(講義1)薄膜物理與技術(shù)

PhysicsandTechnologyofThinFilms薄膜物理與技術(shù)

10/3/20231

課程要求及主要內(nèi)容總學(xué)時(shí):60h其中：課堂教學(xué):50h；課程實(shí)驗(yàn):10h1、基礎(chǔ)知識(shí)2、薄膜制備技術(shù)3、薄膜形成與生長(zhǎng)4、薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷5、薄膜分析方法6、薄膜物理性質(zhì)7、特例及應(yīng)用8、超晶格與量子阱10/3/20232

本課程的地位（作用）及與其他課程（學(xué)科）關(guān)系地位：

*重要的專業(yè)基礎(chǔ)課（固態(tài)電子學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)、光學(xué)……）

*薄膜（化）是材料科學(xué)重要發(fā)展方向*在高科技領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域的重要性關(guān)系：*微電子（學(xué)）技術(shù)的基礎(chǔ)，——電子工業(yè)基礎(chǔ)，離開(kāi)了薄膜，談不上現(xiàn)代電子學(xué)的發(fā)展

*電子產(chǎn)品核心器件由各種薄膜制成*與材料、能源、信息等領(lǐng)域息息相關(guān)10/3/20233

薄膜物理與器件.肖定全、朱建國(guó)、朱基亮等，國(guó)防工業(yè)出版社(2011-05)半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理.葉志鎮(zhèn)、呂建國(guó)、呂斌，浙江大學(xué)出版社(2008-09)薄膜物理與技術(shù).楊邦朝、王文生，電子科技大學(xué)出版社(2006-09)薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用.唐偉忠，冶金工業(yè)出版社(2003-01)薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè).田民波、劉德令，機(jī)械工業(yè)出版社，(1991)Internet主要參考書(shū)10/3/20234

一些有用的資源10/3/20235

薄膜為什么受到重視？薄膜物理是物理學(xué)（特別是固體物理學(xué)）的重要分支，發(fā)展形成自己的體系（理論與實(shí)驗(yàn)）；薄膜材料具有廣泛的電、光、聲、熱、磁等應(yīng)用場(chǎng)合；

許多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要決定于其表層特性而不是整體特性電子元器件（微電子、光電子）是建立在發(fā)展于表面或表面近層的物理效應(yīng)基礎(chǔ)上的微電子器件、固體電子器件提高性能、小型化發(fā)展的關(guān)鍵是相關(guān)薄膜材料的制備和研究薄膜具有許多明顯不同于塊材料的特性：如晶體結(jié)構(gòu)多為非晶態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)等，這些特性稱為反常結(jié)構(gòu)與特性——為薄膜所特有（值得研究和利用），不僅是材料學(xué)研究的重要領(lǐng)域，也為發(fā)展新型功能材料開(kāi)辟了廣闊途徑（非平衡冶金、非晶態(tài)生長(zhǎng)、超微細(xì)結(jié)構(gòu)、納米材料…）；10/3/20236

薄膜材料是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)分支?，F(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，打破了過(guò)去體材料的一統(tǒng)天下，過(guò)去需要眾多材料組合才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在僅僅需要少數(shù)幾個(gè)器件或者一塊集成電路板就可以完成，而薄膜技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化最有效的技術(shù)手段；薄膜技術(shù)是器件微型化的關(guān)鍵技術(shù)，是制備新型功能器件的有效手段。器件的微小型化不僅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更強(qiáng)化，隨著器件的尺寸減小以至于接近電子或其他離子量子化運(yùn)動(dòng)的微觀尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許多全新的物理現(xiàn)象。薄膜材料可以發(fā)揮各組合材料的優(yōu)勢(shì)。薄膜技術(shù)作為材料制備的有效手段，可以將各種不同的材料靈活地組合在一起，構(gòu)成具有友誼特性的復(fù)雜材料體系，發(fā)揮每種材料各自的優(yōu)勢(shì)，避免單一材料的某種局限性。10/3/20237

薄膜科學(xué)包括：（1）薄膜制造技術(shù)——?dú)庀喑练e生長(zhǎng)法（PVD、CVD…）氧化生長(zhǎng)法Sol-gel法電鍍（電解）法…（2）薄膜的形成（生長(zhǎng)）——從氣相原子凝結(jié)→形成晶核→核長(zhǎng)大→網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（不連續(xù)性）→成膜（連續(xù)性）襯底作用？氣氛影響？表面與界面特性？結(jié)晶過(guò)程？膜的結(jié)構(gòu)？缺陷？擴(kuò)散？性質(zhì)？生長(zhǎng)條件？10/3/20238

（3）薄膜的檢測(cè)與控制——?

分析薄膜的結(jié)構(gòu)成分性質(zhì)（評(píng)價(jià)）

?控制：膜層厚度膜層成分決定性質(zhì)膜層結(jié)構(gòu)（4）薄膜的性質(zhì)——力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)…

（5）薄膜的應(yīng)用-----尤其在高新技術(shù)領(lǐng)域……10/3/20239

一、什么是薄膜？薄膜產(chǎn)生從祖國(guó)古代陶瓷制釉開(kāi)始已有一千多年我們的祖先創(chuàng)造了最早的薄膜制造技術(shù)——提拉法薄膜概述10/3/202310

但作為一門科學(xué)與技術(shù)，是在近30年信息時(shí)代到來(lái)之后信息顯示技術(shù)10/3/202311

信息存儲(chǔ)技術(shù)10/3/202312

計(jì)算機(jī)技術(shù)10/3/202313

日常生活10/3/202314

ZnO薄膜的掃描電鏡分析unannealedR600R80010/3/202315

定義薄膜是生長(zhǎng)在基片之上，厚度在亞微米以下，具有一定功能的材料。

1m基片電、磁、聲、光生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用基片：薄膜的承載體，如Si電極過(guò)渡層襯底：基片與電極、過(guò)渡層的總稱，如Si/Ti/Pt。10/3/202316

二、薄膜材料的特點(diǎn)薄膜材料屬于介觀范疇，具有量子尺寸效應(yīng)；薄膜表面積與體積之比很大，表面能級(jí)很大，對(duì)膜內(nèi)電子輸運(yùn)影響很大；薄膜界面態(tài)復(fù)雜，力學(xué)因素和電學(xué)因素交相作用，內(nèi)應(yīng)力和量子隧穿效應(yīng)同時(shí)存在，對(duì)薄膜生長(zhǎng)和微結(jié)構(gòu)影響巨大；異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性明顯；可實(shí)行多層膜復(fù)合，如超晶格。表面界面10/3/202317

三、薄膜的分類按功能和應(yīng)用領(lǐng)域分為：電學(xué)薄膜：導(dǎo)電、電阻、半導(dǎo)體、介電、壓電、鐵電、超導(dǎo)、光電、傳感、磁電、光能、電光光學(xué)薄膜：減反射、反射、分光濾光、光存儲(chǔ)工程薄膜：耐腐蝕、防磨損、熱傳導(dǎo)、潤(rùn)滑生物醫(yī)學(xué)薄膜：抗菌殺毒、生物活性裝飾包裝薄膜：金、仿金TiN、鋁箔10/3/202318

按照材料特性（按σ，ε，u）按電導(dǎo)率（σ）分有：金屬薄膜半導(dǎo)體薄膜絕緣體薄膜超導(dǎo)體薄膜光電薄膜

…按（ε）分有：介質(zhì)薄膜鐵電薄膜壓電薄膜熱電薄膜

按導(dǎo)磁率（u）分有：磁性薄膜非磁性薄膜10/3/202319

?超薄膜~10nm?二維納米薄膜<100nm?薄膜<10μm

?厚膜10~100μm?單晶薄膜?多晶薄膜?非晶薄膜/微晶?納米晶薄膜按薄膜厚度和晶體結(jié)構(gòu)10/3/202320

四、薄膜的歷史1000多年前，阿拉伯人發(fā)明了電鍍7世紀(jì)，溶液鍍銀工藝19世紀(jì)中，電解法、化學(xué)反應(yīng)法、真空蒸鍍法等20世紀(jì)以來(lái)，學(xué)術(shù)和實(shí)際應(yīng)用中取得豐碩成果，濺射法近年來(lái)，Sol-Gel法、激光閃蒸法……

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五、薄膜的應(yīng)用

已涉及幾乎所有的前沿科學(xué)，并推動(dòng)著這些學(xué)科的發(fā)展☆器件（如薄膜晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管）導(dǎo)線，絕緣層，電子元件，如透明導(dǎo)電膜☆傳感器：壓力，溫度，濕度，速度，氣體☆光電子器件：薄膜電致發(fā)光器件，代替CRT作顯示器☆信息及計(jì)算機(jī)：磁性薄膜，光盤，磁光盤?！罟鈱W(xué)：反射膜，增透膜☆機(jī)械工業(yè)：耐磨涂層，硬質(zhì)鍍層固體潤(rùn)滑膜，耐腐蝕裝飾、包裝，鍍金，錫箔紙，塑料薄膜上鍍鋁?！钐?yáng)能電池，超導(dǎo)薄膜，鈦電薄膜，金剛石薄膜…10/3/202322

近10年與薄膜相關(guān)的高科技領(lǐng)域超晶格（薄膜）高溫超導(dǎo)（薄膜）金剛石（薄膜）人工合成超薄薄膜（如單分子，LB膜）陶瓷薄膜（VLSI，DRAM，F(xiàn)eRAM，BaTiO3，SrTiO3生物芯片薄膜納米科學(xué)（傳統(tǒng)力學(xué)—量子力學(xué)描述納米材料行為）磁光記錄技術(shù)（納米磁性材料可使存儲(chǔ)密度提高到20Gbit/nm，磁光盤、磁記錄）其他10/3/202323

六、薄膜制備技術(shù)概述氣相法：氣相固相物理氣相法：蒸發(fā)、濺射、離子鍍..化學(xué)氣相法：金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積等液相法：溶膠—凝膠法、金屬有機(jī)物分解法液相固相氧化法離子注入法擴(kuò)散法New原子層沉積法10/3/202324

薄膜制備工藝技術(shù)物理氣相