功能材料学教案功能薄膜材料和新型功能材料

17章功能薄膜材料薄膜材料〔根本上在微米甚至纳米量级功能薄膜材料则是指那些在现的一些功能。因此，薄膜材料在高科技领域具有格外重要的地位。2070年月以来，薄膜材料和薄膜技术得到了突飞猛进的进展，无论在学术争论上民经济的进展起到了巨大的推动作用。在这一章中，我们介绍一些重要的功能薄膜材料。导电薄膜高电路的集成度和工作性能均有很大的影响。下面我们介绍几种常见的导电薄膜。金属导电薄膜金属薄膜按其熔点凹凸可分为低熔点薄膜和高熔点薄膜两类。低熔点金属薄膜。Au，Ag，CuAlAl膜的争论和应用较多。通常承受真空蒸镀法制作Al膜，所用原材料纯度在％以上，蒸镀时的真空度高于5×10-3Pa。由于Al易与W，Mo，Ta等元素生成低熔点合金，故蒸发铝使一般不使用W，Mo，Ta做坩埚。在集成电路工艺中，主要承受溅射法制备Al膜。高熔点金属薄膜。V，Nb，Zr，Ti，Ta,，Cr，MoW等高熔点金属薄膜。制造高所形成的W，Mo等高熔点金属薄膜，一般为多晶构造，薄膜多呈柱状结晶构造，晶粒尺寸随基板温度和热处理温度的上升而增大，同时薄膜的电阻率会渐渐变小。复合导电薄膜基体的附着性很差。因此，用金膜作为导电薄膜时，一般须先沉积一层其他金属底层，然后上，而上层的导电薄膜则主要起导电作用。挨次溅射的方法，才能获得所需要的复合导电薄膜。Cr-Au薄膜和NiCr-Au薄膜是目前用得最多的复合导电薄膜电子元件的互连线、单层薄膜电感器和薄膜电容器的上电极等。多晶硅薄膜重掺杂的多晶硅薄膜是替代Al膜作为集成电路的栅电极和互连线的薄膜材料。多晶硅薄膜经氧化处理后，可在其外表生成优良的SiO2薄膜，简洁得到高纯度的膜层。利用不同掺杂成分既可形成np制备多晶硅薄膜的方法很多，如真空蒸发、溅射、电化学沉积、化学气相沉积、分子束外延等，都可用来沉积多晶硅薄膜。理温度亲热相关。非掺杂多晶硅薄膜的电阻率很高，可达105Ω·cm，如掺杂浓度在1019cm-3以上，其电阻率就与单晶硅的电阻率〔10-2～103Ω·cm〕相近了。但多晶硅薄膜的导电性质与单晶硅的有很大的不同，这主要是由于在多晶硅薄膜中存在着大量晶界。金属硅化物薄膜阻率，约为多晶硅电阻率的l/10，而且高温稳定性好，抗电迁移力量强，并可直接沉积在多晶硅上。因而，在超大规模集成电路中被广泛用作导电薄膜。适用于集成电路的硅化物，必需具有电阻率低，易刻蚀，可氧化，机械稳定性好，与Al不易发生反响等性质。常用的硅化物有NbSi，PtSi，PdSi〔硅化钯〕和NiSi等。2 2 2制备硅化物的方法有共溅射、共蒸发、分子束外延、化学气相沉积等。可以首先形成硅和金属的多层构造，再经过退火处理，即可形成硅化物薄膜。透亮导电薄膜光范围还有很高的反射性的薄膜材料在金属膜中有Au，Ag，Cu，Pt，Al，Cr等；在氧化物膜中有InO，SnO

，ZnO，CdO等；2 3 2在非氧化物膜中有Cu2S，CdS，ZnS，LaB，TiN，TiC，ZrN，ZrB

等。透亮导电薄膜由于6 2具有透光性，在电子、电气及光学等领域都有广泛的应用。在玻璃衬底上制备透亮导电膜的方法有喷雾法、涂覆法、浸渍法、化学气相沉积法、真法的衬底大多承受聚酯薄膜。另外，在塑料衬底上也可承受各种溅射方法来制备薄膜。光学薄膜反射膜、偏振膜、分光膜、干预滤光膜等。近代激光技术的进展，又为光学薄膜的研制和应用开拓了的领域。可用作光学薄膜的材料很多，不下百余种，有化合物光学薄膜、半导体光学薄膜、金属有氧化物、氟化物、硫化物和半导体材料等类型。防反射膜折射率为的光学玻璃对于垂直于入射光的反射率大约为4％，在具有大量光学元件的光学系统中，存在着很多空气/玻璃界面，玻璃的这种反射损耗累积起来，会使得光学系统的透射率明显降低。在折射率较大的半导体中，反射损耗也很大。例如，在折射率约为4的Ge36％。为了减小反射损耗，增大光学元件的透光率，通常承受在光学元件上沉积防反射膜〔增透膜〕的方法，常见的有单层、双层或多层反射膜。中应直接监视并掌握膜的反射率和透射率，在反射率到达最小时即停顿镀膜。吸取膜对太阳光吸取较多，同时由自身热辐射所引起的损耗又比较小的吸取材料。太阳光谱的峰值约在波特长，全部能量的95％以上集中在～2μm之间。在摄氏几百度的温度下，黑体的热辐射主要集中在2～20μm的红外波段。太阳辐射光谱与黑体的热辐射光谱在波段上存在的这种差异，为我们充分利用太阳能供给了理论依据。可见光波段吸取率大，而在热辐射最强的红外光波段辐射率小。导体薄膜的吸取端波长应在l～3μm之间，才能根本上掩盖太阳辐射光谱。当太阳光波的波有的高反射率。常用于光学吸取膜的半导体主要有Si，Ge和PbS等，它们在可见光波段的反射损耗偏大，吸取特性不够抱负。降低半导体反射率的措施有〔〕过干预效应来降低反射率〔〕在半导体层上再沉积一层防反射膜〕使半导体外表形成多孔构造，利用多重反射的方法，使反射率降低。图5 太阳辐射光谱与黑体辐射光谱薄膜光波导光波导就是一种将光波封闭在肯定截面的透亮媒质内使光波沿轴向传播的光学器件。光纤就是一种常见的光波导器件。单晶衬底有LiNbO，A1O，SiO

等氧化物介电体单晶以及GaAs，InP，Si等半导体单晶。3 2 3 2单晶光波导薄膜通常承受各种外延方法〔气相、液相、分子束外延、有机金属化学气相法等〕制备。而多晶以及非晶态光波导薄膜通常承受真空蒸镀和溅射等方法制备。磁性薄膜单晶态磁性薄膜K1的数值越大，说明其完全单晶化程度越高。例如，在NaCl单晶的〔100〕解理面上通过外延法制取的Ni薄膜，其K1值具有明显的各向异性，这说明所获得的薄膜是单晶薄膜。在MgO的〔100〕1解理面上制取的Ni单晶薄膜，Ni膜的K1

值会随着镀膜时基体温度的增加而增加，也说明，其单晶化程度的增大。过真空蒸镀法进展外延生长。非晶态磁性薄膜可以利用电镀、电解方法制备Co-P膜、Ni-P膜、Co-Ni-P膜等非晶态磁性薄膜。磁泡分成很多小区域，在同一个小区域中，磁化矢量的方向是一样的，这样的小区域称为磁畴。不是由一个磁畴的方向突然变到另一个磁畴的方向的。也就是说，在磁畴和磁畴之间存在着过渡区，这种过渡区称为畴壁。外形，由一些明暗相间的条状畴构成，明与暗两种条块的面积大体相等，如教材254页图17-6〔a〕所示。假设明畴中的磁化方向是垂直于膜面对下的，而暗畴中的磁化方向就是垂HHB那么，随HB增大，明畴的面积渐渐增大，而暗畴的面积则会渐渐减小，局部暗畴还会变成一段一段的段畴，如图17-6〔b〕中所示。当HB增加到某一值时，段畴缩成圆形的磁畴，见图17-〔。这些图形的磁畴看起来很像是一些圆形的小泡泡，故被称为磁泡。从垂直于膜面的方始终看，磁泡是圆形的，但实际上磁泡是圆柱形的。在磁泡区域中，磁化方向与外磁场HB相反。假设增加HB，则磁泡的直径将减小。HB增加到某一数值时，磁泡还会突然消逝。6磁泡的形成过程在形成磁泡以后，假设保持HB不变，则磁泡是很稳定的。也就是说，已经形成的磁泡“有磁泡”和“没有磁泡”是两个稳定的物理状态。这一特性使其可用来存贮二进制的数字信息。用磁泡来存贮信息的技术称为磁泡技术。中形成。而且还要求材料的缺陷尽量少，透亮度尽量高，磁泡的迁移速度要快，材料的化学稳定性和机械性能要好。满足这些要求的材料有六方铁氧体、氟化铁、硼酸铁和尖晶石等。磁泡材料主要通过外延法的常用方法。18章型功能材料智能功能材料智能功能材料智能材料IntelligentMaterial。所谓智能材料就是同时具有感知功能、推断功能和执行功能的一种材料。感知、推断和执行是智能材料必需具备的三个根本要素。还可顺应环境。也就是说，智能材料应具有应付环境条件变化的特性，如自诊断、自修复、路技术启迪而构思的一种融合型材料。的融合材料，故可把它作为智能材料的蓝本。金属系智能材料目前仍是现代工业中主要的构造材料。考虑到航空、宇航和原子能等尖端领域今后的进展，给包括金属在内的构造材料增加智能功能就显得极为重要。的话，那么在确保构造物的牢靠性和使用安全性方面无疑是极其有益的。约1μm大小的微小空穴，其疲乏极限也不会降低。因而可以通过在1μm尺寸的微小空穴内中所含的成分自动析出并填充裂纹间隙来实施自修复。性能恶化时，借助颜色、声音、电信号等感知这些现象的自我诊断功能；二是利用应力诱发相变使应力集中缓和的自修复功能。料争论中具有重要的潜在价值。无机非金属系智能材料智能陶瓷种智能陶瓷。在高电压雷击时，氧化锌变阻器可失去电阻，使雷击电流旁路入地，该电阻可自动恢复。钛酸钡PTC热敏电阻在120℃左右的相变温度下，消灭电阻的极大变化，从而-PTC的电阻-非线性效应，因而能作为所谓的候补保护元件。智能窗性，这种玻璃窗称为智能窗。〔或吸取筑、运输及电子等工业领域有着广泛的应用前景。高分子系智能材料pH值、温度的不同以及电刺激和光辐照不同而产生体积变化的一种响应性。体材料，则其可依据病灶所引起的化学物理变化，自动掌握药物释放的通-断特性。如具有血糖浓度响应特性的胰岛素释放体系可有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。梯度功能材料梯度功能材料概念属具有强度高、韧性好等优点，但在高温顺腐蚀环境下却难以胜任。而陶瓷具有耐高温、抗很大的热应力，引起剥离、脱落，造成材料的破坏。梯度功能材料〔FunctionallyGradientMaterials，简称FGM.〕的争论开发，最早始于日本〔1987年。所谓梯度功能材料，就是在所选择的两种不同性能的材料之间，承受先进的复合材料的显著特点是抑制了两材料结合部位的性能不匹配因素同的功能。虽然FGM的最初目的是通过梯度化结合金属和超耐热陶瓷来解决航天飞机的宠保护问题。但随着FGM的争论和开发，其用途已扩大到核能源、电子、光学、化学、生物医学工程等领域，其组成也由金属-陶瓷进展成为金属-合金、非金属-非金属、非金属-陶瓷、高分子膜-高分子膜等多种组合，种类繁多，应用前景格外宽阔。梯度功能材料的制备对梯度功能材料必需实行有效的制备技术来保证，下面是已开发的梯度材料制备方法。化学气相沉积法两种气相原料被输送到反响器中进展均匀混合上。该方法的特点是通过调整原料气流量和压力来连续掌握转变金属-陶瓷的组成比。物理蒸发法通过物理法使镀膜材料加热蒸发而在基板上成膜。等离子喷涂法承受多套独立或一套可调组分的喷涂装置FGM材料。承受该法制备FGM材料，须对喷涂压力、喷射速度及颗粒粒度等参量进展严格掌握。颗粒梯度排列法颗粒梯度排列法又分颗粒直接填充法和薄膜叠层法两种末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得具有缓和热应力性能的梯度功能材料。自集中高温合成法利用粉末间化学放热反响产生的热量和反响的自传播性使材料烧结并合成。梯度功能材料的应用FGM最重要的应用领域是航天工业，在其他领域也有着宽阔的应用前景，见表。功能复合材料瓷材料、玻璃、碳质材料等之间进展复合。聚合物基功能复合材料聚合物基复合材料质地轻、强度高、耐腐蚀、隔热吸音、设计和成型自由度大，被广泛用于航空航天、船舶与车辆、建筑工程、电器设备、化学工程以及体育、医学等各个领域。导电复合材料出导电复合材料，参加聚合物基体中的这些添加材料可分为两类——增加剂和填料。增加材料中用的较多的是碳纤维。点，其参加量为5％~2030％~40％。选择不同材质、不同含量的增加剂和填料，可获得不同导电特性的复合材料。透光复合材料最早成功开发的是无碱玻璃纤维增加不饱和聚酯型透光复合材料复合材料透紫外光力量差、耐光老化性不好。为此，美国、日本等又先后开发了有碱玻璃纤明显改进。隐身复合材料随着电磁波探测、红外探测技术日月异的进展，给作战用的飞机、、舰艇、坦克料〔主要为铁氧体〕和贴片〔为橡胶、塑料和陶瓷。日本研制的一种宽频高效吸波涂料是由电阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层构造。其中变换层是铁氧体和树脂的混合物以到达隐身目的。涂料中的粘合剂、填料〔形态、大小、构造、涂层的厚度与构造都直接影响到红外隐身效果。压电复合材料体后亦有压电性。但由于必需经拉伸、极化，材料刚度增大，难于制成简单外形，并且具有较强的各向异性。这两类压电材料都具有压电性能好，但加工性能差的弱点。酸锆与聚偏二氟乙烯或聚甲醛复合而得到压电复合材料其他性能具有可设计性，可以同时实现多种功能，这是一般压电材料所无法比较的。金属基功能复合材料金属基复合材料的进展历史虽然要比聚合物基复合材料晚能好、层间剪切强度高、导热导电、不吸湿、尺寸稳定性好、使用温度范围宽、耐磨损等优异特性而得以快速进展，特别是功能金属基复合材料更加令人注目。电接触复合材料电接触元件是传递电能和电信号以及接通或切断各种电路的重要元件的性能直接影响到仪表、电机、电器和电路的牢靠性、稳定性