材科+第六章-单组元相图及纯晶体的凝固.pptVIP

部分单质材料的蒸气压曲线（高蒸汽压物质不适合作为蒸发材料）? 6.3.2 蒸发和凝聚的热力学条件 把金属气相近似认为理想气体，则有 在恒温（dT=0）时， 式中，Pe为饱和蒸气压，P为实际压强。 对于理想气体：PV=nRT 所以 积分得： ? 当PPe，△G0，蒸发过程可以进行； 当PPe， △G0，凝聚过程可进行。 由于蒸发源处的材料在高温加热时，材料的蒸气压很高，真空容器中的气压远小于该材料的蒸气压，因此满足蒸发条件。 当该材料的蒸发气体原子碰到低温的基片时，此时材料在基片上的蒸气压很低，真空容器中得气压远大于该材料的蒸气压，因此满足凝聚条件。 ? 真空蒸发成膜的物理过程： ① 蒸发材料被加热后，材料从固态成为气态。 ② 材料气化后的原子或分子从蒸发源向衬底的表面运动。 ③ 气化的原子或分子到达衬底表面后，在衬底表面凝聚成核。 ④ 源源不断到达的原子或分子使核长大和填充核与核之间的空隙而形成薄膜。 衬底 衬底加热器 加热器 蒸发物质 钟罩 蒸发面 真空室 排气系统 真空蒸发成膜原理 真空蒸发设备的主要部分及作用： 真空室：为蒸发过程提供必要的真空环境，确保薄膜的质量； 蒸发源：使膜材蒸发的加热部件 　三种蒸发源： ①电阻加热；②电子束加热；③激光加热。 衬底：接收蒸发物质形成薄膜 衬底加热器：加热衬底 薄膜制备技术 1.真空蒸发技术 真空蒸发技术是通过加热蒸发材料，使其原子或分子从表面蒸发出来形成蒸气流，继而沉积到有一定温度的衬底表面上凝结成薄膜的工艺。 6.3.3 气体分子的平均自由程 为了满足固体材料蒸发的条件，容器中的气压应低于材料蒸气压。容器中的气压设置还必须使蒸发材料形成的气体原子减少与容器内的残余空气分子的碰撞，因此容器中的压强需更低，或者说需要更高的真空度，该容器也就称为真空罩。 把真空罩中的气体分子视为理想气体，由统计物理可得气体分子的平均自由程L和气体压强P成反比，在室温时并可近似认为： 式中L单位为mm，P单位Pa。 在1Pa的气压下，气体平均自由程为L=6.5mm，在10-3Pa时，L=6500mm。为了使蒸发材料的原子在运动到基片的途中与真空罩内的残余气体分子的碰撞率小于10％，通常要求气体分子的平均自由程大于蒸发源到基片距离的10倍。 对于一般的蒸发镀膜设备，蒸发源到基片的距离小于650mm，因此真空罩内的气压通常要求10-2～10-5Pa，视对薄膜质量要求而定。需指出的是，以上真空罩的气压指的是蒸发镀膜前真空罩的起始气压，又称背底真空。 6.3.4 形核 材料在镀膜时，高温的蒸发原子飞向未加热的基片，由于原子接触基片后温度急剧降低，此时气体原子的蒸气压也随之快速下降，以致真空罩中的气压远高于蒸发材料此时的蒸气压，气体原子将凝聚。当气体原子凝聚到某晶粒临界尺寸，原子就可不断依附于其表面生长。 气相凝结的晶核，其临界尺寸可与液相凝固时同样的处理。当晶核为球形时： 式中 为表面能， 为单位体积自由能。 气相沉积的形核率也与凝固类似，它受形核功因子和原子扩散几率因子共同影响。由于气相沉积过冷度很大，因此，形核率主要受形核功因子影响，尤其是当基片未加热时，容易得到纳米晶甚至非晶。 ? NaCl基片上沉积Ag膜的电子显微照片? 6.3.4薄膜的生长方式 薄膜生长有三种基本类型： a)三维生长（Volmer-Weber）模型 b)二维生长（Frank-Van der Merwe）模型 c)层核生长（Stranski-Krastanov）模型 物理气相沉积(physical vapor deposition，简称PVD) 原理：溅射过程需要在真空系统中通入少量惰性气体（如氩气），在作为阴极的溅射材料（称为靶）和作为阳极的基片之间施加高电压使氩气形成辉光放电产生离子（Ar＋），Ar＋离子在电场中加速后轰击靶材（阴极），溅射出靶材原子沉积到基片上形成薄膜。 特点：溅射和蒸发不同，被惰性气体离子撞击出的靶材粒子（主要是原子，还有少量离子）的平均能量达几个电子伏特，比蒸发粒子的平均动能高得多（3000K蒸发平均动能仅为0.26eV），通过增大惰性气体离子的入射能量，可提高溅射率。 必威体育精装版进展：磁控溅射技术可提高薄膜沉积速率，减少薄膜内气体含量和降低基片在制膜过程中的温升现象。 阴极溅射装置 + + + × + － 高压屏蔽 高压线 阴极 阴极屏蔽 阳极 加热器 加热电源 衬底 Ar气入口 抽真空 阴极溅射装置 ①平行板电极结构形式 ②阴极靶：膜材料 ③阳极：支撑衬