功能材料学教案--第17章 功能薄膜技术.doc

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功能材料学教案--第17章 功能薄膜技术

第17章 功能薄膜材料及其制备方法 这一章,我们来学习一种重要的功能材料——功能薄膜材料及其制备方法(板书)。 大家知道,薄膜材料一般是指物体的三维尺度中有一个很小(基本上在微米甚至纳米量级),而另外两个比较大的材料,它是材料的一种特殊形式。而功能薄膜材料则是指那些在电、磁、光、热等方面具有某些特定性能的薄膜材料,如导电薄膜、光学薄膜、磁性薄膜等。与块体材料相比,薄膜材料,尤其是功能薄膜材料,在结构和性能上具有很多独特之处,能够实现块体材料无法实现的一些功能。因此,薄膜材料在高科技领域具有十分重要的地位。 从20世纪70年代以来,薄膜材料和薄膜技术得到了突飞猛进的发展,无论在学术研究上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。各种具有新结构、新功能的薄膜材料的应用,对国民经济的发展起到了巨大的推动作用。在这一章中,我们将要介绍一些重要功能薄膜材料。 由于薄膜材料的结构和性能与其制备方法具有十分密切的关系,因而,要学习薄膜材料,就要对薄膜的制备技术有一定的了解。下面,我们首先介绍几种重要的薄膜制备方法。 17.1 薄膜制备方法 目前,薄膜的制备方法很多,从大的方面来讲,就有气相法、液相法、离子注入法、氧化法等几类。下面,我们着重介绍三种最重要的薄膜制备技术,即真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜,他们都属于气相沉积法。 17.1.1 真空蒸发镀膜 1. 真空蒸镀的概念 把待镀的基体置于高真空室内,通过加热使镀膜材料气化蒸发成为气态粒子,气态粒子移向基体并在基体表面沉积而形成薄膜。通常我们把这一工艺过程称为真空蒸发镀膜,也简称真空蒸镀或蒸镀。(高真空、加热蒸发、沉积) 在真空蒸镀的这个概念中,大家要注意两点:第一点是蒸镀要在较高的真空环境下进行,真空度通常在10-3Pa以上。在真空环境中进行蒸发镀膜,可以防止膜的氧化和污染,得到洁净、致密的薄膜;第二点是真空蒸镀中的气态粒子是通过加热镀膜材料,使其气化蒸发而获得的。这一点有别于我们后面要讲到的溅射镀膜。 2. 真空蒸镀的工作过程(画示意图) 采用真空蒸镀方式形成薄膜,要经历以下几个连续的物理过程: (1)镀膜材料蒸发成气态粒子(加热蒸发)。用各种方式加热镀膜物料,使之气化蒸发成为具有一定能量的气态粒子(能量:0.1~0.3eV;形态:原子、分子或原子团); (2)气态粒子输送到基体表面(粒子输送)。有一定能量和速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行方式输运到基体表面;(无碰撞直线飞行) (3)气态粒子在基体表面凝聚、沉积(凝聚沉积)。到达基体的气态粒子在基体表面上凝聚、形核、生长,形成固相薄膜;(形核与长大,临界温度) (4)薄膜原子重排(原子重排)。构成薄膜的原子通过表面迁移方式重新排列或产生新的化学键合。(表面扩散) 3. 真空蒸镀设备 真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和抽真空系统两大部分组成,如图1所示。 (1)真空镀膜室 真空镀膜室通常用不锈钢或玻璃制成。镀膜室内装有基体架、蒸发源以及真空、温度的测量传感器等。基体架用来安放工件;蒸发源用来加热镀膜材料并使其气化蒸发。目前,蒸镀所用的蒸发源有电阻加热、电子束加热和激光加热等不同形式。 (2)抽真空系统 抽真空系统主要由扩散泵、机械泵以及真空阀等组成二级或三级抽真空系统。 图1 真空蒸镀系统 1.钟罩;2.针阀;3.高真空阀;4.冷阱;5.扩散泵;6.磁力充气阀;7.增压泵 4. 真空蒸镀的特点 虽然真空蒸镀出现较早,但它仍是当今一种非常重要的镀膜技术,在各行业中都有广泛的应用。真空蒸镀技术有许多优点,如:①设备简单,操作方便,工艺容易掌握;②能沉积非常纯净的薄膜;③可制备某些具有特定结构和性质的薄膜等。 真空蒸镀的主要缺点是:①薄膜不够致密,成膜质量一般;②蒸镀粒子的能量较低,导致薄膜与基体的结合强度不高。 随着生产的发展,人们对薄膜的性能提出了更高的要求, 20世纪60年代以后,相继发展兴起了溅射镀膜技术和离子镀膜技术。 17.1.2 溅射镀膜 1. 溅射镀膜的概念 用高能粒子轰击固体表面,把固体表面的原子被击出的现象称为溅射。把利用溅射出来的原子沉积在基体表面上形成薄膜的过程称为溅射镀膜。 溅射现象最早发现于1852年。从1870年开始,人们就把溅射应用于薄膜制备。在长期的生产实践中,溅射技术不断发展。人们研究开发了一系列溅射镀膜技术。由于溅射镀膜能沉积出高质量的薄膜,从20世纪70年代起,它就成为一种重要的薄膜制备技术。 2. 溅射镀膜的特点 (1)镀膜质量高; 溅射镀膜能沉积各种不同结构和性能的高质量薄膜,这是溅射镀膜能成为一种主流薄膜制备技术的重要原因。 (2)膜/基结合强度较高; 真空蒸镀时,从蒸发源飞出的粒子能量一般不超过1ev。但在溅射镀膜时,溅射出来的粒子能量可达几十个电子伏特,比蒸镀粒子的能量要高出近两个数量

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