纳米薄膜制备及性能教材分析.ppt

纳米薄膜 薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛，单质元素、化合物或复合物，无机材料或有机材料均可制作薄膜。 薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的或单晶态的。 近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都取得了很大进展。其中无机薄膜的开发和应用更是日新月异，十分引人注目。 薄膜技术目前还是一门发展中的边缘学科，其中不少问题还正在探讨之中。 薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光学性能、磁学性能、催化性能、超导性能等。 薄膜在工业上有着广泛的应用，而且在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了一个国家的科技水平。 薄膜的应用 薄膜在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用 光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等； 电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也有赖于薄膜技术来制造； 硬质保护膜可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强表面的耐磨程度； 在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用； 磁性薄膜具有记忆功能，在电子计算机中作存储记录介质而占有重要地位。 纳米薄膜分类 纳米薄膜分为三类： （1）由纳米粒子组成(或堆砌而成)的薄膜， （2）在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜就属于第二类纳米薄膜。 （3）薄膜厚度在纳米级，或有纳米级厚度的薄膜交替重叠形成的薄膜。 5.1薄膜材料的制备 气相法 1. 真空蒸发 法 (源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反应共蒸发) 2. 真空溅射法 磁控溅射，直流磁控测射（单靶(反应)溅射；多靶反应共溅射：射频磁控溅射[单靶(反应)溅射；多靶反应共溅射 3. 离子束溅射 4. 化学气相沉积， 金属有机物化学气相沉积(MOCVD) ,热解化学气相沉积(热解CVD),离子体增强化学气相沉积(PECVD),激光诱导化学气相沉积(LCVD),波等离子体化学气相沉积(MWCVD) 液相法 5. 溶胶-凝胶(sol-gel法 6. 电镀法，化学镀 7 LB膜 真空蒸发镀膜： 在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表面上。它的优点是沉积速度较高，蒸发源结构简单，易制作，造价低廉，但不能蒸发难熔金属和介质材料。最大的缺点就是材料的利用率极低（试料在篮状蒸发源中以　　立体角、在舟状蒸发源中以立体角四散开来） 真空溅射镀膜： 当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来，落在衬底上形成薄膜。溅射镀膜材料的利用率大大高于蒸发镀膜。 5.1.1气相法 纳米薄膜的获得主要通过两种途径： (1)在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，如采用共溅射方法制备Si／SiO2薄膜，在700—900℃的N2气氛下快速退火获得纳米Si颗粒； (2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制显得特别重要，在溅射工艺中，高的溅射气压、低的溅射功率下易于得到纳米结构的薄膜。 在CeO2-x、Cu/CeO2-x的研究中，在160W、20-30Pa的条件下能制备粒径为7nm的纳米微粒薄膜。 气相沉积的基本过程 (1)气相物质的产生 一种方法是使沉积物加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积物原子，称为溅射镀膜。 (2)气相物质的输运 气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片。在高真空度的情况下(真空度≤10-2Pa)，沉积物与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线到达基片，沉积速率较快；若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差。 (3)气相物质的沉积 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学反应形成化合物膜，称为反应镀。若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改变膜层结构与性能的沉积过程称离子镀。 PVD的物理原理 气相法薄膜形成的过程 薄膜的形成包括如下过程： (1)单体的吸附； (2)大小不同的各种小原子团(或称胚芽)的形成； (3)形成临界核(开始成核)； (4)由于捕获其周围的单体，临界核长大； (6)在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核； (6)稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛． 由于新岛所占面积小于结合前的两岛，所以