材料表面与薄膜技术概论课件

1、材料表面与薄膜技术材料科学与工程学院 金属材料科学与工程系 匡同春 教 授王 刚 副教授课程安排章节内容学时1材料表面与薄膜技术概论42表面喷涂技术43物理气相沉积技术44化学气相沉积技术45表面纳米化技术46表面冶金技术47表面分析表征技术48高离化率物理气相沉积技术进展与薄膜设计（实验参观）42教学目的 通过本课程学习，系统了解材料表面与薄膜技术的常见方法与基本原理，能用表面工程学的观点和方法分析、解决实际科研工作中的关键技术问题。3文献资料5基本要求总成绩 = 平时成绩（20%）+ 笔试（80%）平时成绩 = 出勤（10%）+ 问答（10%）出勤：每迟到一次或早退一次扣 2 分；每旷课一

2、次扣 5 分，旷课超过3次取消笔试资格；若有事不能上课，请务必提前写请假条或发送短信或邮件笔试：闭卷考试6研究生的角色“人”字两笔：一撇代表品格，一捺代表学识。有德无才是君子，有才无德是小人。德才兼备是圣人！道德品质和人文修养是立人的基石。 对人才的培养不能只注重在业务能力的培养，道德水平低下的所谓人才起到的负面影响是巨大的，只有具有优秀的专业技能和良好的道德素质的人才才能对社会的发展起推动作用。7中国科学院院士、著名的物理学家和材料科学家、原清华大学校长顾秉林认为：学术理想，是一种对学术目标的向往和追求。有理想才会勇于追求、敢于批判，才会有热情、有兴趣，才会有坚持不懈的努力和无私无畏的付出。

3、要为“学问”而不要为“学位”。要立下追求真理、创造新知的志向，敢于探索未知的、重大的和困难的题目，并为此付出精力和心血。树立学术理想，恪守学术道德8引自：顾秉林校长在清华大学2010级研究生新生开学典礼上的讲话研究生是开展高水平科学研究的一支生力军。对研究充满激情和浓厚兴趣、把研究作为自己的一种追求。成为“以研究为生”的青年，而不是仅仅“为生而研究”的人。科研工作讲究六个字：“顶天、立地、树人”。“顶天”是要面向国际学术前沿和前所未有的领域开展研究；“立地”是要积极服务于国家战略和社会需求；“树人”就要是在“顶天”和“立地”的研究中，自觉地提升素质与能力，锤炼品格和学风。当代中国的学术不仅要走

4、到国际前沿，还要能够发现、定义和引领国际前沿。我国的科研，不仅要“顶天立地”，还要“开天辟地”！10第一要立志。坚定自己的追求，潜心科学研究，以“追求卓越”的精神，开启学问之路。第二要创新。珍惜机会，利用资源，潜心研究，以原始创新的勇气和精神开启学问之路。第三要规范。恪守学术道德规范，以“厚德尚学”的精神开启学问之路。华南理工大学王迎军校长要求12沉痛悼念师昌绪先生1918.11.15-2014.11.1014简单回顾材料与物质 物质是指任何有质量并占据空间的东西。 材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用器件（或物品）的物质。 材料属于物质，强调的是有形的、具有某些功效的物质。 二者区别：

5、材料强调效能 (performance) 物质强调性质 (property)15材料科学的定义 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉学科，它运用各种现代分析仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。16材料科学与工程四要素成分与结构(Composition/Structure)性质(Properties)加工(Processing)效能(Performance)加工（合成与制备）效能性质成分与结构（化学）（工程）（物理学）17四要素内涵

6、成分与结构包括：化学元素组成、用肉眼或放大镜能观察到的宏观组织、用金相显微镜和电子显微镜观察到的微观结构（显微组织）以及用X光和电子衍射测得的晶体结构等。性质包括：力学性质（特别是强度、刚度与塑性）、物理性质（热学、电学、磁学、光学、声学等各种性质）、化学性质（特别是与材料的氧化、腐蚀行为有关的性质）和冶金性质（如合金化和相变行为）。18第一章 材料表面与薄膜技术概论1.1 材料表面工程技术基本概念1.2 表面、表面状态及表面特性1.3 涂层、薄膜与真空技术20材料的失效与破坏往往从表面开始。在许多工作条件下，对材料基体和材料表面性能的要求有很大的差异。一般要求材料基体具有高强度和一定的韧性，

7、而对表面则要求高硬、耐磨或具有抗蚀、抗高温氧化等性能。1.1 材料表面工程技术基本概念21表面工程技术内涵表面工程技术是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。表面涂覆技术：主要采用各种涂层技术。表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。23表面工程技术内涵从广义上讲，材料表面工程技术包括：表面工程技术的基础和应用理论表面处理技术：包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合

8、表面处理技术三部分表面加工技术表面分析和测试技术表面工程技术设计24电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类 材料表面工程技术按工艺特点分：26表面工程技术分类徐重认为，根据材料表面处理后表面物理、化学及几何特征，可将材料表面工程技术划分为以下三大类：表面硬化技术 (surface hardening)表面覆盖技术 (surface covering)表面冶金技术 (surface metallurgy)27表面硬化技术是通过外力或外加热源对基体材料原表面的作用，使其硬度和耐磨性提高的一种材料表面工程技术。其主

9、要特征是被处理基体材料表面的成分不变。表面硬化技术内涵1、表面硬化技术(surface hardening)28表面硬化技术分类1、表面硬化技术(surface hardening)（1）形变表面硬化技术在外力作用下，使材料原表面发生组织结构变化而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。如喷丸、滚压、孔挤压以及表面纳米化等。30表面硬化技术分类1、表面硬化技术(surface hardening)（2）相变表面硬化技术在外加热源的快速加热和快速冷却中使基体材料原表面组织结构发生变化从而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。如采用火焰、电磁感应、离子束、激光束、电子束以及弧光等加热手段使材料表面快速加

10、热的表面淬火技术等。31表面覆盖技术是通过物理或化学方法使基体材料原表面上覆盖一种与基体不同材料的表面工程技术。其主要特征是在被处理基体材料原表面上形成合金、化合物或陶瓷保护层。例如电镀、化学气相沉积、物理气相沉积以及热喷涂等。表面覆盖技术内涵2、表面覆盖技术(surface covering)32表面覆盖技术分类2、表面覆盖技术(surface covering)表面覆盖技术按照基体材料原表面的空间和参与处理介质的物理状态分为五类：（1）物理气相沉积表面覆盖技术（2）化学气相沉积表面覆盖技术（3）溶液沉积表面覆盖技术（4）热熔融表面覆盖技术（5）热浸镀表面覆盖技术33表面覆盖技术分类2、表面

11、覆盖技术(surface covering)（1）物理气相沉积表面覆盖技术在真空条件下，利用加热、离子溅射等物理手段使其他材料气化为各种粒子（如原子、离子、分子等）沉积在基体材料原表面上而形成保护膜的技术。如真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等。34表面覆盖技术分类2、表面覆盖技术(surface covering)（2）化学气相沉积表面覆盖技术在真空或常压条件下，利用气体介质在基体材料原表面上进行物理化学反应而形成保护膜的技术。如热化学气相沉积、等离子化学气相沉积、金属有机化合物化学气相沉积等。35表面覆盖技术分类2、表面覆盖技术(surface covering)（3）溶液沉积表面覆盖技术在溶液中

12、，通过物理、化学、电化学等反应产生的各种粒子（如原子、离子、分子等）在基体材料原表面上形成保护膜的技术。如电镀、化学镀、微弧氧化以及化学转化膜技术等。36表面覆盖技术分类2、表面覆盖技术(surface covering)（4）热熔融表面覆盖技术采用某种加热方法使被涂材料处于熔融或半熔融状态，以一定速度喷涂或堆积在工件原表面上而形成涂层的技术。如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂以及爆炸喷涂等，堆焊、电火花涂镀、自蔓延等也可归于此类。37表面覆盖技术分类2、表面覆盖技术(surface covering)（5）热浸镀表面覆盖技术将工件浸入被熔化的低熔点金属如锌、铝、锡等，使基体材料原表面上形成涂层

13、的技术。如热镀锌、热镀铝、热镀锡等。此外，表面覆盖技术按材料表面覆盖层厚度划分为表面薄膜技术和厚涂层技术两大类。38表面冶金技术是采用物理或化学方法，提供合金元素并使其扩散进入被加热基体材料，而使该材料原表面内形成合金层的一种表面工程技术。其主要特征是在被处理基体材料原表面内形成化学成分呈梯度变化的合金层。例如传统的化学热处理技术、等离子处理技术，离子注入技术也可归于此类。表面冶金技术内涵3、表面冶金技术(surface metallurgy)39根据所采用的物理和化学手段，可以将材料表面冶金技术分为三类：（1）热化学表面冶金技术（2）高能束表面冶金技术（3）等离子表面冶金技术表面冶金技术分类

14、3、表面冶金技术(surface metallurgy)40表面冶金技术分类（1）热化学表面冶金技术热化学表面冶金是利用外加热源使化学物质分解而在材料原表面内形成合金层的一种表面冶金技术。传统的化学热处理技术均属于此类，如渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗金属等。3、表面冶金技术(surface metallurgy)41表面冶金技术分类（2）高能束表面冶金技术高能束表面冶金是利用高能量粒子束，如激光束、离子束、电子束等，在材料原表面内形成合金层的表面冶金技术。例如激光表面合金化、电子束表面合金化、离子束表面合金化、离子注入等。3、表面冶金技术(surface metallurgy)42表面冶金技术分

15、类（3）等离子表面冶金技术等离子表面冶金是利用辉光或弧光放电所产生的低温等离子体，在材料原表面内形成合金层的表面冶金技术。例如离子渗氮、离子渗碳、双层辉光离子渗金属、加弧辉光离子渗金属等。3、表面冶金技术(surface metallurgy)43根据美国金属学会对表面改性的定义，表面改性技术(surface modification)主要是指能够改变基体材料原表面内成分和结构的表面工程技术。因此，上述分类中的表面硬化技术和表面冶金技术应该属于表面改性技术。表面工程技术分类44表面工程技术的工程意义与科学价值Raw materialenergyProductProductSurface Tec

16、hnology/EngineeringGood product+45工程意义 * 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 * 制备具有特殊功能的表面 * 对节能降耗与再制造的特殊贡献科学价值 * 材料制备与合成的新技术 * 为新技术发展提供工艺和材料支持 * 多学科交叉，凝练新的学术研究课题New idea46零件在服役过程中，主要失效的形式为：腐蚀 (Corrosion)、磨损 (Wear)、疲劳(Fatigue)、 断裂 (Fracture) 。现代工业要求产品能在更高参数（如高温、高压、高速）、高度自动化和更恶劣的工况条件下更长期稳定运转，这就必然对工件表面的抗磨损、耐腐蚀等性能提出了更

17、高的要求。表面工程技术的工程意义47汽车轻量化 铝合金 表面耐磨问题突出 表面耐磨涂层 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室： 需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击表面耐热涂层和抗冲击涂层应用实例148飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000。问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。隔热防火涂层通常是热导率低的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维等。应用实例249嫦娥探月工程高温钛合金铌合金（带高温抗氧化涂

18、层）姿/轨控发动机推力室 实例-高温抗氧化涂层 50难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化，其高温氧化物不具备保护作用，使材料的力学性能急剧下降，严重影响性能。必须使用高温抗氧化涂层！Tips：铌在180开始发生缓慢氧化，450以下的氧化物具有保护作用，450600氧化膜的晶体体积发生变化（从4.36变到5.17)，开始出现粉化，600700其氧化速度与氧压成正比关系，700850内层氧化膜起控制作用，850以上氧化产物完全为Nb2O5。实例-高温抗氧化涂层 511、飞机发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度：12001400， 使用寿命大于1000h。 使用温度：1800，使用寿命大于100h。2、

19、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度：1800以上，最高要求达到2000，使用寿命较短，几分钟 十几分钟。实例-高温抗氧化涂层 52航天飞机外壳的防热材料和涂层： 如美国洛克希德导弹与航天公司的一种LI-900全氧化硅绝热毡特性： 1）重量轻，整个体积的95%都是空的。 2）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。应用实例353在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器，对太阳能的吸收率可达95%。应用实例454材料表面是普遍存在的，其

20、物理化学性质、结构、性能与材料内部均不一样。材料物理、化学性能及其变化都从表面开始。随着器件的微型化，表面/体相的原子比增大，会出现许多新的特性（如纳米结构材料的研究）。材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等。伴随着表面技术的开发和完善，又会有很多新的科学问题出现。表面工程技术的科学价值背景：美国工程学会为美国国会提供的 2000 年前集中力量发展的 9 项科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。551986年诺贝尔物理奖获得者实例-STM和AFM的发明Tips：STM扫描隧道显微镜；AFM原子力显微镜56石墨表面纯铝表面实例-STM和AFM的发明57表面工程技术的主要目

21、的：通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能。表面工程技术的作用和目的58（1）提高材料抵御环境作用能力。（2）赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。表面工程技术的作用和目的591）社会生产、生活的需要2）通过表面处理大幅度提高产品质量3）节约贵重材料4）实现材料表面复合化，解决单

22、一材料无法解决的问题5）良好的节能、节材效果6）促进了新兴工业的发展表面工程技术的社会经济效益60表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用工具、模具：主要起防护、耐磨、强化、修复表面技术在功能材料和元器件上的应用光、电、磁、热及化学等特性表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用抗菌灭菌TiO2、生物医学材料等表面工程技术的应用广泛性+重要性！61高新技术的发展对机器零件质量的要求越来越高，如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及各种特殊功能，而现有的材料往往不能满足需要。器件的微型化，使表面问题更为突出。人们希望通过表面改质，以普通材料代替昂贵材料以降低成本。表面工程技术的发展62材料

23、表面改性和强化问题引起国内外材料科学界的极大关注，学术研究异常活跃，旧工艺被不断革新，新工艺、新技术相继问世，工程应用不断扩大。材料表面技术是一门新兴的边缘交叉学科，它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术，必定得到更快发展。表面工程技术的发展63现代表面工程技术的基础是表面科学：表面分析技术：表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。 表面、界面物理：研究任何两相之间的界面上发生的物理过程的科学 。表面、界面化学：研究任何两相之间的界面上发生的化学

24、过程的科学 。1.2 表面、表面状态及表面特性64The real surface is totally different from the body！ 65The real surface is totally different from the body！ 66The real surface is totally different from the body！ 67固体表面的概念几何概念：表面是一种二维几何结构。抛光的钢带表面68固体表面的概念机械结构概念：表面是材料的外边界，且与所考虑的尺度有关。不同尺度下的针尖69固体表面的概念物理化学概念：表面是两相（或多相）间有着极小厚度的

25、分界层，或物理相间区域。70固体表面的概念表面固体材料与气体或液体的分界面。晶界（或亚晶界）多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相界固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。surfacegrain boundaryphase boundary71固体表面的概念定义：一般来说，固体表面是指“固气”界面或“固液”界面。前者实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.510nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。正是这样的原因，造成了固体材料表面与固体材料体内不同：（1）原子排列不同；（2）组分不同。GaAs (110)面：实线-晶体内；虚线-表面72固

26、体表面结构理想表面一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略了晶体内部周期性热场在晶体表面中断的影响；忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽略了表面外界环境的作用等。清洁表面经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-910-6Pa超高真空下，外来沾污非常少的表面。实际表面暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。73按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态：自行调整 原子排列情况与材料内部明显不

27、同依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸附，以及两者的相互作用而趋向稳定态 表面组分与材料内部不同1、清洁表面结构741、清洁表面结构relaxationreconstruction751、清洁表面结构segregationchemisorptioncompounds761、清洁表面结构terraceledgekink单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射(LEED)等表面分析结果所证实台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。77晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般约经过46个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。1、清洁表面结构晶体表面的缺陷：点缺陷：空位对

28、，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等线缺陷：位错在表面的露头，包括刃型位错（直径为原子尺寸的一根管道）和螺型位错（表面形成台阶 ）78实际表面就是我们通常接触到的表面。实际表面形态： 表面粗糙度 表面组织 表面化学成分2、实际表面结构抛光后的金属表面792、实际表面结构表面粗糙度（surface roughness）where Rpi, Rvi are the ith highest peak, and lowest valley respectively. ( ISO 25178)80常见工艺对应的表面粗糙度超精磨：较小砂铸、热轧、火焰切割：较大812、实际表面结构表面粗糙度（surface

29、 roughness）表面粗糙系数：Ar： 真实表面面积Aq：几何表面面积822、实际表面结构表面组织（surface microstructure）抛光金属表面附近贝尔比层 （Beilby layer） 残余应力 表面形变和组织畸变区Tip：金属摩擦后，表面区域温度迅速冷却下来，原子来不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸变。这种畸变随深度而变化，在最外层约510nm可形成一种非晶态，其成分为金属及其氧化物，即为贝尔比层。832、实际表面结构表面成分（surface composition）由AB两种原子组成的固体表面情况二元合金表面富集元素842、实际表面结构表面成分（surface co

30、mposition）FeO金属的氧化 : 气相/高价氧化物/低价氧化物/金属空气1000CuCuCu2OCuOCu2O空气空气570FeFe3O4空气Fe2O3FeFe3O4Fe2O3852、实际表面结构实例：金属材料在工业环境中的实际表面 微晶层(1100nm)塑性变形层(1 10m) 其它变质层(双晶、相变等)机械加工后的金属表层组织结构示意86固体表面的吸附由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为吸附。固体表面在不同的环境介质中会表现出不同的吸附特性：固体对气体的吸附固体对液体的吸附与润湿固体对固体的

31、吸附87固体对气体的吸附物理吸附（Physical adsorption）： 任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附，但两者之间没有电子转移。化学吸附（Chemical adsorption）： 气体和固体之间发生了电子的转移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。 但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。88物理吸附与化学吸附的区别 物理吸附化学吸附 吸附热近于液化热(110 KJMOL-1)近于反应热（ 40 KJMOL-1） 吸附力范德华力 弱化学键力 强 吸附层单分子层或多分子层仅单分子层吸附选

32、择性无有吸附速率快慢吸附活化能不需需要、且很高吸附温度低温较高温度吸附层结构基本同吸附质分子结构形成新的化合态89固体对液体的吸附电解质吸附： 固体表面带电或双电层中的组分发生 变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。非电解质吸附： 表现为单分子层吸附 ，吸附层以外就是本体相溶液。 溶液有溶质和溶剂，都可能被固体表面吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 90固体对液体的吸附影响固体对液体吸附力的因素：固体表面的粗糙度 固体表面的污染程度 液体表面的表面张力91不同表面

33、处理时钢和环氧树脂接触角与相对粘结强度 洗净剂接触角（）粘结强度甲苯5993庚烷5193丁酮4794三氯乙烯42100醋酸乙烯43100三氯甲烷3411392固体对液体的润湿热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。93固体对固体的吸附固体和固体表面之间同样有吸附作用，但两个固体表面必须非常靠近，靠近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）才行。固体对固体吸附的特点：两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质的内聚力。表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染往往是非常迅速的。如：铁片在水银中断裂，两裂开面可以再粘结起来；而在空气中断裂，铁迅速吸附氧气，形成化学吸附层，

34、两裂开面 就粘结不起来。固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁时才能表现出来. 94第一章 材料表面与薄膜技术概论1.1 材料表面工程技术基本概念1.2 表面、表面状态及表面特性1.3 涂层、薄膜与真空技术951.3 涂层、薄膜与真空技术96涂层与薄膜的定义在现有的各种有关的印刷型书籍或电子型书籍中寻找涂层与薄膜的定义是一件很困难也很令人尴尬的事情。师昌绪主编的“材料大辞典”中没有“薄膜”和“涂层”这两个词条。英文：thin film, layer, coating, foil?97涂层与薄膜的定义 涂层目前还没有一个明确的、统一的定义。涂层、薄膜是同一个概念还是有所不同，或者彼此间有什

35、么关系，仍然没有一个明确的、统一的说法。 涂层可以定义为用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度的不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。 通常的看法是极薄的“涂层”就是“薄膜”。 胡传炘、宋幼慧98涂层与薄膜的区别关于薄膜的“薄”：可以把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，这一厚度大约为 1 微米，是采用常规方法所能制得的薄膜膜厚的上限。涂层的厚度一般大于 10 微米。但是这并不是严格的区分。在很多场合涂层和薄膜仅仅是一个说法的不同。有些场合用“涂层”这个词似乎更合适一些。 油漆、SiC包覆、家电的电镀层等相当于薄膜厚

36、度来说，薄膜其他两个方向的尺度可以认为是无穷大。因此，薄膜是一种低维材料。99涂层与薄膜的区别薄膜更倾向于使用自身的性能，大多数情况下基体只是一个载体；涂层则倾向于对基体性能做一些补充。涂层：Coating薄膜：Thin film100薄膜的特性用料少，经济方面考虑新的效应新的材料容易实现多层膜薄膜和基片的粘附性薄膜的内应力薄膜缺陷101薄膜的特性薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond102薄膜的特性新的效应：某一维度很小、比表面积大例：极化效应、表面和界面效应、限域效应、耦合效应103DLC coated a magnetic

37、 thin-film diskLiquid lubricant 1-2 nmDLC（类金刚石涂层） 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 nmThe surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer104photoluminescence spectra of a

38、 series of GaN/AlxGa1-xN double heterostructures (DHs) Phy. Rev. B, 57, R9435 (1998)可以通过改变薄膜的厚度或者外加偏压来调节发光的波长105耦合效应MgO/ZnO多层膜，其中ZnO层厚度分别为：0.75 nm 1.25 nm2.0 nm 2.5 nmMgO1.0nmAppl. Phys. Lett. 83, 2010 (2003)106薄膜的特性可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量比结构Diamond: 工业合成，2000，5.5万大气压；CVD（化学气相沉积）生长薄膜，常压，800 MgxZn1-xO:

39、体相中Mg的平衡固溶度为0.04，PLD（脉冲激光沉积）法生长的薄膜中，x可01a-Si1-xNx:H107薄膜的特性容易实现多层膜多功能薄膜：太阳能电池超晶格：GaAlAs/GaAs108薄膜的特性薄膜和基片的粘附性范德瓦耳斯力：属于分子吸附力，作用力较小，但在所有膜中都存在。静电力：膜/基之间形成库仑力。互扩散，界面原子互相渗透，宽化界面。表面浸润而形成化学作用力。109薄膜的特性薄膜的内应力内应力包括本征应力和热应力。本征应力来源于薄膜与基片的晶格常数失配以及薄膜中的缺陷，是不可逆的。热应力来源于薄膜与基体间热膨胀系数的不同，是可逆的。薄膜中因存在内应力，因而具有应变能。厚度d，弹性模量

40、E，内应力s110薄膜的特性各种薄膜制备方法都不可避免地引入大量的缺陷，包括：Chemical Vapor Deposition (CVD)、Molecular beam epitaxy (MBE)、sol-gel、溅射、蒸发、微波、热丝、电沉积等基板温度越低，点缺陷和空位密度越大成核取向不一样111从材料种类角度：薄膜材料可以是任意一种可能的材料：高分子、金属及合金、非金属、半导体、化合物、陶瓷等等 有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜等从材料结构角度：薄膜材料可以是多晶的、单晶的、非晶态的等等 单晶薄膜、多晶薄膜、非晶薄膜从材料性能角度：硬质薄膜、声学薄膜、热学薄膜、金属导电薄膜、半导体薄膜、超导

41、薄膜、介电薄膜、磁阻薄膜、光学薄膜等薄膜的分类112（1）半导体器件与集成电路中的导电材料与介质薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、Cu、SiO2、Si3N4、Al2O3（2）超导薄膜：YBaCuO、BiSrCaCuO、TiBaCuO（3）光电子器件功能薄膜：GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H、a-SiGe:H、a-SiC:H（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Si3N4、Ta2O5（5）薄膜电阻、电容、阻容网络与混合集成电路：低电阻率Ni-Cr，高电阻率Cr-SiO，薄膜电容Zn、Al电学薄膜113（6）

42、薄膜太阳能电池：非晶硅、CuInSe2、CdSe（7）平板显示器件：液晶显示、等离子体显示、电致发光显示ITO透明电极，ZnS:Mn发光膜（8）表面声波元件：ZnO、Ta2O3、AlN（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114（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）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

43、储薄膜：光盘、唱片Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光学元件与光波导中的介质薄膜与半导体薄膜光学薄膜115（1）硬质膜：刀具、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（3）润滑膜：MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni，Au，Ag，Pb保护膜116（1）新型半导体薄膜：GaN，SiC，ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H（改进工艺，降低成本，研究新的应用）（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-V新型薄膜材料研究热点117真空的概念 “真空”（Vacuum）拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =气体较稀薄的空间。为什么需要真空？118真空的基本特点 1、气体分子或带电粒子的平均自由程：s为分子直径，p为压强，