第六部分功能薄膜及其制备方法.pptVIP

功能薄膜及其制备方法 采用某种工艺，在一定的基体表面上形成厚度在1000nm以内材料，称为薄膜。功能薄膜之所以成为研究的热点，并且具有广阔的应用前景，是与薄膜材料的以下特点密切相关：(1) 许多情况下，材料功能的发挥和作用发生在材料的表面。例如化学催化作用、光学反射、场致发射、热电子逸出等等物理化学现象。使用功能薄膜材料比使用体块功能材料不仅保护资源而且减低成本。(2) 薄膜材料往往具有一些其块体材料所不具备的性能。这是因为薄膜材料容易形成细晶、非晶状态；薄膜材料容易处于亚稳态；薄膜往往偏离化学计量比；特殊的材料表面能态等等。对每一类甚至每一种功能薄膜的研究状况作出全面完整的评述是困难的。目前实际应用和潜在应用前景良好的几类功能薄膜材料如下。 超导材料 3 超导材料 1.1 超导薄膜 1986 年以前，超导材料的最高临界温度只有23.2 K。1986 年IBM 公司苏黎世实验室的Bednorz和Muller报导发现无机化合物La2-xBaxCuO4-δ在30 K 下发生超导转变，接着在世界各地很快发现YBa2Cu3O7-δ系列的超导转变温度可高达90 K，于是引发世界范围的高温超导（HTS）体研究热潮。很快这一研究热潮扩大到了高温超导薄膜，成为电子材料研究领域中的一个热门课题。 至今，已发现了大量的銅酸盐高温超导相化合物薄膜，它们的超导临界转变温度（Tc）从18 K～135 K 变化，制成了许多的外延膜。从国内外研究所涉及的超导薄膜种类来看，研究的比较多的还仍然是钇钡銅氧及其系列的超导薄膜，也就是在YCBO 的基础上添加其他微量元素，这些添加元素大部分为钄系元素，如镨（Pr）、鉕（Pm）、钐（Sm）、镝（Dy）、钬（Ho）等，形成形如Y1－xHoxBa2Cu3O7－δ一类超导薄膜。这样做的原因是稀土元素具有与钇不同的外层电子结构和离子半径，它们部分甚至全部替代钇时，可能会引起原子尺度上变化和氧化物超导体的电子结构的变化，以提高其性能指标。 在研究和探索上述新型的超导薄膜时，追求的性能目标不同：有些是提高临界超导温度（Tc）和临界电流密度（Jc）；有些则是提高对磁场的相应灵敏度，或频率宽度等；以便为高温超导薄膜在微电子学领域的应用奠定基础。高温超导(HTS)薄膜生长技术：HTS 薄膜的制备包括采用原位生长技术，即材料在沉积过程中就能生成所需的晶相，以及非原位技术。在这种情况下，材料在沉积中或者呈现非晶态，或者是多晶相的聚合体，并在后续的退火过程中形成所需的HTS 相。 HTS 薄膜的潜在应用很广，包括射频（RF）和微波通讯用的高频电子学、极弱磁场探测用的超导量子干涉器件（SQUID）以及用于高效输电和用电系统中的超导电线。 1.2 磁性薄膜 信息的记录、处理、存储传递越来越受到重视，磁性薄膜主要是用作磁记录材料。磁记录材料发展至今，虽然已有近百年的历史，它仍然被广泛地用于录音、录像技术，计算机中的数据存储、处理，科学研究的各个领域，军事及日常生活中。随着科学技术的发展，对磁记录密度的要求越来越高。作为磁记录材料一般有以下性能要求：①剩余磁感应强度Br 高；②矫顽力Hc 适当的高；③磁滞回线接近矩形，Hc 附近的磁导率尽量高；④磁层均匀；⑤磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态；⑥磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；⑦基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应。磁记录材料分颗粒（磁粉）涂布型介质和连续薄膜型磁记录介质两种。 由于连续薄膜型介质容易做到薄，均匀，不易氧化，同时又无须采用粘结剂等非磁性物质，所以剩余磁感应强度及矫顽力比颗粒涂布型介质高得多，是磁记录介质发展得方向。制备连续薄膜型磁记录介质的方法有两种：湿法和干法。湿法也称化学法，主要包括电镀和化学镀；干法也称为物理法，溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法等为了提高磁记录密度，往往采用纳米尺度的多层结构的薄膜材料，例如CoCrPt（10nm）/Cr(5nm)/ CoCrPt（10nm）材料，加入中间的Cr 层目的是使两层CoCrPt 磁膜间产生磁退耦合作用，矫顽力Hc 高达295 kA/m，晶粒非常小； 目前，巨磁阻薄膜是新的研究趋势中具有代表性的一类薄膜。磁电阻（magnetoresistance, MR）效应是指由外磁场改变而引起物质电阻发生变化的现象。对于大部分金属，MR 仅为10－5 量级，软磁坡莫合金(Ni80Fe20)的MR 为1％～5％。1988 年Baibich 等[32]在用分子束外延法制备的（001）Fe/(100)Cr 超晶格多层薄膜中发现其磁电阻变化达50％，被称为巨磁阻 (giant magnetoresistance，GMR) 效应。 现已在多层薄膜、颗粒薄膜、非连续多层薄膜、氧化物陶瓷等多种结构中观察到GMR。衡量和评价材料GMR