F5性質(zhì)第二部分薄膜物理與技術(shù)第四章課件

著重介紹有關(guān)薄膜的普遍特性的研究方法§1.薄膜的力學(xué)性質(zhì)

主要有：附著、應(yīng)力、硬度、彈性模量和摩擦系數(shù)等著重學(xué)習(xí)：附著、應(yīng)力、硬度一、薄膜的附著

?定義：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一種現(xiàn)象。?重要性：很大程度上決定了薄膜器件的穩(wěn)定性、可靠性和實用。

?附著的好壞主要取決于薄膜生長的初始階段。第二部分第4章薄膜的基本性質(zhì)著重介紹有關(guān)薄膜的普遍特性的研究方法第二部分第4章薄膜的11、附著機理三種附著機理：

?范德華力,化學(xué)鍵力,薄膜——基片間靜電引力（1）范德華力：薄膜及襯底原子相互極化產(chǎn)生包括：定向力（0.2eV）：永久偶極子之間的相互作用力誘導(dǎo)力（0.02eV）：永久偶極子與感應(yīng)偶極子間的相互作用力色散力（0.4eV）：電子繞原子核運動時所生的瞬時偶極矩相互作用力特點：?與靜電引力相比，范德華力是短程力?與化學(xué)鍵相比，范德華力是長程力1、附著機理2（2）化學(xué)鍵力：薄膜——基片之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合力包括：離子鍵、共價鍵、金屬鍵化學(xué)鍵力的產(chǎn)生機制：價電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成化學(xué)鍵?化學(xué)鍵力屬短程力?化學(xué)鍵能1.2~11eV（2）化學(xué)鍵力：薄膜——基片之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合力3（3）薄膜——基片間的靜電引力?須在界面兩邊積累空間電荷，或擴散的原子帶有異號電荷才會有靜電引力?靜電引力形成的原因：薄膜和基片的費米能級不同，緊密接觸后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。（3）薄膜——基片間的靜電引力42、影響附著力的因素?膜料與基片的組合有些材料需對其活化，如離子轟擊以提高其表面能、襯底加溫或制備過渡層。?基片表面污染，導(dǎo)致表面化學(xué)鍵飽和，使附著差?基片溫度的影響溫度高——利于原子擴散，形成擴散附著和形成中間化合物溫度過高——晶粒變粗會影響附著?濺射或離子束輔助沉積的膜比蒸發(fā)沉積膜附著好2、影響附著力的因素53、提高附著力的方法（1）嚴(yán)格清洗基片（2）蒸鍍膜前真空中離子轟擊處理（3）適當(dāng)提高基片溫度（4）制備中間過渡層（5）用濺射法（6）離子束轟擊薄膜4、薄膜附著力的測量方法?拉張法?膠帶剝離法?劃痕法?超聲波法3、提高附著力的方法6二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力1、物理意義（定義）薄膜內(nèi)部任一截面單位面積所受的另一側(cè)所施加的作用力稱應(yīng)力.外應(yīng)力——薄膜受外力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力——薄膜本身的原因所引起的應(yīng)力二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力72、內(nèi)應(yīng)力相關(guān)的實驗現(xiàn)象（1）蒸發(fā)過程中自然升溫引起的熱應(yīng)力可忽略（2）基片處室溫制膜后劇冷或加熱到某溫度以上；基片加溫制膜后冷卻，引起的應(yīng)有時不能忽略（3）化合物薄膜的應(yīng)力比金屬膜的應(yīng)力小1~3數(shù)量級（4）小于500?，內(nèi)應(yīng)力大些，大于1000?后，應(yīng)力較?。?）熱處理可減小內(nèi)應(yīng)力；但過高溫度，內(nèi)應(yīng)力可能回升（因為缺陷減少，體積減小，應(yīng)力增加）2、內(nèi)應(yīng)力相關(guān)的實驗現(xiàn)象83、內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因（1）薄膜和基片熱膨脹系數(shù)不同（2）結(jié)晶溫度以下的冷卻和熱收縮（3）相變過程（液→固；非晶→結(jié)晶）（4）薄膜——基片晶格失配（5）小島合并（6）雜質(zhì)影響3、內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因9三、薄膜的硬度1、定義薄膜材料相對于另一種物質(zhì)的抗摩擦、抗刻劃、抗形變的能力。2、硬度的測量方法金剛石壓頭，加一定重量壓試樣，根據(jù)被測試樣上壓痕大小來判斷硬度。（壓頭形狀不同，所得結(jié)果不同）。（1）硬度的幾種名稱?維氏（Vickers）硬度（136度）?庫氏（Knoop）硬度（172.5度）?布氏（Brinell）硬度三、薄膜的硬度10§2薄膜的電學(xué)性質(zhì)著重研究：?電阻率ρ、電導(dǎo)率σ的大小?薄膜成份對ρ、σ的影響?摻雜、雜質(zhì)、缺陷的影響?環(huán)境溫度、熱處理的影響?電場的影響§2薄膜的電學(xué)性質(zhì)11一、不連續(xù)薄膜的導(dǎo)電性質(zhì)?不連續(xù)膜：孤立小島構(gòu)成的薄膜1、三種典型研究實例——由ρ或σ與d、T、E的關(guān)系發(fā)現(xiàn)薄膜的某些電學(xué)現(xiàn)象（1）Rs-d關(guān)系：如圖：膜厚d=10~100?，Au膜Rs的變化一、不連續(xù)薄膜的導(dǎo)電性質(zhì)12可見：?Rs隨膜厚增加而減?。?0?時達(dá)1013Ω）?70?時，Rs突然大降——表明由不連續(xù)成為連續(xù)膜進一步研究ρ~T關(guān)系知：?連續(xù)薄膜具金屬的溫度特性（T上升，ρ上升）?不連續(xù)薄膜具半導(dǎo)體溫度特性（T上升，ρ下降）可見：13（2）～關(guān)系：如圖：不同膜厚Pt膜電導(dǎo)率——溫度關(guān)系結(jié)果表明：?在250~300k范圍內(nèi)，lnσ與有很好的線性關(guān)系?T高時，σ也高；膜越薄，T對σ的影響越大揭示：導(dǎo)電機理與熱激活有關(guān)～（2）～關(guān)系：～14（3）Ni膜σ~的關(guān)系如圖：不同T下，σ~的關(guān)系結(jié)果顯示：?室溫下，σ隨E變化不明顯?低溫下，有明顯變化?低溫下σ~關(guān)系是非線性的說明：導(dǎo)電具有肖特基效應(yīng)以上研究方法也可用于半導(dǎo)體膜、功能材料薄膜研究（3）Ni膜σ~的關(guān)系152、不連續(xù)金屬膜的特點（1）ρ很大，且隨d變化顯著（2）ρ與T有關(guān)，溫度系數(shù)為負(fù)值（3）電場低時，呈歐姆性導(dǎo)電，電場高時，呈非歐姆性導(dǎo)電（4）高電場下，有電子發(fā)射或光發(fā)射現(xiàn)象2、不連續(xù)金屬膜的特點163、不連續(xù)膜的導(dǎo)電機理?由孤立小島構(gòu)成，卻顯一定導(dǎo)電能力?導(dǎo)電能力與溫度有關(guān)暗示：不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)論與熱激活有關(guān)3、不連續(xù)膜的導(dǎo)電機理17兩種理論解釋模型：（1）熱電子發(fā)射模型小島受熱后，電子動能的垂直分量大于金屬材料功函數(shù)時，電子脫離金屬表面發(fā)射到真空中，被另一小島俘獲，產(chǎn)生電導(dǎo)。熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電導(dǎo)表達(dá)式如下；其中，h——普朗克常數(shù)；m——電子質(zhì)量Φ——功函數(shù)；b——小島間距（?）K——玻爾茲曼常數(shù)；ε0——介電常數(shù)。兩種理論解釋模型：18（2）熱激活隧道效應(yīng)模型?金屬小島間產(chǎn)生勢壘，電子能量低于勢壘高度，據(jù)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，電子存在從一個中性小島躍遷到另一小島的幾率，而產(chǎn)生電導(dǎo)。?電子的移動使小島帶電，產(chǎn)生庫侖作用力，故與一般隧道效應(yīng)不同，電導(dǎo)率與溫度有關(guān)。——只有熱激活的電子才能克服庫的作用力而穿過隧道，此模型導(dǎo)出的公式：（2）熱激活隧道效應(yīng)模型19其中，b為小島間距（?）Φ---隧道區(qū)域內(nèi)功函數(shù)平均值A(chǔ)=B=M——電子質(zhì)量S為小島間的有效間距熱能r為發(fā)射電子的小島的半徑其中，b為小島間距（?）20二、連續(xù)薄膜的電學(xué)性質(zhì)?微觀結(jié)構(gòu)比不連續(xù)膜致密得多?微觀缺陷比塊材多1、連續(xù)薄膜導(dǎo)電性質(zhì)的特點（1）ρ與膜厚有關(guān)；溫度越低受膜厚影響越大（2）ρ隨膜厚增大而減小，并趨于穩(wěn)定值（3）薄膜的ρ大于塊材的（4）ρ與制備工藝有關(guān)2、原因?薄膜內(nèi)缺陷濃度大大超過塊材的?表面散射效應(yīng)二、連續(xù)薄膜的電學(xué)性質(zhì)21§3薄膜的光學(xué)性質(zhì)1、主要研究?透射率T，反射率R，吸收系數(shù)α，折射率n?光學(xué)帶隙Eg?光致發(fā)光性質(zhì)（PL）?電致發(fā)光§3薄膜的光學(xué)性質(zhì)222、薄膜光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用?透明導(dǎo)電膜（ITO、ZnO等）?減反射層（太陽電池）?紅外窗口材料?發(fā)光器件（紫外、蘭光、可見光）?單向可見玻璃?光學(xué)元件、波導(dǎo)元件等2、薄膜光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用233、光學(xué)性質(zhì)的研究手段?UV——可見光分析測試儀（T,R→n,α,Eg）?橢偏儀（可變頻的）?PL參考文獻：A.Ohtomo,APL72(1998)246