数气体修正系数空气、氮1.00氪2.30氢0.60一氧化碳0.97氦1.12二氧化碳0.94氖1.31甲烷0.61氩1.56乙烯0.86工作原理：真空的测量一、真空技术基础1.