F5性質第二部分薄膜物理與技術第四章課件

著重介紹有關薄膜的普遍特性的研究方法§1.薄膜的力學性質

主要有：附著、應力、硬度、彈性模量和摩擦系數(shù)等著重學習：附著、應力、硬度一、薄膜的附著

?定義：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一種現(xiàn)象。?重要性：很大程度上決定了薄膜器件的穩(wěn)定性、可靠性和實用。

?附著的好壞主要取決于薄膜生長的初始階段。第二部分第4章薄膜的基本性質著重介紹有關薄膜的普遍特性的研究方法第二部分第4章薄膜的11、附著機理三種附著機理：

?范德華力,化學鍵力,薄膜——基片間靜電引力（1）范德華力：薄膜及襯底原子相互極化產生包括：定向力（0.2eV）：永久偶極子之間的相互作用力誘導力（0.02eV）：永久偶極子與感應偶極子間的相互作用力色散力（0.4eV）：電子繞原子核運動時所生的瞬時偶極矩相互作用力特點：?與靜電引力相比，范德華力是短程力?與化學鍵相比，范德華力是長程力1、附著機理2（2）化學鍵力：薄膜——基片之間形成化學鍵的結合力包括：離子鍵、共價鍵、金屬鍵化學鍵力的產生機制：價電子發(fā)生轉移，形成化學鍵?化學鍵力屬短程力?化學鍵能1.2~11eV（2）化學鍵力：薄膜——基片之間形成化學鍵的結合力3（3）薄膜——基片間的靜電引力?須在界面兩邊積累空間電荷，或擴散的原子帶有異號電荷才會有靜電引力?靜電引力形成的原因：薄膜和基片的費米能級不同，緊密接觸后發(fā)生電子轉移。（3）薄膜——基片間的靜電引力42、影響附著力的因素?膜料與基片的組合有些材料需對其活化，如離子轟擊以提高其表面能、襯底加溫或制備過渡層。?基片表面污染，導致表面化學鍵飽和，使附著差?基片溫度的影響溫度高——利于原子擴散，形成擴散附著和形成中間化合物溫度過高——晶粒變粗會影響附著?濺射或離子束輔助沉積的膜比蒸發(fā)沉積膜附著好2、影響附著力的因素53、提高附著力的方法（1）嚴格清洗基片（2）蒸鍍膜前真空中離子轟擊處理（3）適當提高基片溫度（4）制備中間過渡層（5）用濺射法（6）離子束轟擊薄膜4、薄膜附著力的測量方法?拉張法?膠帶剝離法?劃痕法?超聲波法3、提高附著力的方法6二、薄膜的內應力1、物理意義（定義）薄膜內部任一截面單位面積所受的另一側所施加的作用力稱應力.外應力——薄膜受外力作用而產生的應力內應力——薄膜本身的原因所引起的應力二、薄膜的內應力72、內應力相關的實驗現(xiàn)象（1）蒸發(fā)過程中自然升溫引起的熱應力可忽略（2）基片處室溫制膜后劇冷或加熱到某溫度以上；基片加溫制膜后冷卻，引起的應有時不能忽略（3）化合物薄膜的應力比金屬膜的應力小1~3數(shù)量級（4）小于500?，內應力大些，大于1000?后，應力較小（5）熱處理可減小內應力；但過高溫度，內應力可能回升（因為缺陷減少，體積減小，應力增加）2、內應力相關的實驗現(xiàn)象83、內應力產生的原因（1）薄膜和基片熱膨脹系數(shù)不同（2）結晶溫度以下的冷卻和熱收縮（3）相變過程（液→固；非晶→結晶）（4）薄膜——基片晶格失配（5）小島合并（6）雜質影響3、內應力產生的原因9三、薄膜的硬度1、定義薄膜材料相對于另一種物質的抗摩擦、抗刻劃、抗形變的能力。2、硬度的測量方法金剛石壓頭，加一定重量壓試樣，根據(jù)被測試樣上壓痕大小來判斷硬度。（壓頭形狀不同，所得結果不同）。（1）硬度的幾種名稱?維氏（Vickers）硬度（136度）?庫氏（Knoop）硬度（172.5度）?布氏（Brinell）硬度三、薄膜的硬度10§2薄膜的電學性質著重研究：?電阻率ρ、電導率σ的大小?薄膜成份對ρ、σ的影響?摻雜、雜質、缺陷的影響?環(huán)境溫度、熱處理的影響?電場的影響§2薄膜的電學性質11一、不連續(xù)薄膜的導電性質?不連續(xù)膜：孤立小島構成的薄膜1、三種典型研究實例——由ρ或σ與d、T、E的關系發(fā)現(xiàn)薄膜的某些電學現(xiàn)象（1）Rs-d關系：如圖：膜厚d=10~100?，Au膜Rs的變化一、不連續(xù)薄膜的導電性質12可見：?Rs隨膜厚增加而減?。?0?時達1013Ω）?70?時，Rs突然大降——表明由不連續(xù)成為連續(xù)膜進一步研究ρ~T關系知：?連續(xù)薄膜具金屬的溫度特性（T上升，ρ上升）?不連續(xù)薄膜具半導體溫度特性（T上升，ρ下降）可見：13（2）～關系：如圖：不同膜厚Pt膜電導率——溫度關系結果表明：?在250~300k范圍內，lnσ與有很好的線性關系?T高時，σ也高；膜越薄，T對σ的影響越大揭示：導電機理與熱激活有關～（2）～關系：～14（3）Ni膜σ~的關系如圖：不同T下，σ~的關系結果顯示：?室溫下，σ隨E變化不明顯?低溫下，有明顯變化?低溫下σ~關系是非線性的說明：導電具有肖特基效應以上研究方法也可用于半導體膜、功能材料薄膜研究（3）Ni膜σ~的關系152、不連續(xù)金屬膜的特點（1）ρ很大，且隨d變化顯著（2）ρ與T有關，溫度系數(shù)為負值（3）電場低時，呈歐姆性導電，電場高時，呈非歐姆性導電（4）高電場下，有電子發(fā)射或光發(fā)射現(xiàn)象2、不連續(xù)金屬膜的特點163、不連續(xù)膜的導電機理?由孤立小島構成，卻顯一定導電能力?導電能力與溫度有關暗示：不連續(xù)薄膜的電導論與熱激活有關3、不連續(xù)膜的導電機理17兩種理論解釋模型：（1）熱電子發(fā)射模型小島受熱后，電子動能的垂直分量大于金屬材料功函數(shù)時，電子脫離金屬表面發(fā)射到真空中，被另一小島俘獲，產生電導。熱電子發(fā)射產生的電導表達式如下；其中，h——普朗克常數(shù)；m——電子質量Φ——功函數(shù)；b——小島間距（?）K——玻爾茲曼常數(shù)；ε0——介電常數(shù)。兩種理論解釋模型：18（2）熱激活隧道效應模型?金屬小島間產生勢壘，電子能量低于勢壘高度，據(jù)量子力學的隧道效應，電子存在從一個中性小島躍遷到另一小島的幾率，而產生電導。?電子的移動使小島帶電，產生庫侖作用力，故與一般隧道效應不同，電導率與溫度有關?！挥袩峒せ畹碾娮硬拍芸朔斓淖饔昧Χ┻^隧道，此模型導出的公式：（2）熱激活隧道效應模型19其中，b為小島間距（?）Φ---隧道區(qū)域內功函數(shù)平均值A=B=M——電子質量S為小島間的有效間距熱能r為發(fā)射電子的小島的半徑其中，b為小島間距（?）20二、連續(xù)薄膜的電學性質?微觀結構比不連續(xù)膜致密得多?微觀缺陷比塊材多1、連續(xù)薄膜導電性質的特點（1）ρ與膜厚有關；溫度越低受膜厚影響越大（2）ρ隨膜厚增大而減小，并趨于穩(wěn)定值（3）薄膜的ρ大于塊材的（4）ρ與制備工藝有關2、原因?薄膜內缺陷濃度大大超過塊材的?表面散射效應二、連續(xù)薄膜的電學性質21§3薄膜的光學性質1、主要研究?透射率T，反射率R，吸收系數(shù)α，折射率n?光學帶隙Eg?光致發(fā)光性質（PL）?電致發(fā)光§3薄膜的光學性質222、薄膜光學性質的應用?透明導電膜（ITO、ZnO等）?減反射層（太陽電池）?紅外窗口材料?發(fā)光器件（紫外、蘭光、可見光）?單向可見玻璃?光學元件、波導元件等2、薄膜光學性質的應用233、光學性質的研究手段?UV——可見光分析測試儀（T,R→n,α,Eg）?橢偏儀（可變頻的）?PL參考文獻：A.Ohtomo,APL72(1998)246