材料物理薄膜物理實用教案

1、6.1 引言引言(ynyn) Plate 盤子盤子, 金屬板金屬板, 圖版圖版, 金銀餐具鍍（金金銀餐具鍍（金, 銀等）銀等）, 電鍍電鍍(dind), 給給.裝鋼板裝鋼板 Layer 層層, 階層階層 Coating外套外套, (動物的動物的)皮毛皮毛, (植物的植物的)表皮表皮, (漆等的漆等的)層層, 涂層涂層 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, 膜層膜層, 膠卷膠卷, 影片影片, 薄霧薄霧, 輕煙輕煙, 電影電影 在在.上覆以薄膜上覆以薄膜, 拍成電影拍成電影生薄膜生薄膜, 變成朦朧變成朦朧,

2、 拍電影拍電影 Foil f?il箔箔, 金屬薄片金屬薄片, 葉形片葉形片, 烘托烘托, 襯襯托托 襯托襯托, 阻止阻止, 擋開擋開, 挫敗挫敗, 貼箔于貼箔于Dimension 材料(cilio)的維度 (one dimension)第1頁/共66頁第一頁，共67頁。On a farm第2頁/共66頁第二頁，共67頁。信息信息(xnx)存儲存儲技術(shù)技術(shù)第3頁/共66頁第三頁，共67頁。但作為但作為(zuwi)(zuwi)一門科學(xué)與技術(shù)，是在近一門科學(xué)與技術(shù)，是在近3030年信息時代到來之后年信息時代到來之后信息信息(xnx)顯顯示技術(shù)示技術(shù)第4頁/共66頁第四頁，共67頁。計算機技術(shù)計算機技

3、術(shù)第5頁/共66頁第五頁，共67頁。日常生活日常生活第6頁/共66頁第六頁，共67頁。 1 m基片基片電、磁、聲、光電、磁、聲、光生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用工程應(yīng)用基片：薄膜的承基片：薄膜的承載體載體(zit)，如，如Si電電 極極過渡層過渡層襯底襯底：基片與電基片與電極、過渡層的總極、過渡層的總稱，如稱，如Pt/Ti/Si。襯底襯底第7頁/共66頁第七頁，共67頁。6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第8頁/共66頁第八頁，共67頁。Langmuir-Blodgett films6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第9頁/共66頁第九頁，共67頁。 6.1 薄膜的定義(dngy)Lan

4、gmuir-Blodgett film第10頁/共66頁第十頁，共67頁。Langmuir-Blodgett film LB 膜是一種超薄有序膜膜是一種超薄有序膜; LB膜技術(shù)是一種可以在分子膜技術(shù)是一種可以在分子(fnz)水平上精確控制薄膜厚度的制膜水平上精確控制薄膜厚度的制膜技術(shù)。技術(shù)。 單分子膜的研究開始于單分子膜的研究開始于18世紀(jì)，世紀(jì)，B. Franklin 將一匙油滴在半英畝的池塘水將一匙油滴在半英畝的池塘水面面(shu min)上鋪展開上鋪展開;1890年年 第一次提出單分子膜概念第一次提出單分子膜概念;二十世紀(jì)二三十年代，美國科學(xué)家二十世紀(jì)二三十年代，美國科學(xué)家 I. Lan

5、gmuir 系統(tǒng)研究了單分子膜的性質(zhì)系統(tǒng)研究了單分子膜的性質(zhì)而建立了完整的單分子膜理論而建立了完整的單分子膜理論 。及其學(xué)生。及其學(xué)生 一起建立了一種單分子膜的制備一起建立了一種單分子膜的制備技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上 ;上世紀(jì)六十年代，德國科學(xué)家首先意識到運上世紀(jì)六十年代，德國科學(xué)家首先意識到運 用用LB膜技術(shù)實現(xiàn)分子功能的組膜技術(shù)實現(xiàn)分子功能的組裝并構(gòu)成分子的有序系統(tǒng)。裝并構(gòu)成分子的有序系統(tǒng)。 6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第11頁/共66頁第十一頁，共67頁。6.1 LB膜膜 利用分子表面活性在水氣界面上形成凝結(jié)

6、利用分子表面活性在水氣界面上形成凝結(jié)膜，并將該膜逐次轉(zhuǎn)移到固體基板上，形成單層膜，并將該膜逐次轉(zhuǎn)移到固體基板上，形成單層或多層類晶薄膜的一種或多層類晶薄膜的一種(y zhn)制膜方法。制膜方法。一、定義(dngy)： 這是一種由某些有機大分子(fnz)定向排列組成的單分子(fnz)層或多分子(fnz)層薄膜，其制備原理與其它成膜技術(shù)截然不同。第12頁/共66頁第十二頁，共67頁。LB膜的歷史膜的歷史(lsh)18世紀(jì)，美國政治家于倫敦：把一匙油世紀(jì)，美國政治家于倫敦：把一匙油(2ml)滴在半英畝的池滴在半英畝的池塘塘(chtng)水面上，觀察到平鋪的油膜。水面上，觀察到平鋪的油膜。1890年，

7、第一次提出單分子膜概念，研究了表面張力的規(guī)律，成年，第一次提出單分子膜概念，研究了表面張力的規(guī)律，成功估算油膜厚度在功估算油膜厚度在1020之間。之間。1891年年APockels設(shè)計了一個水槽，用一個金屬障片來壓縮控制設(shè)計了一個水槽，用一個金屬障片來壓縮控制膜面積，并指出在膜面積達到一定值時油膜表面張力變化很膜面積，并指出在膜面積達到一定值時油膜表面張力變化很小這表明水面上的分子恰好彼此壓緊，這點稱為小這表明水面上的分子恰好彼此壓緊，這點稱為Pockels點。點。1917年，改進了年，改進了Pockels槽，可以精確測定分子的尺寸和取向，槽，可以精確測定分子的尺寸和取向，了解分子之間的相互排

8、列和作用。提出有關(guān)氣液界面的吸附理了解分子之間的相互排列和作用。提出有關(guān)氣液界面的吸附理論，奠定了單分子層的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)在稱單分子層為論，奠定了單分子層的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)在稱單分子層為Langmuir膜。他的出色工作終于在膜。他的出色工作終于在1932年獲得了諾貝爾獎。年獲得了諾貝爾獎。第13頁/共66頁第十三頁，共67頁。1935年將年將Langmuir膜轉(zhuǎn)移到固體襯底上，成功膜轉(zhuǎn)移到固體襯底上，成功(chnggng)地制備出第一個單分子層積累的多層膜，地制備出第一個單分子層積累的多層膜，即即LB膜。膜。第14頁/共66頁第十四頁，共67頁。 LB膜制備膜制備(zhbi)裝置示意圖裝置示意圖第1

9、5頁/共66頁第十五頁，共67頁。第16頁/共66頁第十六頁，共67頁。 X型型LB膜中每層分子的親油基都指向膜中每層分子的親油基都指向(zh xin)基片表基片表面。面。Y型膜中成膜分子的親水基與親水基相連，親油基與親型膜中成膜分子的親水基與親水基相連，親油基與親油基相連。油基相連。Z型膜與型膜與x型相反，成膜分子的親水基都指向型相反，成膜分子的親水基都指向(zh xin)基片表面?；砻?。疏水基板疏水基板親水基板親水基板第17頁/共66頁第十七頁，共67頁。LB膜的優(yōu)點膜的優(yōu)點(yudin)：1）在）在LB膜中成膜分子是有序定向排列的，這也是膜中成膜分子是有序定向排列的，這也是LB膜的膜

10、的一個重要特點一個重要特點2）可以用）可以用LB技術(shù)成膜的分子材料有一定的廣泛性。許多技術(shù)成膜的分子材料有一定的廣泛性。許多有機功能分子和生物分子以及高分子材料可以直接有機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膜由單分子層組成。它的厚度取決于分子的尺寸和膜由單分子層組成。它的厚度取決于分子的尺寸和分子的層數(shù)。控制分子的層數(shù)可方便地得到所需的膜厚分子的層數(shù)?？刂品肿拥膶訑?shù)可方便地得到所需的膜厚（從幾（從幾nm至幾百至幾百nm范圍內(nèi)變化）范圍內(nèi)變化）5）制膜設(shè)備比較簡單，操作方便。）制膜設(shè)備比較簡單，操作方便。第18頁/共66頁第十八頁，共67頁。LB膜的主要膜的

11、主要(zhyo)缺點：缺點：1）成膜效率）成膜效率(xio l)低低2）由于）由于LB膜為有機膜，因此它包含有機材料的膜為有機膜，因此它包含有機材料的弱點，例如：弱點，例如：LB膜的耐高溫性能較差、機械強膜的耐高溫性能較差、機械強度低等。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較大的困難了較大的困難第19頁/共66頁第十九頁，共67頁。LB膜的應(yīng)用膜的應(yīng)用(yngyng) LB技術(shù)可以通過把一些具有特定功能的有技術(shù)可以通過把一些具有特定功能的有機分子或生物分子有序定向化，使之形成具有機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、，如有機絕緣膜、非線某一特殊功能的超薄膜，如有機絕緣膜、非線性光學(xué)膜、光電薄膜、二維有機導(dǎo)電膜等。目性光學(xué)膜、光電薄膜、二維有機導(dǎo)電膜等。目前前LB膜已在膜已在MIS結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)器件、電致發(fā)光、結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)器件、電致發(fā)光、集成光路及生物傳感器方面得到良好的使用集成光路及生物傳感器方面得到良好的使用(shyng)結(jié)果。結(jié)果。第20頁/共66頁第二十頁，共67頁。 自組裝(z zhun)膜（Self-assembled membranes）SAMs是利用固體(gt)表面在稀溶液中吸附活性物質(zhì)而形成的有序分子組織，其基本原理是通過固液界面間的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，在基片上形成化學(xué)鍵連接的、取向緊密排列

13、的二維有序單層膜。6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第21頁/共66頁第二十一頁，共67頁。SAMFET 6.1 薄膜的定義(dngy)Self-Assemble Monolayersource表示源極，drain表示漏極，gate表示門，oxide表示用于門和基底絕緣(juyun)的薄層介電質(zhì) 第22頁/共66頁第二十二頁，共67頁。6.1 薄膜的定義(dngy)第23頁/共66頁第二十三頁，共67頁。自組裝自組裝(z zhun)原理原理 本研究以結(jié)晶成核理論為依據(jù)，借助基板表本研究以結(jié)晶成核理論為依據(jù)，借助基板表面與溶液及其中的團簇，核，均一粒子等的界面面與溶液及其中的團簇，核，均一

14、粒子等的界面相互作用，通過模擬生物礦物質(zhì)，生物結(jié)晶等的相互作用，通過模擬生物礦物質(zhì)，生物結(jié)晶等的生長過程，利用項目組已經(jīng)成功開發(fā)的飽和溶液生長過程，利用項目組已經(jīng)成功開發(fā)的飽和溶液體系在紙，聚合物等各種柔性基板上位相（區(qū)域）體系在紙，聚合物等各種柔性基板上位相（區(qū)域）選擇性生長結(jié)晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探選擇性生長結(jié)晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探討具有不同表面官能團的柔性基體與反應(yīng)溶液之討具有不同表面官能團的柔性基體與反應(yīng)溶液之間的相互作用，模擬生物礦化原理，利用表面間的相互作用，模擬生物礦化原理，利用表面-界界面相互作用，在某一功能團表面選擇成核與生長，面相互作用，在某一功能團表面選擇成

15、核與生長，直接由液相一步實現(xiàn)薄膜的精確位置選擇制備，直接由液相一步實現(xiàn)薄膜的精確位置選擇制備，獲得微米獲得微米/納米尺度的顯微圖案。研究在不均一，納米尺度的顯微圖案。研究在不均一，過飽和的液相環(huán)境下位置、薄膜生長機理、生長過飽和的液相環(huán)境下位置、薄膜生長機理、生長動力學(xué)及其與薄膜表面微觀結(jié)構(gòu)動力學(xué)及其與薄膜表面微觀結(jié)構(gòu)/界面結(jié)合狀態(tài)的界面結(jié)合狀態(tài)的關(guān)系，為研究不同溶液體系提供理論依據(jù)。本技關(guān)系，為研究不同溶液體系提供理論依據(jù)。本技術(shù)術(shù)(jsh)有望開拓柔性顯示器，柔性太陽電池，有望開拓柔性顯示器，柔性太陽電池，生物芯片與生物傳感器等的新的制備技術(shù)生物芯片與生物傳感器等的新的制備技術(shù)(jsh)。

16、6.1 薄膜的定義(dngy)基于液相反應(yīng)自組裝制備透明柔性功能陶瓷薄膜及其生長機理的研究基于液相反應(yīng)自組裝制備透明柔性功能陶瓷薄膜及其生長機理的研究國家自然科學(xué)基金第24頁/共66頁第二十四頁，共67頁。界界面面第25頁/共66頁第二十五頁，共67頁。 當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象(xinxing)和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象(xinxing)均稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會導(dǎo)致納米粒子磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著不同 Kubo采用一電子模型求得金屬納米晶粒的能

17、級間距為：NEf34式中：Ef為費米勢能，N為粒子中的總電子數(shù)。小尺寸效應(yīng)第26頁/共66頁第二十六頁，共67頁。 比如，當(dāng)尺寸減小到數(shù)個至數(shù)十個納米時，原來是良導(dǎo)體的金屬會變成絕緣體，原為典型共價鍵無極性的絕緣體其電阻大大下降(xijing)甚至成為導(dǎo)體，原為型的半導(dǎo)體可能變?yōu)樾汀?第27頁/共66頁第二十七頁，共67頁。 在兩塊金屬（或半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）之間夾一層厚度約為的極薄絕緣層，構(gòu)成一個稱為“結(jié)”的元件。設(shè)電子開始處在左邊的金屬中，可認(rèn)為電子是自由(zyu)的，在金屬中的勢能為零。由于電子不易通過絕緣層，因此絕緣層就像一個勢的壁壘(勢壘)。勢場方程 這種在粒子總能量低于勢壘的情況下，粒

18、子能穿過勢壁甚至穿透一定寬度的勢壘而逃逸出來的現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)。第28頁/共66頁第二十八頁，共67頁。l 在表面，原子周期性中斷，產(chǎn)生的表面能級、表面態(tài)數(shù)目與表面原子數(shù)有同一量級，對于半導(dǎo)體等載流子少的物質(zhì)將產(chǎn)生較大影響； l在蒸鍍法中，各種元素的蒸氣壓不同，濺射過程中各元素濺射速率不同，所以一般較難精確控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化學(xué)計量比的成分。一些對成分要求較嚴(yán)格的應(yīng)用中，例如，化合物半導(dǎo)體用于制備薄膜晶體管就會受到限制。l同時，由沉積生長過程所決定，薄膜內(nèi)一般存在大量的缺陷，如位錯、空位等，其密度常與大變形冷加工的金屬中的缺陷密度相當(dāng)，基片的溫度越低，沉積的薄膜中缺陷密度

19、越大，其中用離子鍍和濺射方法制備的薄膜缺陷密度最大。l在薄膜沉積過程中的工作氣體也常常混入(hn r)薄膜。很多薄膜材料都不宜進行高溫?zé)崽幚?，所以缺陷不易消除。這些缺陷對材料的電學(xué)、磁學(xué)等很多性能都有影響，例如點缺陷、位錯等會使電阻增大，制備的合金薄膜的磁性遠低于塊體材料。l薄膜材料一般都沉積在不同材料的基片，由于熱膨脹系數(shù)不同，沉積后冷卻過程容易發(fā)生剝離。第29頁/共66頁第二十九頁，共67頁。 可采用分子束外延（MBE）方法制備具有原子尺度周期性的所謂超晶格結(jié)構(gòu)的多層膜。 例如用這種機理，已制成GaAs-AlGaAs超晶格高電子(dinz)遷移率晶體管（HEMT）和多量子阱（MQW）型激光

20、二極管等。 超晶格材料是兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米超晶格材料是兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴(yán)格周期性的多層膜。的薄層交替生長并保持嚴(yán)格周期性的多層膜。特定形式的層狀精細復(fù)合材料。特定形式的層狀精細復(fù)合材料。第30頁/共66頁第三十頁，共67頁。超晶格超晶格(jn )的定義的定義 兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎愋筒煌臉O薄的薄膜交替地兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎愋筒煌臉O薄的薄膜交替地疊合在一起而形成的多周期結(jié)構(gòu)。這種周期結(jié)構(gòu)的勢阱區(qū)厚度小于疊合在一起而形成的多周期結(jié)構(gòu)。這種周期結(jié)構(gòu)的勢阱區(qū)厚度小于電子平均自由程，勢壘區(qū)足夠窄，以致相鄰勢阱中的電子波函數(shù)能電子

21、平均自由程，勢壘區(qū)足夠窄，以致相鄰勢阱中的電子波函數(shù)能夠互相耦合。夠互相耦合。 按其所含的組分?jǐn)?shù)目按其所含的組分?jǐn)?shù)目(shm)可以分為只含一種組分的摻雜超可以分為只含一種組分的摻雜超晶格；含兩種組分的組分超晶格和含有兩種以上組分的復(fù)型超晶格。晶格；含兩種組分的組分超晶格和含有兩種以上組分的復(fù)型超晶格。根據(jù)組分材料之間的晶格匹配情況可分為晶格匹配的超晶格和失配根據(jù)組分材料之間的晶格匹配情況可分為晶格匹配的超晶格和失配的應(yīng)變層超晶格。此外還有所謂短周期超晶格和一維、零維超晶體，的應(yīng)變層超晶格。此外還有所謂短周期超晶格和一維、零維超晶體，以及由不同特征的超晶格組合在一起的，具有更為復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的以及

22、由不同特征的超晶格組合在一起的，具有更為復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的混合型超晶格?；旌闲统Ц瘛?耦合就是指兩個實體相互依賴于對方的一個量度。 第31頁/共66頁第三十一頁，共67頁。6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第32頁/共66頁第三十二頁，共67頁。1.薄膜所用原料少，容易(rngy)大面積化，而且可以曲面加工。 例：金箔、飾品、太陽能電池，GaN，SiC，Diamond6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第33頁/共66頁第三十三頁，共67頁。6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)2.新的效應(yīng)(xioyng) 某一維度很小、比表面積大 例：極化效應(yīng)(xioyng)、表面和界面效應(yīng)(xi

23、oyng)、限域效應(yīng)(xioyng)、耦合效應(yīng)(xioyng)第34頁/共66頁第三十四頁，共67頁。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頁/共66頁第三十五頁，共67頁。photoluminescence spectra of a series of GaN/AlxGa1-xN double heterostructures (DHs) 可以通過改變薄可以通過改變薄膜的厚度膜的厚度(hud)或者外加偏壓來或者外加偏壓來調(diào)節(jié)發(fā)光的波長調(diào)節(jié)發(fā)光的波長6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第36頁/共66頁第三十六頁，共67頁。改變?nèi)毕?quxin)能級上的電子分布影響光電過程()/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)效應(yīng)：表面態(tài)和界面(jimin)態(tài)第37頁/共66頁第三十七頁，共67頁。表面(biomin)和界面效應(yīng)：表面(biomin)態(tài)和界面態(tài)導(dǎo)帶表面能級價帶晶體外晶體內(nèi)距離晶體表面晶體表面(biomin)的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶費米(fi m)能級施主能級電子n型半導(dǎo)體的表面能級型半導(dǎo)體的表面能級第38頁/共66頁第三十八頁，共67頁。半導(dǎo)體異質(zhì)界面(jimin)二維電子氣第39頁/共66頁第三十九頁，共67頁。量子(lingz)霍爾效應(yīng)第40頁/共66頁第四十頁，共67頁。限域

26、效應(yīng)(xioyng)dYxz22220()2xykkEE nm出現(xiàn)亞能帶，d較小時(xiosh)產(chǎn)生能隙第41頁/共66頁第四十一頁，共67頁。退火通過退火(tu hu)控制帶隙第42頁/共66頁第四十二頁，共67頁。222)(hmED二維體系中的電子(dinz)態(tài)密度32/12/3328)(hEmED第43頁/共66頁第四十三頁，共67頁。Tc (black solid dots) and the density of states (red stars) as a function of Pb film thickness第44頁/共66頁第四十四頁，共67頁。耦合效應(yīng)耦合效應(yīng)(xioyn

27、g)ZnO層厚度(hud)分別為(a) 0.75 nm, (b) 1.25 nm, (c) 2.0 nm, (d) 2.5 nm MgO/ZnO 多層膜。第45頁/共66頁第四十五頁，共67頁。MgxZn1-xO: 體相中Mg的平衡固溶度(rn d)為0.04, PLD法生長的薄膜中，x可01。a-Si1-xNx:H3.可以可以(ky)獲得常態(tài)下不存在的非平衡和非化學(xué)計量比結(jié)構(gòu)獲得常態(tài)下不存在的非平衡和非化學(xué)計量比結(jié)構(gòu)Diamond: 工業(yè)合成工業(yè)合成(hchng), 2000，萬大氣壓，萬大氣壓, CVD生長薄膜生長薄膜:常壓，常壓，800 第46頁/共66頁第四十六頁，共67頁。4.容易(

28、rngy)實現(xiàn)多層膜功能薄膜：太陽能電池(dinch) 超晶格：GaAlAs/GaAs第47頁/共66頁第四十七頁，共67頁。靜電力: s為界面上出現(xiàn)的電荷密度， e0為真空(zhnkng)中的介電常數(shù)。互擴散(kusn)考慮(kol)表面能浸潤5.薄膜和基片的粘附性范德瓦耳斯力：r為分子間距，a為分子的極化率，I為分子的離化能第48頁/共66頁第四十八頁，共67頁。6.薄膜的內(nèi)應(yīng)力晶格晶格(jn )常數(shù)失配，熱膨脹系數(shù)失配常數(shù)失配，熱膨脹系數(shù)失配 壓應(yīng)力、張應(yīng)壓應(yīng)力、張應(yīng)力力本征應(yīng)力: 由于薄膜中缺陷的存在(cnzi)非本征應(yīng)力：由于和薄膜的附著22dUEs應(yīng)變(yngbin)能：厚度d，彈

29、性模量E，內(nèi)應(yīng)力s可以估算膜厚 SiC/Si第49頁/共66頁第四十九頁，共67頁。7.通常存在(cnzi)大量的缺陷Chemical Vapor Deposition (CVD)Molecular beam epitaxy (MBE)，Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)濺射、蒸發(fā)、微波(wib)、熱絲、sol-gel、電沉積基板溫度越低，點缺陷和空位(kn wi)密度越大成核取向不一樣第50頁/共66頁第五十頁，共67頁。第51頁/共66頁第五十一頁，共67頁。（1）半導(dǎo)體器件與集成電路中的導(dǎo)電材料與 介質(zhì)(jizh)薄膜材料Al,

30、Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2,Si3N4，Al2O3（2）超導(dǎo)薄膜 YBaCuO，BiSrCaCuO， TlBaCuO等高溫超導(dǎo)材料（3）光電子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜電學(xué)薄膜第52頁/共66頁第五十二頁，共67頁。（4）薄膜傳感器 可燃性氣體傳感器SnO2， 氧敏傳感器ZrO2, 熱敏傳感器Pt, Ni, SiC, 離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜電阻、電容、阻容網(wǎng)絡(luò)(wnglu)與混合集成 電路，低電阻率：Ni-Cr， 高電阻率:Cr-SiO

31、, 薄膜電容：Zn，Al（6）薄膜太陽能電池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe電學(xué)薄膜第53頁/共66頁第五十三頁，共67頁。（7）平板顯示器件： 液晶顯示、等離子體(dnglzt)顯示、電致發(fā)光顯 示ITO透明電極，ZnS:Mn發(fā)光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件（9）磁記錄薄膜與薄膜磁頭，CoCrTa、 CoCrNi，F(xiàn)eSiAl、巨磁阻材料（10）靜電復(fù)印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si電學(xué)薄膜第54頁/共66頁第五十四頁，共67頁。（1）減反射膜：相機、攝像機、投影儀、望遠鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 紅外設(shè)備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO（2

32、）反射膜：太陽能接收器、鍍膜反射鏡、激光器用的高反射率膜（3）分光鏡和濾波片：如彩色擴印設(shè)備上（4）鍍膜玻璃：建筑、汽車隔熱（5）光存儲薄膜：光盤、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光學(xué)元件(yunjin)與光波導(dǎo)中的介質(zhì)與半導(dǎo)體薄膜光學(xué)薄膜第55頁/共66頁第五十五頁，共67頁。（1）硬質(zhì)膜，刀具(doj)、磨具表面的TiN，TiC， 金剛石、C3N4，c-BN（2）耐腐蝕膜，非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗 熱腐蝕的NiCrAlY等（3）潤滑膜 MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni， Au，Ag，Pb保護膜第56頁/共66頁第五十六頁，共67頁。（1）新型半導(dǎo)體薄膜：GaN

33、，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改進工藝，降低成本，研究新的應(yīng)用(yngyng)（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）納米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）無機光電薄膜材料：III-V，II-V6.5 薄膜材料(cilio)研究現(xiàn)狀I(lǐng)IIA: B, Al, Ga, In, TlIVA: C, Si, Ge, Sn, PbVA: N, P, As, Sb, BiIIB: Zn, Cd第57頁/共66頁第五十七頁，共67頁。（6）Spintronics薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（

34、7）有機薄膜微電和光電材料（）有機薄膜微電和光電材料（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）高溫超導(dǎo)和巨磁阻）高溫超導(dǎo)和巨磁阻1.4 薄膜材料(cilio)研究現(xiàn)狀Spin Transport Electronics OrganicLight-Emitting Diode 自旋(z xun)電子學(xué) 第58頁/共66頁第五十八頁，共67頁。1.4 薄膜材料研究(ynji)現(xiàn)狀自旋(z xun)電子學(xué) 由于二氧化

35、硅（SiO2）具有易制Manufacturability，且能減少厚度以持續(xù)改善晶體管效能,當(dāng)英特爾導(dǎo)入65納米制造工藝時，雖已全力將二氧化硅閘極電介質(zhì)厚度降低至納米，相當(dāng)于5層原子，但由于晶體管縮至原子大小的尺寸時，耗電和散熱亦會同時增加，產(chǎn)生電流(dinli)浪費和不必要的熱能，因此若繼續(xù)采用目前材料，進一步減少厚度，閘極電介質(zhì)的漏電情況勢將會明顯攀升，令縮小晶體管技術(shù)遭遇極限。 為解決此關(guān)鍵問題，英特爾正規(guī)劃改用較厚的High-K材料(鉿hafnium元素為基礎(chǔ)的物質(zhì)）作為閘極電介質(zhì)，取代沿用至今已超過40年的二氧化硅，此舉也成功使漏電量降低10倍以上。第59頁/共66頁第五十九頁，共6

36、7頁。6.6 透明透明(tumng)導(dǎo)電氧化物薄膜導(dǎo)電氧化物薄膜 TCO包括包括In、Sb、Zn和和Cd的氧化物及其復(fù)合多元的氧化物及其復(fù)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透明導(dǎo)電薄膜;1950年 前后(qinhu)出現(xiàn)了SnO2基和In2O3基薄膜。1980年 ZnO基薄膜 目 前 研 究 較 多 的 是 I TO （ I n 2 O 3 : S n ） 、 ATO（SnO2:Sb）和AZO(ZnO:Al)。 開發(fā)了Zn2SnO4、In4Sn3O12、MgIn2O4、CdI

37、n2O4等多元透明氧化物薄膜材料。第60頁/共66頁第六十頁，共67頁。TCO薄膜 （1）對可見光（=380780nm）的光透射率高；（2）電導(dǎo)率高。 可見光的平均透過率可見光的平均透過率Tavg 80%，電阻率在，電阻率在10-3cm以下以下(yxi)的薄膜才能成為透明導(dǎo)電膜。的薄膜才能成為透明導(dǎo)電膜。 透明(tumng)就意味著材料的能帶隙寬度大（Eg3eV）而自由電子少；另一方面，電導(dǎo)率高的材料又往往自由電子多而不透明(tumng)。 SnO2 基薄膜基薄膜 ZnO 基薄膜基薄膜 In2O3 基薄膜基薄膜第61頁/共66頁第六十一頁，共67頁。SnO2 基薄膜基薄膜 SnO2 ( Tin

38、 oxide ,簡稱簡稱TO) 是一種是一種(y zhn)寬寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度Eg = 3. 6eV，n 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體。本征體。本征SnO2 薄膜導(dǎo)電性很差，因而得到廣泛應(yīng)用的薄膜導(dǎo)電性很差，因而得到廣泛應(yīng)用的是摻雜的是摻雜的SnO2 薄膜。對于薄膜。對于SnO2 來說，五價元素來說，五價元素(如如Sb、As 或或F 元素元素) 的摻雜均能在其禁帶中形成淺施主的摻雜均能在其禁帶中形成淺施主能級，從而大大改善薄膜的導(dǎo)電性能。目前研究最多、能級，從而大大改善薄膜的導(dǎo)電性能。目前研究最多、應(yīng)用最廣的是摻氟二氧化錫應(yīng)用最廣的是摻氟二氧化錫(SnO2：F) 薄膜和摻

39、銻二薄膜和摻銻二氧化錫氧化錫( SnO2 ：Sb ,簡稱簡稱ATO) 薄膜。薄膜。第62頁/共66頁第六十二頁，共67頁。ITO薄膜材料薄膜材料(cilio) 錫摻雜的錫摻雜的In2O3 (tin-doped indium oxide ,簡稱簡稱ITO) 薄膜具有透明性薄膜具有透明性好、電阻率低、易蝕刻和易低溫制備等優(yōu)點，一直是平板顯示器領(lǐng)域中好、電阻率低、易蝕刻和易低溫制備等優(yōu)點，一直是平板顯示器領(lǐng)域中使用的使用的TCO 薄膜的首選材料。薄膜的首選材料。 ITO 薄膜具有復(fù)雜的立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，由于在薄膜具有復(fù)雜的立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，由于在In2O3 形成過程中沒形成過程中沒有構(gòu)成完整的理想有構(gòu)成

40、完整的理想(lxing)化學(xué)配比結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中缺少氧原子化學(xué)配比結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中缺少氧原子(氧空氧空位位) ，因此存在過剩的自由電子，表現(xiàn)出一定的電子導(dǎo)電性。，因此存在過剩的自由電子，表現(xiàn)出一定的電子導(dǎo)電性。 同時，如果利用高價的陽離子如同時，如果利用高價的陽離子如Sn 摻雜在摻雜在In2O3 晶格中代替晶格中代替In3+ 的的位置，則會增加自由導(dǎo)電電子的濃度，進而提高位置，則會增加自由導(dǎo)電電子的濃度，進而提高In2O3 的導(dǎo)電性。在的導(dǎo)電性。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 價價, Sn4+ 的存在將提供的存在將提供1 個電子到導(dǎo)帶個電子到導(dǎo)帶,相反相反Sn2+ 的存在將降