第三章 納米薄膜材料

1、第三章第三章 納米薄膜材料納米薄膜材料納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 薄膜材料是相對于體材料而言的，是人薄膜材料是相對于體材料而言的，是人們采用特殊的方法，在們采用特殊的方法，在體材料的表面沉積或體材料的表面沉積或制備的一層性質(zhì)于體材料完全不同的物質(zhì)層制備的一層性質(zhì)于體材料完全不同的物質(zhì)層。薄膜材料受到重視的原因在于它往往具有特薄膜材料受到重視的原因在于它往往具有特殊的殊的材料性能或材料組合材料性能或材料組合。返回返回納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 薄膜材料之所以能夠成為現(xiàn)代材料科學各分支中發(fā)展薄膜材料之

2、所以能夠成為現(xiàn)代材料科學各分支中發(fā)展最為迅速的一個分支，至少有以下三個方面的原因最為迅速的一個分支，至少有以下三個方面的原因 1 現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是微電子技術的發(fā)現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是微電子技術的發(fā)展，打破了過去體材料的一統(tǒng)天下。過去需要眾展，打破了過去體材料的一統(tǒng)天下。過去需要眾多材料組合才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在僅僅需要少數(shù)多材料組合才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在僅僅需要少數(shù)幾個器件或一塊集成電路就可以完成。幾個器件或一塊集成電路就可以完成。薄膜技術薄膜技術正是實現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化的最有效的技術手段正是實現(xiàn)器件和系統(tǒng)微型化的最有效的技術手段。 2 器件的微型化不僅可以保持器件原有的功器件的微型

3、化不僅可以保持器件原有的功能，并使之能，并使之更強化更強化，而且隨著器件的尺寸減，而且隨著器件的尺寸減小并接近了電子或其他粒子量子化運動的微小并接近了電子或其他粒子量子化運動的微觀尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許觀尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許多全多全新的物理現(xiàn)象新的物理現(xiàn)象。薄膜技術作為器件微型化的。薄膜技術作為器件微型化的關鍵技術，是制備這類具有新型功能器件的關鍵技術，是制備這類具有新型功能器件的有效手段。有效手段。 3 每種材料的性能都有其局限性。薄膜技術每種材料的性能都有其局限性。薄膜技術作為材料制備的有效手段，可以將各種不同作為材料制備的有效手段，可以將各種不同的材料靈活地復合在一

4、起，構成具有優(yōu)異特的材料靈活地復合在一起，構成具有優(yōu)異特性的復雜材料體系，發(fā)揮每種成分的優(yōu)勢，性的復雜材料體系，發(fā)揮每種成分的優(yōu)勢，避免單一材料的局限性避免單一材料的局限性 納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 納米薄膜的分類納米薄膜的分類 A：由納米粒子組成：由納米粒子組成(或堆砌而成或堆砌而成)的薄膜。的薄膜。 B：在納米粒子間有較多的孔隙或無序原子或另一種材料，即納：在納米粒子間有較多的孔隙或無序原子或另一種材料，即納米復合薄膜米復合薄膜 由特征維度尺寸為納米數(shù)量級（由特征維度尺寸為納米數(shù)量級（1100nm）的組元鑲嵌于不）的組元鑲嵌于不同的基體里所形成的復合薄膜材料。同的

5、基體里所形成的復合薄膜材料。 “納米復合薄膜納米復合薄膜” 按用途可分為兩大類：按用途可分為兩大類： a:納米復合納米復合功能功能薄膜薄膜 b:納米復合納米復合結構結構薄膜薄膜納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系a:納米復合納米復合功能功能薄膜：薄膜：利用納米粒子所具有的光、電、利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特異性能，通過復合賦予基體所不具備的性磁方面的特異性能，通過復合賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)薄膜所沒有的功能。能，從而獲得傳統(tǒng)薄膜所沒有的功能。a)a)電磁學性質(zhì)電磁學性質(zhì)導電薄膜：導電薄膜：Au, Ag, Cu, Al, Au, Ag, Cu, Al, NiC

6、rNiCr, NiSi, NiSi2 2, , NiSiNiSi, CoSi, CoSi2 2, TiSi, TiSi2 2, SnO, SnO2 2電介質(zhì)?。弘娊橘|(zhì)薄：SiOSiO2 2, , CaFCaF, BaF, BaF2 2, Si, Si3 3N N4 4, , AlNAlN, BN, BaTiO, BN, BaTiO3 3, PZT(PbZr, PZT(PbZr1-x1-xTiTix xO O3 3) )半導體薄膜：半導體薄膜：SiSi, , GeGe, C, , C, SiCSiC, , GaAsGaAs, , GaNGaN, , InSbInSb, , CdTeCdTe, ,

7、 CdSCdS, , ZnSeZnSe超導薄膜：超導薄膜：YBCO (YBaYBCO (YBa2 2CuCu3 3O O7 7) )磁性薄膜：磁性薄膜： Co-Cr, Co-Cr, MnMn-Bi, -Bi, GdTbFeGdTbFe, La, La1-x1-xCaCax x(Sr(Srx x)MnO)MnO3 3壓電薄膜：壓電薄膜：AlNAlN, , ZnOZnO, LiNbO, LiNbO3 3, BaTiO, BaTiO3 3, PbTiO, PbTiO3 3 b) b) 光學性質(zhì)光學性質(zhì)吸收，反射，增透膜：吸收，反射，增透膜： SiSi, , CdTeCdTe, , GaAsGaAs,

8、 CuInSe, CuInSe2 2, , MgFMgF發(fā)光膜：發(fā)光膜： ZnSZnS, , ZnSeZnSe, Al, Alx xGaGa1-x1-xAs, As, GaNGaN, , SiCSiC 裝飾膜：裝飾膜：TiN/TiOTiN/TiO2 2/Glass, Au, /Glass, Au, TiNTiN納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系b:納米復合納米復合結構結構薄膜薄膜：通過納米粒子復合：通過納米粒子復合提高機械方面的性能提高機械方面的性能a) a) 硬度，磨損，摩擦硬度，磨損，摩擦 TiNTiN, , CrNCrN, , ZrNZrN, , TiCTiC, , Cr

9、CCrC, , ZrCZrC, , Diamond Diamondb)b)腐蝕腐蝕 Au, Zn, Au, Zn, SnSn, Ni-Cr, , Ni-Cr, TiNTiN, BN, BN納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系金屬絕緣體、半導體絕緣體、金屬半導體、金屬絕緣體、半導體絕緣體、金屬半導體、 金屬高分子、半導體高分子金屬高分子、半導體高分子“納米復合薄膜納米復合薄膜”納米粒子：納米粒子： 金屬、半導體、絕緣體、有機高分子金屬、半導體、絕緣體、有機高分子基體材料：基體材料：不同于納米粒子的任何材料不同于納米粒子的任何材料 復合薄膜系列：復合薄膜系列：納米材料及納米工藝 第三

10、章 納米薄膜材料材料化學系32納米薄膜材料制備技術納米薄膜材料制備技術 1 1）、真空蒸發(fā)）、真空蒸發(fā)( (單源單層蒸發(fā)；單源多層蒸發(fā)；單源單層蒸發(fā)；單源多層蒸發(fā)；多源反應共蒸發(fā)多源反應共蒸發(fā)) ) 2 2）、磁控濺射）、磁控濺射 3 3）、離子束濺射（單離子束）、離子束濺射（單離子束( (反應反應) )濺射；雙離濺射；雙離子束子束( (反應反應) )濺射；多離子束反應共濺射）濺射；多離子束反應共濺射） 4 4）、分子束外延）、分子束外延( (MBE)MBE)1 1、物理方法、物理方法1 1）化學氣相沉積化學氣相沉積( (CVD)CVD)：金屬有機物化學氣相沉金屬有機物化學氣相沉積；熱解化學氣

11、相沉積；等離子體增強化學氣相積；熱解化學氣相沉積；等離子體增強化學氣相沉積；激光誘導化學氣相沉積；微波等離子體化沉積；激光誘導化學氣相沉積；微波等離子體化學氣相沉積。學氣相沉積。2)2) 溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法3)3)電鍍法電鍍法 2 2、化學方法化學方法納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系金屬有機物化學沉積Atmospheric Pressure Chemical Vapor DepositionLow Pressure Chemical Vapor Deposition納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 厚度均勻度厚度均勻度 表面平坦度粗糙度表面平坦度粗糙

12、度 成分晶粒尺寸成分晶粒尺寸 不含應力不含應力 純度純度 整體性整體性-沉積膜必須材質(zhì)連續(xù)、不含針孔沉積膜必須材質(zhì)連續(xù)、不含針孔-膜層的厚度影響：電阻，薄層易含針孔，機械強度較弱膜層的厚度影響：電阻，薄層易含針孔，機械強度較弱-覆蓋階梯形狀特別重要，膜層厚度維持不變的能力覆蓋階梯形狀特別重要，膜層厚度維持不變的能力/ 圖圖4 沈積層在沈積層在 (b) 階梯處變薄階梯處變薄薄膜性質(zhì)參數(shù)薄膜性質(zhì)參數(shù)物理氣相沉積物理氣相沉積( (PVD)PVD)方法作為一類常規(guī)的薄膜制方法作為一類常規(guī)的薄膜制備手段被廣泛地應用于納米薄膜的制備與研究工備手段被廣泛地應用于納米薄膜的制備與研究工作中，作中，PVDPVD

13、包括包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。等。3 32 21 1物理氣相沉積法物理氣相沉積法1 1氣相沉積的基本過程氣相沉積的基本過程 (1) (1)氣相物質(zhì)的產(chǎn)生氣相物質(zhì)的產(chǎn)生(2)(2)氣相物質(zhì)的輸運氣相物質(zhì)的輸運 (3) (3)氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)的沉積納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系1EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloud2SputteringMaterialSubstratePlasma使沉積物加熱蒸發(fā)，這種方法稱為蒸發(fā)鍍膜使沉積物加熱蒸發(fā)，這種方法稱為蒸發(fā)鍍膜Evaporation

14、；用具有一定能量的粒子轟擊靶材料，從靶材上擊出沉積用具有一定能量的粒子轟擊靶材料，從靶材上擊出沉積物原子，稱為濺射鍍膜物原子，稱為濺射鍍膜Sputtering。 (1) (1)氣相物質(zhì)的產(chǎn)生氣相物質(zhì)的產(chǎn)生目的：目的：避免氣體碰撞妨礙沉積物到達基片。避免氣體碰撞妨礙沉積物到達基片。 在高真空度的情況下在高真空度的情況下( (真空度真空度1010-2-2Pa)Pa)，沉積物沉積物與殘余氣體分子很少碰撞，基本上是從源物質(zhì)直線與殘余氣體分子很少碰撞，基本上是從源物質(zhì)直線到達基片，到達基片，沉積速率較快沉積速率較快； 若真空度過低若真空度過低，沉積物原子頻繁碰撞會相互凝，沉積物原子頻繁碰撞會相互凝聚為微

15、粒，使聚為微粒，使薄膜沉積過程無法進行，或薄膜質(zhì)量薄膜沉積過程無法進行，或薄膜質(zhì)量太差。太差。 (2)(2)氣相物質(zhì)的輸運氣相物質(zhì)的輸運在真空中進行在真空中進行氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個凝聚過程。氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成非晶態(tài)膜、非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜多晶膜或單晶膜。若在沉積過程中，沉積物原子之間發(fā)生化學若在沉積過程中，沉積物原子之間發(fā)生化學反應形成化合物膜，稱為反應形成化合物膜，稱為反應鍍反應鍍。若用具有一定能量的離子轟擊靶材，以求改若用具有一定能量的離子轟擊靶材，以求改變膜層結構與性能的沉積過程稱為變膜層結構與性能的

16、沉積過程稱為離子鍍離子鍍。 (3) (3)氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)的沉積定義：定義：在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相，在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法。然后凝聚在基體表面的方法。(見書上見書上p52圖圖)2. 蒸鍍蒸鍍在高真空中，將源物質(zhì)加在高真空中，將源物質(zhì)加熱到高溫，相應溫度下的熱到高溫，相應溫度下的飽和蒸氣向上散發(fā)。飽和蒸氣向上散發(fā)?；O在蒸氣源的上方阻基片設在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣則在基片擋蒸氣流，蒸氣則在基片上形成凝固膜。上形成凝固膜。為了補充凝固蒸氣，蒸發(fā)為了補充凝固蒸氣，蒸發(fā)源要以一定的速度連續(xù)供源要以一定的速度連續(xù)供給蒸氣

17、。給蒸氣。(1)(1)蒸鍍原理蒸鍍原理納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍 電子束加熱蒸鍍電子束加熱蒸鍍合金膜的制備合金膜的制備 化合物膜的制取化合物膜的制取 分子束外延分子束外延 激光蒸發(fā)鍍膜激光蒸發(fā)鍍膜(2)(2)蒸鍍方法蒸鍍方法納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系n電阻法是用高熔點金屬做成適當?shù)男螤畹募訜崞?，并電阻法是用高熔點金屬做成適當?shù)男螤畹募訜崞?，并將膜材料放在上面加熱，將膜材料放在上面加熱，利用電流的熱效應利用電流的熱效應使加熱器溫使加熱器溫度達到材料蒸發(fā)的溫度，度達到材料蒸發(fā)的溫度，膜材料蒸發(fā)并淀積在基板上。膜材料蒸發(fā)并淀積在

18、基板上。 一些金屬的蒸發(fā)溫度一些金屬的蒸發(fā)溫度 電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍由由此此表可見大多數(shù)金表可見大多數(shù)金屬的蒸發(fā)溫度都在屬的蒸發(fā)溫度都在1000度到度到2000度之度之間，而鎢、鉬的熔點間，而鎢、鉬的熔點都高于都高于2000度，因度，因此此加熱的金屬材料一加熱的金屬材料一般都選鎢、鉬。般都選鎢、鉬。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系v將鎢絲繞制成各種直徑或不等直徑的將鎢絲繞制成各種直徑或不等直徑的螺旋狀螺旋狀即可作為加熱源。在融化以后、即可作為加熱源。在融化以后、被蒸發(fā)物質(zhì)或與鎢絲形成較好的浸潤、被蒸發(fā)物質(zhì)或與鎢絲形成較好的浸潤、靠表面張力保持在螺旋鎢絲中、或與靠表面張力保

19、持在螺旋鎢絲中、或與鎢絲完全不浸潤，被鎢絲螺旋所支撐。鎢絲完全不浸潤，被鎢絲螺旋所支撐。電阻材料的要求電阻材料的要求 耐高溫、高溫下蒸汽壓低、不與被蒸發(fā)耐高溫、高溫下蒸汽壓低、不與被蒸發(fā)物發(fā)生化學反應、無放氣現(xiàn)象和其它污染、合適的電阻率。物發(fā)生化學反應、無放氣現(xiàn)象和其它污染、合適的電阻率。所以一般是難熔金屬所以一般是難熔金屬 W、Mo和和Ta等等A:鎢絲加熱器鎢絲加熱器v鎢絲一方面起到加熱器的作用，另一方面也起到支撐被加熱物質(zhì)的作用。鎢絲一方面起到加熱器的作用，另一方面也起到支撐被加熱物質(zhì)的作用。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系對于鎢絲不能加熱的物質(zhì)，對于鎢絲不能加熱的物質(zhì)，

20、如一如一些材料的粉末，則用些材料的粉末，則用難熔金屬板難熔金屬板支撐支撐的加熱器。的加熱器。對于在固態(tài)升華的物質(zhì)來說對于在固態(tài)升華的物質(zhì)來說，也也可以用難熔金屬制成的升華用?？梢杂秒y熔金屬制成的升華用專用容器。用容器。 B:舟狀加熱器舟狀加熱器納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系v電阻加熱法：依靠電阻加熱法：依靠纏于坩堝外纏于坩堝外的電阻絲加熱。的電阻絲加熱。v高頻加熱法：用通水的銅制線圈作為加熱的初級感應線圈，高頻加熱法：用通水的銅制線圈作為加熱的初級感應線圈，它靠在被加熱的物質(zhì)中或坩堝中感生出的感應電流來實現(xiàn)對它靠在被加熱的物質(zhì)中或坩堝中感生出的感應電流來實現(xiàn)對蒸發(fā)物質(zhì)的加熱

21、。顯然，后者要求被加熱物或坩堝有一定的蒸發(fā)物質(zhì)的加熱。顯然，后者要求被加熱物或坩堝有一定的導電性。導電性。C：坩堝加熱器：坩堝加熱器v材料：高熔點氧化物、材料：高熔點氧化物、BN、石墨、難熔金屬石墨、難熔金屬加熱有二種方式，即傳統(tǒng)的加熱有二種方式，即傳統(tǒng)的電阻加熱法和高頻加熱法電阻加熱法和高頻加熱法，納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系常用的幾種加熱器形狀絲狀舟狀坩堝納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系坩堝式蒸發(fā)器結構坩堝式蒸發(fā)器結構(Ta加熱器加熱器)納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系電阻法的缺點：電阻法的缺點：膜材料與加熱材料之間產(chǎn)生擴散或膜材料

22、與加熱材料之間產(chǎn)生擴散或反應反應，使加熱材料本身的熔點和蒸發(fā)點降低，以致，使加熱材料本身的熔點和蒸發(fā)點降低，以致造成鍍得的膜層含有雜質(zhì)造成鍍得的膜層含有雜質(zhì)。 大多數(shù)膜材料在熔化后將于加熱材料大多數(shù)膜材料在熔化后將于加熱材料浸潤浸潤。表面擴張，附著在加熱器上形成表面擴張，附著在加熱器上形成面蒸發(fā)源面蒸發(fā)源，蒸發(fā)效，蒸發(fā)效果比較好。果比較好。 反之，若膜材料于加熱材料反之，若膜材料于加熱材料不浸潤不浸潤，膜材料將，膜材料將融為一個液球，成為融為一個液球，成為點蒸發(fā)源點蒸發(fā)源，如果，如果加熱器的形狀加熱器的形狀不合適液球?qū)募訜崞魃厦撀湎聛?，使蒸鍍失敗。不合適液球?qū)募訜崞魃厦撀湎聛?，使蒸鍍失敗?/p>

23、蒸鍍時要根據(jù)膜材料的性質(zhì)，注意選擇加熱器的形狀。蒸鍍時要根據(jù)膜材料的性質(zhì)，注意選擇加熱器的形狀。-不能不能沉積沉積合金合金(因不同元素蒸因不同元素蒸發(fā)發(fā)速率不同速率不同)納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系特性：特性：獨特的光催化性和超親水性、光學、電導等性質(zhì)和獨特的光催化性和超親水性、光學、電導等性質(zhì)和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性優(yōu)良的化學穩(wěn)定性應用：應用：光催化降解有機物、抗菌防污、除霧、自清潔等。光催化降解有機物、抗菌防污、除霧、自清潔等。能夠抵抗介質(zhì)的電化學腐蝕能夠抵抗介質(zhì)的電化學腐蝕, ,已被廣泛應用于半導體、傳感已被廣泛應用于半導體、傳感器等領域。器等領域。TiO2 薄膜功能薄膜

24、材料：薄膜功能薄膜材料：納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系實驗方法：z 基體為普通玻璃片和不銹鋼片基體為普通玻璃片和不銹鋼片,尺寸大小為尺寸大小為25 mm 15 mm。超聲波清洗機預處理后的基片固定在鍍。超聲波清洗機預處理后的基片固定在鍍膜機內(nèi)的支架上；膜機內(nèi)的支架上；z在一定真空度下在一定真空度下,除去爐除去爐內(nèi)殘留氣體內(nèi)殘留氣體,同時反應室內(nèi)同時反應室內(nèi)中通入適量氮氣中通入適量氮氣,通過反應通過反應可在基片上沉積生成可在基片上沉積生成TiO2 薄膜。薄膜。z薄膜的沉積厚度可通過薄膜的沉積厚度可通過改變真空蒸發(fā)沉積時間來改變真空蒸發(fā)沉積時間來控制?？刂啤Ｆ胀úＡ筒讳P鋼片

25、普通玻璃片和不銹鋼片納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系v用電子束法加熱將避免電阻法的缺點。用電子束法加熱將避免電阻法的缺點。電子束法是將電子束法是將熱發(fā)射的電子在電場的作用下，經(jīng)磁聚焦后形成電子熱發(fā)射的電子在電場的作用下，經(jīng)磁聚焦后形成電子束打在加熱器（坩堝）內(nèi)的膜材料上，束打在加熱器（坩堝）內(nèi)的膜材料上，膜材料在電子膜材料在電子束的轟擊下蒸鍍到基板上，形成鍍膜。坩堝通常要水束的轟擊下蒸鍍到基板上，形成鍍膜。坩堝通常要水冷。冷。 電子束加熱蒸鍍電子束加熱蒸鍍利用電子束加熱可以使鎢利用電子束加熱可以使鎢(熔點熔點3380)等高熔點金屬熔化。等高熔點金屬熔化。此種方法適用于多種此種

26、方法適用于多種膜材料，尤其適用于膜材料，尤其適用于高熔點的物質(zhì)。高熔點的物質(zhì)。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系電子束加熱裝置結構電子束加熱裝置結構(熱燈絲釋出電子熱燈絲釋出電子)納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系電子束加工時注意事項電子束加工時注意事項n當電子束撞擊到金屬、氣體或金屬蒸汽時，當電子束撞擊到金屬、氣體或金屬蒸汽時，會產(chǎn)生會產(chǎn)生X X射線，傷害人體細胞。在電子束加工射線，傷害人體細胞。在電子束加工中，必須注意中，必須注意X X射線輻射對人體的危害。射線輻射對人體的危害。 n因此需要配置因此需要配置足夠厚的鋼壁或外壁包鉛足夠厚的鋼壁或外壁包鉛以防止射

27、以防止射線外溢。線外溢。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系圖圖1 :薄膜由均勻的微小晶粒薄膜由均勻的微小晶粒組成組成. 圖中膜層表面的裂紋是圖中膜層表面的裂紋是由于基底由于基底Ta 表面具有一定的表面具有一定的粗糙度造成的粗糙度造成的.納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系蒸鍍實驗步驟蒸鍍實驗步驟: :1)1)基片清洗以及安裝：基片清洗以及安裝：對薄膜基片，先用水對薄膜基片，先用水洗掉灰塵，再用超聲波清洗干凈，取出后洗掉灰塵，再用超聲波清洗干凈，取出后用高純度氮氣吹干，把干凈的基片放在樣用高純度氮氣吹干，把干凈的基片放在樣品架指定位置。品架指定位置。2)2)鍍膜材料

28、的準備鍍膜材料的準備，安放在蒸發(fā)用坩堝內(nèi)。，安放在蒸發(fā)用坩堝內(nèi)。3)3)蓋好鐘罩，抽真空蓋好鐘罩，抽真空，達到蒸發(fā)鍍膜的真空，達到蒸發(fā)鍍膜的真空要求（要求（1010-4-4PaPa左右）。左右）。4)4)開啟坩堝的開啟坩堝的加熱電源加熱電源，烘烤樣片烘烤樣片。5)5)預熔鍍膜材料預熔鍍膜材料。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系6)6)移開基片的擋板，設定樣片基片的加熱程度，移開基片的擋板，設定樣片基片的加熱程度，把蒸鍍材料加熱到一定溫度（熔點以上），把蒸鍍材料加熱到一定溫度（熔點以上），開始蒸鍍。開始蒸鍍。7)7)蒸膜厚度達到要求以后，把擋板撥回原位，蒸膜厚度達到要求以后，把擋

29、板撥回原位，依次關閉鍍膜材料、基片的加熱電源，等基依次關閉鍍膜材料、基片的加熱電源，等基片冷卻到室溫左右，關閉真空泵，開啟鐘罩，片冷卻到室溫左右，關閉真空泵，開啟鐘罩，取出樣片進行測試。取出樣片進行測試。注意事項注意事項1)預熔鍍膜材料時要保證擋板擋在樣片上。預熔鍍膜材料時要保證擋板擋在樣片上。2)樣片取出前要冷卻樣片到室溫左右。樣片取出前要冷卻樣片到室溫左右。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系制備制備MgB2 超導薄膜的困難主要在于超導薄膜的困難主要在于:Mg 和和B 的蒸汽壓相差的蒸汽壓相差太大太大;Mg 對氧很敏感對氧很敏感,易氧化易氧化,熱穩(wěn)定性實驗表明熱穩(wěn)定性實驗表明

30、MgB2 在溫在溫度高于度高于425 時開始分解。時開始分解。目前多數(shù)目前多數(shù)MgB2 超導薄膜都是經(jīng)過超導薄膜都是經(jīng)過后熱處理后熱處理制備的。制備的。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系實驗步驟v襯底的清洗襯底的清洗: 在裝樣品前在裝樣品前, Al2O3 襯底先浸入襯底先浸入NH40H/ H2O2/ H2O 混合液去除顆粒、混合液去除顆粒、0. 5 %稀鹽酸去除金屬污染、熱蒸餾稀鹽酸去除金屬污染、熱蒸餾水水( 約約60 ) 漂洗漂洗,然后熱氮氣吹干。然后熱氮氣吹干。v先驅(qū)膜沉積先驅(qū)膜沉積:抽真空，在抽真空，在Al2O3 襯底上蒸鍍第一層襯底上蒸鍍第一層Mg(150A) ,再蒸鍍

31、第二層再蒸鍍第二層B(100A) ,然后繼續(xù)交替進行然后繼續(xù)交替進行,最后最后一層為一層為B。各層。各層Mg 和和B 厚度按照組分厚度按照組分1 :2 的比例的比例,使先驅(qū)膜使先驅(qū)膜厚度約為厚度約為3150A。（考慮到。（考慮到Mg 極易揮發(fā)極易揮發(fā),在此階段襯底沒有在此階段襯底沒有加熱）加熱）v原位后熱處理原位后熱處理:先驅(qū)膜沉積結束后先驅(qū)膜沉積結束后,往真空室內(nèi)充入純度為往真空室內(nèi)充入純度為99. 99%的的Ar至至150Pa 氬氣氛氬氣氛,然后對襯底進行加熱然后對襯底進行加熱,升溫至升溫至630 并保持并保持30 分鐘分鐘,最后切斷加熱電源最后切斷加熱電源,自然冷卻至室溫。自然冷卻至室溫

32、。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系蒸發(fā)源：蒸發(fā)源： 將百分含量為將百分含量為99. 9 %的二氧化鋯粉末和百分含量為的二氧化鋯粉末和百分含量為99. 99 %的三氧化二釔不同摩爾配比混合，利用研缽研磨均的三氧化二釔不同摩爾配比混合，利用研缽研磨均勻勻. 利用壓片機將之壓成片之后后放入到電子束蒸發(fā)鍍膜利用壓片機將之壓成片之后后放入到電子束蒸發(fā)鍍膜儀電子束的銅靶上儀電子束的銅靶上,銅靶為坩鍋狀銅靶為坩鍋狀. （壓片的目的是為了防止電（壓片的目的是為了防止電子束把二氧化鋯打散）子束把二氧化鋯打散）.基片：基片：采用石英玻璃片采用石英

33、玻璃片,用丙酮清洗完畢用丙酮清洗完畢,放入到體積比為放入到體積比為1 3 的濃磷酸與濃硫酸的溶液中的濃磷酸與濃硫酸的溶液中,再將基片在去離子水中清洗干凈再將基片在去離子水中清洗干凈后在熱的氮氣中烘干后在熱的氮氣中烘干,然后將其固定到干凈的夾具上面然后將其固定到干凈的夾具上面. 最后將最后將帶有基片的夾具固定到真空腔中帶有基片的夾具固定到真空腔中.儀器：儀器：為了保證鍍膜質(zhì)量為了保證鍍膜質(zhì)量,所有鍍膜儀真空腔內(nèi)的實驗器件都所有鍍膜儀真空腔內(nèi)的實驗器件都必須保持清潔必須保持清潔. 鍍膜前我們利用丙酮將真空腔擦干凈鍍膜前我們利用丙酮將真空腔擦干凈;夾具用來夾具用來固定基片固定基片(石英玻璃片石英玻璃

34、片) ,用丙酮將其清洗干凈用丙酮將其清洗干凈,然后用熱的氮氣然后用熱的氮氣將其烘干將其烘干;制備方法：制備方法：納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系隨著退火溫度的變大隨著退火溫度的變大,薄膜表面薄膜表面多晶微粒變多多晶微粒變多,而且而且粒徑也逐漸變大粒徑也逐漸變大. 在溫度為在溫度為900 時時,出現(xiàn)了少量出現(xiàn)了少量的大單晶晶粒的大單晶晶粒.到了退火溫度達到到了退火溫度達到1050 時時,出現(xiàn)出現(xiàn)了大量的單晶晶粒了大量的單晶晶粒, 而且晶粒變的很大而且晶粒變的很大(500nm) .樣其熱穩(wěn)定性變差樣其熱穩(wěn)定性變差納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系沉積合金膜，應在整

35、個基片表面和膜層厚度范圍內(nèi)沉積合金膜，應在整個基片表面和膜層厚度范圍內(nèi)得到均勻的組分。得到均勻的組分。合金膜的制備合金膜的制備 可采用兩種方式可采用兩種方式（p53圖圖3.6）單電子束蒸發(fā)源沉積單電子束蒸發(fā)源沉積多電子束蒸發(fā)源沉積多電子束蒸發(fā)源沉積 蒸鍍法制取化合物膜的限制因素蒸鍍法制取化合物膜的限制因素: :1)1)大多數(shù)的化合物在大多數(shù)的化合物在加熱蒸發(fā)時會全部或部分分解加熱蒸發(fā)時會全部或部分分解。所以用簡單的蒸鍍技術無法由化合物直接制成符合化所以用簡單的蒸鍍技術無法由化合物直接制成符合化學計量比的膜層。學計量比的膜層。( (但有一些化合物，如氯化物、硫但有一些化合物，如氯化物、硫化物、硒

36、化物和碲化物，甚至少數(shù)氧化物如化物、硒化物和碲化物，甚至少數(shù)氧化物如B203、Sn02，可以采用蒸鍍。因為它們可以采用蒸鍍。因為它們很少分解或者當其凝很少分解或者當其凝聚時各種組元又重新化合聚時各種組元又重新化合。) )2) 2) 與坩堝材料反應從而改變膜層成分。與坩堝材料反應從而改變膜層成分。 化合物膜的制取化合物膜的制取納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系制取化合物膜的途徑是采用制取化合物膜的途徑是采用反應鍍反應鍍。例如。例如鍍制鍍制TiCTiC是在蒸鍍是在蒸鍍TiTi的同時，向真空室通的同時，向真空室通入乙炔氣，在基片上發(fā)生以下反應，而得入乙炔氣，在基片上發(fā)生以下反應，而得

37、到到TiCTiC膜層：膜層： 2 2Ti+CTi+C2 2H H2 2一一2 2TiC+HTiC+H2 2 以以蒸鍍?yōu)榛A蒸鍍?yōu)榛A發(fā)展起來的分子束外延技術和設備，發(fā)展起來的分子束外延技術和設備，經(jīng)過十余年的開發(fā)，近年來已制備出各種經(jīng)過十余年的開發(fā)，近年來已制備出各種V V族化合物的半導體器件。外延：沉積膜與基片之族化合物的半導體器件。外延：沉積膜與基片之間存在一定的間存在一定的結晶學關系結晶學關系。分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) （MBE）MBE生長原理生長原理在一定的單晶基體上材料襯底上，沿著襯底的某個在一定的單晶基體上材料襯底上，沿著襯底的某個指數(shù)晶

38、面向外延伸生長一層單晶薄膜，如外延膜在指數(shù)晶面向外延伸生長一層單晶薄膜，如外延膜在同一材料上生長，稱為同一材料上生長，稱為同質(zhì)外延同質(zhì)外延，如果外延是在不，如果外延是在不同材料上生長則為同材料上生長則為異質(zhì)外延異質(zhì)外延。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系在在Si（100）表面上異質(zhì)外延生長了）表面上異質(zhì)外延生長了Si1-XGe層層在在MgO（100）基片上原位制備了）基片上原位制備了YBa2CuO薄膜薄膜 在超高真空條件下，精確控制原材料的分子束強度，在超高真空條件下，精確控制原材料的分子束強度，把分子束射入被加熱的底片上而進行外延生長的?？稍谠逊肿邮淙氡患訜岬牡灼隙M行

39、外延生長的?？稍谠映叨壬暇_控制外延厚度，摻雜和界面平整度的超薄層子尺度上精確控制外延厚度，摻雜和界面平整度的超薄層薄膜制備技術。薄膜制備技術。MBE方法方法納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系該技術的特點是：該技術的特點是：A：系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體不易進入薄膜，薄膜的純：系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體不易進入薄膜，薄膜的純度高。度高。B：外延生長一般可在低溫下進行。：外延生長一般可在低溫下進行。C：可嚴格控制薄膜成分以及摻雜濃度。：可嚴格控制薄膜成分以及摻雜濃度。D：對薄膜進行原位檢測分析，嚴格控制薄膜的生長及性質(zhì)。：對薄膜進行原位檢測分析，嚴格控制薄膜的生長及性質(zhì)。設

40、備昂貴，維護費用高，生長時間過長，不易大規(guī)模生產(chǎn)等。設備昂貴，維護費用高，生長時間過長，不易大規(guī)模生產(chǎn)等。缺點：缺點：納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系裝置：裝置：工作室工作室分子束噴射源分子束噴射源超高真空系統(tǒng)超高真空系統(tǒng)各種監(jiān)控儀器各種監(jiān)控儀器將制備薄膜所需將制備薄膜所需要的物質(zhì)和摻雜要的物質(zhì)和摻雜劑分別放入系統(tǒng)劑分別放入系統(tǒng)中若干噴射源的中若干噴射源的坩堝內(nèi)，加熱使坩堝內(nèi)，加熱使物質(zhì)熔化產(chǎn)生相物質(zhì)熔化產(chǎn)生相應的分子束。應的分子束。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系MBE/SPM/MOKE/Mssbauer SpectrometerVT-SPMLED/AES

41、Mssbauer SpectrometerMOKEMBE/EBERHEED分子束外延設備分子束外延設備納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系王曉東，王曉東，2001年畢業(yè)，理學博士學位，讀研期間曾獲得中科院年畢業(yè)，理學博士學位，讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎學金。先后在日本神戶大學，劉永齡獎學金。先后在日本神戶大學，瑞典瑞典Chalmer大學做博大學做博士后士后?，F(xiàn)在中國科學院半導體研究所集成技術中心副研究員，?，F(xiàn)在中國科學院半導體研究所集成技術中心副研究員，周大勇，周大勇，2002年畢業(yè)，理學碩士學位，年畢業(yè)，理學碩士學位，2007年畢業(yè)于荷蘭埃因年畢業(yè)于荷蘭埃因霍溫理工大學物理系

42、，獲得博士學位，現(xiàn)在霍溫理工大學物理系，獲得博士學位，現(xiàn)在法國博士后法國博士后。瀾清，瀾清，2002年畢業(yè)，理學碩士學位，后獲得北京大學博士學位，年畢業(yè)，理學碩士學位，后獲得北京大學博士學位，現(xiàn)在現(xiàn)在法國博士后法國博士后。孔云川，孔云川，2002年畢業(yè)，理學碩士學位，讀研期間曾獲得中科院年畢業(yè)，理學碩士學位，讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎學金?，F(xiàn)在劉永齡獎學金?，F(xiàn)在美國普林斯頓大學物理系攻讀博士學位美國普林斯頓大學物理系攻讀博士學位。徐曉華，徐曉華，2004年秋季畢業(yè)，工學碩士學位，現(xiàn)在年秋季畢業(yè)，工學碩士學位，現(xiàn)在美國美國Advanced Materials公司北京分公司工程師。公司北京分公司

43、工程師。倪海橋，倪海橋，2004年博士后出站。留在本課題組工作，現(xiàn)已評為副年博士后出站。留在本課題組工作，現(xiàn)已評為副研究員。研究員。龔政，龔政，2005年春季畢業(yè)，理學博士學位，年春季畢業(yè)，理學博士學位，讀研期間曾獲得中科讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎院劉永齡獎。現(xiàn)在?，F(xiàn)在英國英國University of Strathclyde博士后博士后。中國科學院半導體研究所分子束外延課題組中國科學院半導體研究所分子束外延課題組 納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 激光蒸發(fā)鍍膜激光蒸發(fā)鍍膜(laser ablation)裝置裝置 使用高功率的激光束作為能量進行薄膜使用高功率的激光束作為能量

44、進行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法叫的蒸發(fā)沉積的方法叫激光沉積法激光沉積法。特點：特點：加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸發(fā)過程容易控制等特點。發(fā)過程容易控制等特點。同時由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子將能量直接傳給同時由于在蒸發(fā)過程中，高能激光光子將能量直接傳給被蒸發(fā)的原子，因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高被蒸發(fā)的原子，因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高于其它的蒸發(fā)方法。于其它的蒸發(fā)方法。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系v在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將料將激光束激光束引入真

45、空室中，并要使用透鏡或引入真空室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針對不同波長的激光束，需要選用對不同波長的激光束，需要選用不同光譜透不同光譜透過特性的窗口和透鏡材料過特性的窗口和透鏡材料。v 激光加熱方法特別適用于蒸發(fā)那些激光加熱方法特別適用于蒸發(fā)那些成分成分比較復雜的合金或化合物材料比較復雜的合金或化合物材料，比如近年來，比如近年來研究較多的高溫超導材料研究較多的高溫超導材料YBa2Cu3O7等。等。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系Laser Ablation薄膜沉積裝置薄膜沉積裝置(or Laser deposi

46、tion)準分子激光準分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)蒸鍍只用于鍍制對蒸鍍只用于鍍制對結合強度要求不高結合強度要求不高的某些的某些功能膜，例如用作電極的導電膜、光學鏡頭功能膜，例如用作電極的導電膜、光學鏡頭用的增透膜等。用的增透膜等。 蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成分這點上，要比濺射困難得多，但在分這點上，要比濺射困難得多，但在鍍制純鍍制純金屬金屬時，蒸鍍可以表現(xiàn)出時，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速率快鍍膜速率快的優(yōu)勢。的優(yōu)勢。(3)(3)蒸鍍用途蒸鍍用途3 3濺射制膜濺射制膜定義：定義：在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表在真空室中，利用荷能粒子轟擊

47、靶材表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術。面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術。 濺射鍍膜有兩種：濺射鍍膜有兩種：離子束濺射：離子束濺射：在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺射擊的粒子在基片表面成膜。（離子束要由特制使濺射擊的粒子在基片表面成膜。（離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結構較為復雜，價格較貴，只的離子源產(chǎn)生，離子源結構較為復雜，價格較貴，只是在用于分析技術和制取特殊的薄膜時才采用離子束是在用于分析技術和制取特殊的薄膜時才采用離子束濺射。）濺射。）另一種是在真空室中，利用另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象低壓氣體放電現(xiàn)象，使處，使處于等

48、離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒子堆積在基片上。子堆積在基片上。 納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 優(yōu)點：v靶材沉積在基片上時，不會造成任何化靶材沉積在基片上時，不會造成任何化學變化或成分改變學變化或成分改變v對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，對于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實現(xiàn)濺射。（就可實現(xiàn)濺射。（可將任何材料可將任何材料沉積沉積在在任何基材上任何基材上）v膜和基體表面間的黏著性比蒸鍍法好膜和基體表面間的黏著性比蒸鍍法好v薄膜純度高，致密性好。薄膜純度高，致密性好。直流二級濺射直流二級濺射 三級和四極濺射三級和

49、四極濺射 射頻濺射射頻濺射 磁控濺射磁控濺射 合金膜的鍍制合金膜的鍍制化合物膜的鍍制化合物膜的鍍制 離子束濺射離子束濺射 濺射方法：濺射方法：靶材為良導體的濺射靶材為良導體的濺射適合任何一類靶材的濺射適合任何一類靶材的濺射沉積溫度低，沉積速率高沉積溫度低，沉積速率高納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系直流濺射沉積裝置示意圖直流濺射沉積裝置示意圖接通電源，陰極靶上的負高壓接通電源，陰極靶上的負高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個等離子區(qū)起一個等離子區(qū)帶正電的帶正電的Ar離子離子加速轟擊陰極加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)表面濺射靶，使靶物質(zhì)表面濺射，并以，并以分子

50、或原子狀態(tài)沉積在基片表分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。面，形成靶材料的薄膜。直流二級濺射直流二級濺射 抽真空抽真空通通Ar氣，使真空室內(nèi)達到濺射氣壓氣，使真空室內(nèi)達到濺射氣壓納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系射頻濺射射頻濺射其其缺點缺點是大功率的射頻電源不僅價高，而且對于人身防護是大功率的射頻電源不僅價高，而且對于人身防護也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應用。也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應用。 可以制取從導體到絕緣體任意材料的膜可以制取從導體到絕緣體任意材料的膜,可在大面積基可在大面積基片上沉積薄膜。片上沉積薄膜。射頻射頻是指無線電波發(fā)射范圍的頻

51、率，為了避免干擾是指無線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺工作，濺射專用頻率規(guī)定為電臺工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。在射頻。在射頻電源交變電場作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，電源交變電場作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。并使氣體電離為等離子體。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系磁控濺射磁控濺射 具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點。具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點。高速高速是指沉積速率是指沉積速率快，快，低溫和低損傷低溫和低損傷是指基片的溫升低、對膜層的損傷小。是指基片的溫升低、對膜層的損傷小。 在濺射過程中，由陰極發(fā)在濺射過程中，由陰極發(fā)射出來的電

52、子在電場的作用下射出來的電子在電場的作用下具有向陽極運動的趨勢。但是，具有向陽極運動的趨勢。但是，在垂直磁場的作用下，它的運在垂直磁場的作用下，它的運動軌跡被其彎曲而重新返回靶動軌跡被其彎曲而重新返回靶面。面。 束縛和延長了電子的運動束縛和延長了電子的運動軌跡，軌跡，提高電子對工作氣體的提高電子對工作氣體的電離效率和濺射沉積率電離效率和濺射沉積率。磁控濺射是應用最廣泛的一種濺磁控濺射是應用最廣泛的一種濺射沉積方法，其主要原因是這種射沉積方法，其主要原因是這種方法的方法的沉積速率可以比其他濺射沉積速率可以比其他濺射方法高出一個數(shù)量級方法高出一個數(shù)量級。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料

53、化學系ZnO薄膜作為極好的透明電極材料，主要用作太陽電池的窗薄膜作為極好的透明電極材料，主要用作太陽電池的窗口材料，對促進廉價太陽電池的發(fā)展具有重要意義?？诓牧?，對促進廉價太陽電池的發(fā)展具有重要意義。磁控濺射法是目前（尤其是國內(nèi)）研究最多、磁控濺射法是目前（尤其是國內(nèi)）研究最多、最成熟的一種最成熟的一種ZnO薄膜制備方法薄膜制備方法納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系選用選用Si(100)Si(100)為襯底為襯底, , 清洗清洗SiO2SiO2層層通過普通的半導體熱氧化工藝在通過普通的半導體熱氧化工藝在Si(100)Si(100

54、)基片上氧化基片上氧化而成而成, ,厚約厚約300nm300nm（擴散阻擋層也是熱絕緣層）（擴散阻擋層也是熱絕緣層）PtPt層和層和TiOTiOX X層均由直流濺射法制備層均由直流濺射法制備, ,厚度分別為厚度分別為200nm200nm和和20nm20nm。TiOTiOX X 膜膜- -增加增加PtPt膜附著力的作用膜附著力的作用; ;隨后應用射頻磁控濺射法在隨后應用射頻磁控濺射法在PtPt和和SiSi襯底上沉積襯底上沉積BSTBST鈦酸鍶鋇薄膜薄膜. .納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系在在Si 襯底上生長的薄膜晶粒尺寸較大襯底上生長的薄膜晶粒尺寸較大,結構較致密結構較致密,

55、但仍出但仍出現(xiàn)了少量尺寸較小的空洞?，F(xiàn)了少量尺寸較小的空洞。在在Pt/TiOX/SiO2 襯底上制備的襯底上制備的BST 薄膜晶粒更細小而均薄膜晶粒更細小而均勻勻,表面沒有裂紋和空洞等缺陷表面沒有裂紋和空洞等缺陷,結構更致密。結構更致密。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 (2)濺射制膜技術的應用v 濺射制膜法適用性非常之廣。濺射制膜法適用性非常之廣。v就薄膜的組成而言，單質(zhì)膜、合金膜、化合就薄膜的組成而言，單質(zhì)膜、合金膜、化合物膜均可制作。物膜均可制作。v就薄膜材料的結構而言，多晶膜、單晶膜、就薄膜材料的結構而言，多晶膜、單晶膜、非晶膜都行。非晶膜都行。v若從材料物性來看，可

56、用于研制光、電、聲、若從材料物性來看，可用于研制光、電、聲、磁或優(yōu)良力學性能的各類功能材料膜。磁或優(yōu)良力學性能的各類功能材料膜。 納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 以化合物膜的制備為例，說明濺射制膜法的以化合物膜的制備為例，說明濺射制膜法的意義和工藝技術特點。意義和工藝技術特點。見書見書p60高溫材料的低溫合成。高溫材料的低溫合成。利用濺射技術可在較低溫利用濺射技術可在較低溫度下制備許多高溫材料的薄膜。度下制備許多高溫材料的薄膜。 如如TiN、TiC、B4C、BiC、PbTi03及金剛石薄膜等。及金剛石薄膜等。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系 多層結構的連續(xù)

57、形成。多層結構的連續(xù)形成。用濺射法容易制備化學組用濺射法容易制備化學組成按層變化的多層膜。具體做法大致有以下兩種。成按層變化的多層膜。具體做法大致有以下兩種。 a變換放電氣體法。對于變換放電氣體法。對于同一種靶在不同的放電同一種靶在不同的放電氣體中濺射氣體中濺射，所得薄膜當然不同。因而只需在濺射，所得薄膜當然不同。因而只需在濺射過程中變換放電氣體就能連續(xù)形成多層膜。過程中變換放電氣體就能連續(xù)形成多層膜。 b多靶輪換法。在同一個工作室內(nèi)安裝多靶輪換法。在同一個工作室內(nèi)安裝2個以上個以上的不同靶陰極的不同靶陰極。有的是陽極可以轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到與某個。有的是陽極可以轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到與某個靶子相對應的位置進行濺射

58、。也有的是安裝主、輔靶子相對應的位置進行濺射。也有的是安裝主、輔靶，以電路的通斷來控制靶子是否被濺射。靶，以電路的通斷來控制靶子是否被濺射。納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系基片（光學玻璃）座為一個可以基片（光學玻璃）座為一個可以旋轉(zhuǎn)的不銹鋼圓筒，在整個濺射旋轉(zhuǎn)的不銹鋼圓筒，在整個濺射過程中它一直在旋轉(zhuǎn)以避免樣品過程中它一直在旋轉(zhuǎn)以避免樣品表面的溫升過高。表面的溫升過高。當制備當制備Cu高聚物（高聚物（PTFE）納）納米鑲嵌膜時，交替地驅(qū)動米鑲嵌膜時，交替地驅(qū)動PTFE 靶和銅靶，控制各個靶的濺射時靶和銅靶，控制各個靶的濺射時間來調(diào)控銅粒子的密度與分布。間來調(diào)控銅粒子的密度與分

59、布。濺射法亦可用來制備銅高聚物濺射法亦可用來制備銅高聚物納米鑲嵌膜納米鑲嵌膜，這種鑲嵌膜，這種鑲嵌膜是把金屬納米粒子鑲嵌在高聚物的基體中。是把金屬納米粒子鑲嵌在高聚物的基體中。兩個位相差為兩個位相差為90度度 的磁控濺射靶的磁控濺射靶：一是銅靶，用直流驅(qū)動，：一是銅靶，用直流驅(qū)動，在在Ar離子的濺射下可產(chǎn)生銅的納米粒子；另一個是聚四氟乙烯離子的濺射下可產(chǎn)生銅的納米粒子；另一個是聚四氟乙烯（PTFE）靶，由射頻電源驅(qū)動，）靶，由射頻電源驅(qū)動， 靶直徑為靶直徑為55mm.4 離子鍍膜離子鍍膜定義：離子鍍就是在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表定義：離子鍍就是在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和

60、膜層的鍍膜技術。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。面和膜層的鍍膜技術。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜過程。離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜過程。 1陽極 2蒸發(fā)源 3進氣口 4輝光放電區(qū) 5陰極暗區(qū) 6基片 7絕緣支架 8直流電源 9真空室 10蒸發(fā)電源 11真空系統(tǒng) 直流二極型離子鍍示意圖納米材料及納米工藝 第三章 納米薄膜材料材料化學系當基片加上負高壓時，在坩堝和基片當基片加上負高壓時，在坩堝和基片之間便產(chǎn)生輝光放電，離化的惰性氣之間便產(chǎn)生輝光放電，離化的惰性氣體離子被電場加速并體離子被電場加速并轟擊基片表面，轟擊基片表面，從而實現(xiàn)基片的