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1、1第五章第五章薄膜生长与薄膜结构薄膜生长与薄膜结构2什么是薄膜：厚度小于 1 m 的膜薄膜生长概述薄膜生长概述薄膜形成主要过程有：吸附、扩散、凝结、成核、生长3吸附吸附按吸附作用力不同，将吸附分为物理吸附与化学吸附按吸附作用力不同，将吸附分为物理吸附与化学吸附薄膜的形成过程薄膜的形成过程此外，物理吸附受温度影响小，受吸附剂的比表面积和细孔分布影响较大；而化学吸附受温度影响大，受表面化学性质影响大。4真空蒸发过程中吸附的位能曲线吸附的位能曲线吸附吸附薄膜的形成过程薄膜的形成过程5表面扩散表面扩散薄膜的形成过程薄膜的形成过程吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件 原子扩散形成原子对凝结平均表面扩散时间
2、、平均表面扩散距离6凝结凝结薄膜的形成过程薄膜的形成过程指吸附原子在基体表面上形成原子对以及其后的过程薄膜制备时，要达到完全凝结的工艺设计原则： 提高淀积速率 降低基片温度 选用吸附能大的基片7形核与生长：三种主要模式形核与生长：三种主要模式薄膜的形成过程薄膜的形成过程8形核与生长：不同模式的影响因素形核与生长：不同模式的影响因素薄膜的形成过程薄膜的形成过程浸润性晶格匹配度表面能变化9形核与生长：物理过程形核与生长：物理过程薄膜的形成过程薄膜的形成过程反射、吸附、再蒸发表面扩散、原子团临界核、稳定核稳定核继续生长10形核与生长：连续膜的形成阶段形核与生长：连续膜的形成阶段薄膜的形成过程薄膜的形
3、成过程11连续膜的形成机制连续膜的形成机制形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而逐渐长大，这过程中除了涉及吸纳单个的气相原子核表面吸附原子外，还涉及核心之间的相互吞并和联合的过程。岛状核心的长大机制A.奥斯瓦尔多吞并 B.熔结 C.岛的迁移衬底原子团迁移气相扩散表面扩散ABC12连续膜的形成机制连续膜的形成机制Ostwald吞并吞并驱动力驱动力：岛状结构的薄膜力图降低自身的表面自由能结果：较大的核心不断长大，较小的核心最终消失13连续膜的形成机制连续膜的形成机制熔熔结熔结过程主要是两个相互接触的核心相互吞并的过程。驱动力驱动力：表面能的降低趋势400 下不同时间 MoS2 衬底上 Au 核心
4、相互吞并过程14连续膜的形成机制连续膜的形成机制原子原子团迁移迁移在衬底上形成的原子团有时也具有相当的活动能力。原子团的迁移由激活过程所驱使，激活能与原子团半径有关。原子团越小，激活能越低，原子团越容易迁移。岛的迁移、碰撞及合并长大机制15薄膜结构薄膜结构晶晶带模型模型Ts为衬底的温度Tm为沉积物质的熔点a.溅射薄膜组织的四种典型断面结构以及b.衬底相对温度 Ts/Tm和 溅射气压对薄膜组织的影响（b）16薄膜结构薄膜结构晶晶带模型模型蒸发蒸发方法制备的薄膜与溅射薄膜溅射薄膜的组织相似，也可被相应地划分为四个晶带。下图是蒸发法制备的金属薄膜组织形态随衬底相对温度的变化情况。蒸发法制备的金属薄膜
5、组织形态随衬底温度的变化17薄膜结构薄膜结构纤维状模型状模型在衬底温度合适的情况下，不同沉积方法制备的薄膜均呈现典型的纤维状生长组织。 原因是：原子扩散能力有限，大量晶核竞争生长。这时，原子入射到薄膜表面之后，未经过表面扩散就被后沉积来的原子掩埋了。纤维状组织的一个特性是纤维的生长方向与粒子的入射方向近似地满足：18薄膜结构薄膜结构纤维状模型状模型右图：计算机模拟得出的Ni薄膜在不同温度下的纤维状生长过程19薄膜的基本性质薄膜的基本性质导电性性核密度高核密度高晶界电阻大晶界电阻大20薄膜的基本性质薄膜的基本性质密度密度一般情况下，薄膜的密度比整块材料的密度低。在10-3Pa下蒸镀的铬膜的膜厚与
6、密度的关系21薄膜的基本性质薄膜的基本性质经时变化化由制备薄膜的过程中，急速冷却造成薄膜内部存在的各种缺陷变形导致；且膜越薄，经过一定时间后变化越大。Au蒸镀薄膜的电阻率和膜厚的经时变化22薄膜的基本性质薄膜的基本性质电介介质膜膜电介质多数是化合物，如石油、云母、陶瓷、橡胶；在薄膜制备过程中，这些化合物可能发生变化，如解离、气化等。红外吸收热处理后，各不同方法制备的石英膜的红外吸收几乎相同说明：组成成分大致相同，构造上有差异。23薄膜的粘附力和内应力薄膜的粘附力和内应力附着附着提高粘附力的途径：清洁基底表面提高基底温度制造中间过渡层活化基底表面热处理消除应力晶格匹配24薄膜的粘附力和内应力薄膜的粘附力和内应力应力力膜有收缩趋势膜有伸展趋势蒸镀银膜和溅射银膜中的残余平均应力25习题习题请分别叙述薄膜形成与生长的三种模式简述薄膜形核与生长的物理过程
