材料化学 chapter6-薄膜材料.ppt

薄膜材料的特殊性 同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。 由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。 在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能也影响较大。 在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。 6.4 薄膜材料的研究方法 也称 薄膜材料的表征方法 薄膜材料在应用之前，对其进行表征是很重要的，一般包括薄膜厚度的测量、薄膜形貌和结构的表征、薄膜的成分分析，这些测量分析结果也正是薄膜制备与使用过程中普遍关心的问题。 6.4.1 薄膜厚度的测量 薄膜的厚度是一个重要的参数。 厚度有三种概念： 几何厚度、光学厚度和质量厚度 几何厚度指膜层的物理厚度。 薄膜厚度测量方法 6.4.2 薄膜结构的表征 薄膜的性能取决于薄膜的结构，因而对薄膜结构尤其是微观结构的表征有着非常重要的意义。 对结构的表征可以选择不同的研究手段，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜以及X射线衍射技术等。 一、扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是目前薄膜材料结构研究最直接的手段之一，主要因为这种方法既像光学金相显微镜那样可以提供清晰直观的形貌图像，同时又具有分辨率高、观察景深长、可以采用不同的图像信息形式、可以给出定量或半定量的表面成分分析结果等一系列优点。 二、X射线衍射方法 X射线衍射（XRD）是一种非破坏性的测定晶体结构的有效手段。 通过衍射方法测定晶体的结构，能够详细了解晶体的对称性、晶体内部三维空间中原子排布情况、晶体中分子的结构式、立体构型、键长、键角等数据。 另外，X射线衍射法还可以定性和定量测量晶体物质的成分，并且说明样品中各种元素的存在状态以及晶粒的尺寸。X射线光束与物质相互作用时，除了可能被吸收外，还可能受到散射。 三、 低能电子衍射和反射式高能电子衍射 具有确定能量的电子束也可以被晶体点阵的周期势场所衍射。随着薄膜外延技术的发展，需发展一种对薄膜表面结构敏感的结构表征方法。 低能及高能电子衍射方法正是在这样一种背景下发展起来的。 低能电子衍射（LEED）及反射式高能电子衍射（RHEED）方法的示意图 采取两种方法对薄膜的表面进行研究 第一种方法是采用波长较长的电子束，对应的电子束入射角和衍射角均比较大。由于这时的电子能量较低，因而电子束对样品表面的穿透深度很小。 第二种方法是采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束，对应的电子入射角和衍射角均较小，因而穿透深度也只限于薄膜的表层。 这两种方法分别对应了低能及高能电子的衍射方法。 四、 红外光谱分析 红外光谱（IR）又称为分子振动转动光谱，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系的曲线，就得到了红外光谱。 红外光谱法不仅能进行定性和定量分析，而且从分子的特征吸收峰可以鉴定化合物和分子的结构。 五、 原子力显微镜分析 将扫描隧道显微镜（STM）的工作原理和针式轮廓曲线仪原理结合起来，制成了原子力显微（AFM）。 AFM尖端固定一金刚石或氮化硅针，针尖上的原子与样品表面上的原子之间有静电力、vander Waals力等相互作用力。作用力的大小与它们之间的距离有某种反比例关系。当其尖端上的原子受到样品表面上的原子作用时，针尖就与样品的距离发生改变，隧道电流也发生改变，从而测定原子间的作用力。 用AFM可以研究绝缘体、半导体和导体表面原子尺寸的微观结构。 6.4.3 薄膜成分的分析 薄膜的表面及内部一定深度的成分及其分布可以采用各种方法加以分析。 下表列出了一些常用的薄膜成分分析方法的适用元素范围、检测极限、空间分辨率、检测深度等。 其中的多数方法都是基于原子在受到激发以后内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转换过程的原理。 各种薄膜成分分析方法的特点 6.3 各种功能膜简介 6.3.3 铁电薄膜— 制备方法及材料举例 溶胶-凝胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀法等 已制成的晶态薄膜材料：铌酸锂、铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等，以及大量的铁电陶瓷薄膜。 6.3 各种功能膜简介 6.3.4 高Tc超导薄膜— 材料举例 由于高Tc超导薄膜是超导薄膜电子器件的基础，目前较成熟的制