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1、第五章第五章 薄膜的性质薄膜的性质为了对薄膜的材料、用途、功能等客观地为了对薄膜的材料、用途、功能等客观地进行评价，需要测定薄膜的各种特性和效进行评价，需要测定薄膜的各种特性和效应。应。本节所讨论的内容，不是以作成器件为测本节所讨论的内容，不是以作成器件为测试对象，而仅是以薄膜材料的形式为测试试对象，而仅是以薄膜材料的形式为测试对象。对象。 第一节第一节 薄膜的力学性能薄膜的力学性能薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能
2、，附着间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着性不好的薄膜无法使用。性不好的薄膜无法使用。性不好的薄膜无法使用。性不好的薄膜无法使用。薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之间的热膨胀系数
3、的不同，也会使薄膜产生应力，过间的热膨胀系数的不同，也会使薄膜产生应力，过间的热膨胀系数的不同，也会使薄膜产生应力，过间的热膨胀系数的不同，也会使薄膜产生应力，过大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失效。大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失效。大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失效。大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失效。所以在各种应用领域中，薄膜的所以在各种应用领域中，薄膜的所以在各种应用领域中，薄膜的所以在各种应用领域中，薄膜的附着力附着力附着力附着力与与与与内应力内应力内应力内应力都都都都是首先要研究的课题。是首先要研究的课题。是首先要研究的课题。是首先要研究的课题。 一、薄膜的黏附力一、薄膜的黏
4、附力薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造过程中普遍关心的问题。过程中普遍关心的问题。对薄膜最基本的性能要求之一就是其对衬对薄膜最基本的性能要求之一就是其对衬底的附着力要好。底的附着力要好。 1、附着现象、附着现象从宏观上看，从宏观上看，附着附着就是薄膜和基体表面相就是薄膜和基体表面相互作用将薄膜黏附在基体上的一种现象。互作用将薄膜黏附在基体上的一种现象。薄膜的附着可分为薄膜的附着可分为四种类型四种类型：简单附着；简单附着；扩散附着；扩散附着；通过中间层附着；通过中间层附着；宏观效应附着。
5、宏观效应附着。 附着的四种类型示意图附着的四种类型示意图 2、 附着表征附着表征黏附力或者结合能的测定可分为两大类。黏附力或者结合能的测定可分为两大类。一类是一类是机械法机械法，另一类是，另一类是形核法形核法。机械法大致有：机械法大致有：划痕试验法；划痕试验法；拉力试拉力试验法；验法；剥离试验法；剥离试验法；磨损法；磨损法；离心离心力试验法；力试验法；弯曲法；弯曲法；碾压法；碾压法；锤击锤击法；法；压痕法；压痕法；气泡法等。气泡法等。 薄膜附着力的测量方法薄膜附着力的测量方法牢固度牢固度牢固度牢固度是指膜层对于基片的附着是指膜层对于基片的附着是指膜层对于基片的附着是指膜层对于基片的附着/ /
6、/ /粘接程度。由膜粘接程度。由膜粘接程度。由膜粘接程度。由膜层与基片之间结合力的性质来决定，化学键力的层与基片之间结合力的性质来决定，化学键力的层与基片之间结合力的性质来决定，化学键力的层与基片之间结合力的性质来决定，化学键力的结合要比物理性质的范德华力的结合牢固得多。结合要比物理性质的范德华力的结合牢固得多。结合要比物理性质的范德华力的结合牢固得多。结合要比物理性质的范德华力的结合牢固得多。针对不同的薄膜材料类型与使用目的，发展出了针对不同的薄膜材料类型与使用目的，发展出了针对不同的薄膜材料类型与使用目的，发展出了针对不同的薄膜材料类型与使用目的，发展出了多种薄膜附着力的测试方法，它们的共
7、同特点是多种薄膜附着力的测试方法，它们的共同特点是多种薄膜附着力的测试方法，它们的共同特点是多种薄膜附着力的测试方法，它们的共同特点是在对薄膜施加载荷的前体下，测量薄膜脱落时的在对薄膜施加载荷的前体下，测量薄膜脱落时的在对薄膜施加载荷的前体下，测量薄膜脱落时的在对薄膜施加载荷的前体下，测量薄膜脱落时的临界载荷。在各种方法中，较为有代表性的测试临界载荷。在各种方法中，较为有代表性的测试临界载荷。在各种方法中，较为有代表性的测试临界载荷。在各种方法中，较为有代表性的测试方法有两大类，即方法有两大类，即方法有两大类，即方法有两大类，即剥离法剥离法剥离法剥离法和和和和拉伸法拉伸法拉伸法拉伸法。 薄膜附
8、着力的测量方法薄膜附着力的测量方法胶带剥离法胶带剥离法胶带剥离法胶带剥离法：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被剥离的难易程度。剥离的难易程度。剥离的难易程度。剥离的难易程度。摩擦法摩擦法摩擦法摩擦法：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，：用布、皮革或橡胶等材料摩擦
9、薄膜表面，以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄膜附着力的强弱。膜附着力的强弱。膜附着力的强弱。膜附着力的强弱。超声波法超声波法超声波法超声波法：用超声波的方法造成周围介质发生强：用超声波的方法造成周围介质发生强：用超声波的方法造成周围介质发生强：用超声波的方法造成周围介质发生强力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，根据薄膜发生脱落时的超
10、声波的能量水平推断薄根据薄膜发生脱落时的超声波的能量水平推断薄根据薄膜发生脱落时的超声波的能量水平推断薄根据薄膜发生脱落时的超声波的能量水平推断薄膜的附着力。膜的附着力。膜的附着力。膜的附着力。 薄膜附着力的测量方法薄膜附着力的测量方法离心力法离心力法：使薄膜与衬底一起进行高速旋：使薄膜与衬底一起进行高速旋转，在离心力作用下，使薄膜从衬底上脱转，在离心力作用下，使薄膜从衬底上脱开，用旋转离心力来表征薄膜的附着力。开，用旋转离心力来表征薄膜的附着力。脉冲激光加热疲劳法脉冲激光加热疲劳法：利用薄膜与衬底在：利用薄膜与衬底在脉冲激光作用下周期性地热胀冷缩，使薄脉冲激光作用下周期性地热胀冷缩，使薄膜与
11、衬底不断地弯曲变形，从而引起界面膜与衬底不断地弯曲变形，从而引起界面疲劳和造成薄膜脱落时单位薄膜面积上所疲劳和造成薄膜脱落时单位薄膜面积上所吸收的激光能量来表征薄膜的附着力。吸收的激光能量来表征薄膜的附着力。 二、二、 薄膜的内应力薄膜的内应力我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方法我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方法我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方法我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方法进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都有内进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都有内进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都有内进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都有内应力存在。应力存在。
12、应力存在。应力存在。如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄膜如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄膜如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄膜如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄膜有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为张应力张应力张应力张应力；如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜有如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜有如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜有如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜有向外侧发生凸面弯曲的趋势，此力称为向外侧发生凸面弯曲的趋势，此力称为向外侧发生凸面
13、弯曲的趋势，此力称为向外侧发生凸面弯曲的趋势，此力称为压应力压应力压应力压应力。由此我们把薄膜内产生力矩的力称为由此我们把薄膜内产生力矩的力称为由此我们把薄膜内产生力矩的力称为由此我们把薄膜内产生力矩的力称为内应力内应力内应力内应力。 1、 内应力形成的原因内应力形成的原因（1）热应力（热收缩效应）热应力（热收缩效应） （2）相转移效应）相转移效应 （3）空位的消除）空位的消除 （4）界面失配）界面失配 （5）杂质效应）杂质效应 （6）原子、离子埋入效应）原子、离子埋入效应 （7）表面张力（表面能）表面张力（表面能） 2、 内应力的测量内应力的测量内应力的测量方法有：内应力的测量方法有：悬壁梁
14、法；悬壁梁法；弯盘法；弯盘法；X射线衍射法；射线衍射法；激光拉曼法。激光拉曼法。 3、 内应力与薄膜的物理性能内应力与薄膜的物理性能（1）内应力引起）内应力引起磁各向异性磁各向异性，内应，内应力是通过磁致伸缩现象向薄膜提供能力是通过磁致伸缩现象向薄膜提供能量的。而且还对薄膜的磁性能产生影量的。而且还对薄膜的磁性能产生影响。响。（2）内应力引起）内应力引起超导点的变化超导点的变化，如，如引起引起Pb膜超导点的下降。膜超导点的下降。 三、三、 提高黏附力的途径提高黏附力的途径（1）对基体进行清洁处理）对基体进行清洁处理 （2）提高基体温度）提高基体温度（3）制造中间过渡层）制造中间过渡层（4）活化
15、表面）活化表面（5）热处理）热处理（6）晶格匹配）晶格匹配（7）用氧化方法）用氧化方法（8）用梯度材料）用梯度材料 第二节第二节 薄膜的电学性质薄膜的电学性质 一、一、 介电常数介电常数压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有差异。差异。在薄膜中常有较大的残留内应力以及测量在薄膜中常有较大的残留内应力以及测量上的原因，也导致薄膜的介电常数值不同上的原因，也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。于晶体的相应数值。 一、一、 介电常数介电常数压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原因，除了因内应力大小和测试条件不同以因，除了因内应
16、力大小和测试条件不同以外，还因薄膜成分偏离化学式计量比和薄外，还因薄膜成分偏离化学式计量比和薄膜厚度的差别；膜厚度的差别；薄膜介电常数随厚度减薄而变小；薄膜介电常数随厚度减薄而变小；另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化也会发生明显的变化。的变化也会发生明显的变化。 二、二、 体积电阻率体积电阻率从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说，都从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说，都从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说，都从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说，都希望它具有很高的电阻率，至少应该希望它具有很高的电阻率，至少应该希望它具有很高的电阻率，至少应
17、该希望它具有很高的电阻率，至少应该 ALNALN薄膜的电阻率为薄膜的电阻率为薄膜的电阻率为薄膜的电阻率为210210141411011015 15 ，远，远，远，远高于高于高于高于10108 8 ，因而在这方面，因而在这方面，因而在这方面，因而在这方面AINAIN是十分优异的是十分优异的是十分优异的是十分优异的薄膜。薄膜。薄膜。薄膜。有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不相同子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不相同子迁移率也是
18、各向异性的。电导率也是各不相同子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不相同的。的。的。的。 三、三、 损耗角正切损耗角正切ALNALN压电薄膜压电薄膜压电薄膜压电薄膜的介质损耗角正切的介质损耗角正切的介质损耗角正切的介质损耗角正切 ZnOZnO薄膜的薄膜的薄膜的薄膜的 则较大，为则较大，为则较大，为则较大，为0.0050.010.0050.01。这些。这些。这些。这些薄膜的薄膜的薄膜的薄膜的 之所以有这样大，是由于在这些薄之所以有这样大，是由于在这些薄之所以有这样大，是由于在这些薄之所以有这样大，是由于在这些薄膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰豫膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰豫膜
19、中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰豫膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰豫过程。过程。过程。过程。与介质薄膜类似，压电薄膜的与介质薄膜类似，压电薄膜的与介质薄膜类似，压电薄膜的与介质薄膜类似，压电薄膜的 随温度和频随温度和频随温度和频随温度和频率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。另外，在薄膜厚度减小时，另外，在薄膜厚度减小时，另外，在薄膜厚度减小时，另外，在薄膜厚度减小时， 趋向于增大。趋向于增大。趋向于增大。趋向于增大。 四、击穿场强四、击穿场强因为电介质的击穿场强属于因为电介
20、质的击穿场强属于因为电介质的击穿场强属于因为电介质的击穿场强属于强度参数强度参数强度参数强度参数，而且在薄，而且在薄，而且在薄，而且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性；强有相当大的分散性；强有相当大的分散性；强有相当大的分散性；按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减少而逐渐增大击穿场强应
21、该随薄膜厚度的减少而逐渐增大击穿场强应该随薄膜厚度的减少而逐渐增大击穿场强应该随薄膜厚度的减少而逐渐增大。但。但。但。但是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。
22、 五、五、 体声波性能体声波性能体声波压电换能器体声波压电换能器体声波压电换能器体声波压电换能器最重要的特性参数是谐振频率最重要的特性参数是谐振频率最重要的特性参数是谐振频率最重要的特性参数是谐振频率 、声阻抗、声阻抗、声阻抗、声阻抗 和机电耦合系数和机电耦合系数和机电耦合系数和机电耦合系数K K。所以对压电薄所以对压电薄所以对压电薄所以对压电薄膜的声速膜的声速膜的声速膜的声速v v及其温度系数、声阻抗和机电耦合系及其温度系数、声阻抗和机电耦合系及其温度系数、声阻抗和机电耦合系及其温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。数要求特别严格。数要求特别严格。数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取
23、决于薄膜内晶粒的弹性、而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。 六、六、 表声波性能表声波性能表声波在压电介质中传播时，其质点位移表声波在压电介质中传播时，其质点位
24、移振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速衰减，因此表声波能量主要集中在表面下衰减，因此表声波能量主要集中在表面下一二个波长的范围内。下图示出了压电介一二个波长的范围内。下图示出了压电介质中表声波传播示意图。质中表声波传播示意图。 压电介质中表声波传播示意图压电介质中表声波传播示意图 表声波性能函数式表声波性能函数式由于表声波的性质与体声波的不同，所以压由于表声波的性质与体声波的不同，所以压电材料在表声波方面所表现出的性能显著地电材料在表声波方面所表现出的性能显著地不同于它的体声波性能。不同于它的体声波性能。可将薄膜的表声波性能表达为下列函数式：可将薄膜的表声波
25、性能表达为下列函数式： 表声波性能表声波性能 = F（原材料，基片，薄膜结构，（原材料，基片，薄膜结构，波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度波波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度波数积）数积） 第三节第三节 薄膜的光学特性薄膜的光学特性当光照在薄膜上时，一部分光会被薄膜物当光照在薄膜上时，一部分光会被薄膜物质所质所吸收吸收，一部分光在薄膜表面被，一部分光在薄膜表面被反射反射，也有一部分光会穿过薄膜而也有一部分光会穿过薄膜而透射透射出去。如出去。如果是多层薄膜还会发生果是多层薄膜还会发生多重反射效应多重反射效应，其，其计算结果很复杂。计算结果很复杂。 薄膜材料的光学常数关系薄膜材料的光学常数关系
26、固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系固体材料的光学性质是由折射指数的频率关系 确定的，而确定的，而确定的，而确定的，而 有下列关系：有下列关系：有下列关系：有下列关系：这里这里这里这里 称为消光系数，称为消光系数，称为消光系数，称为消光系数， 是介电常数的实部，是介电常数的实部，是介电常数的实部，是介电常数的实部， 是介电常数的虚部，它与固体中的基本跃迁有关。是介电常数的虚部，它与固体中的基本跃迁有关。是介电常数的虚部，它与固体中的基本跃迁有关。是介电常数的虚部，它与固体中的基本跃迁有关。以上结果可用于讨论薄膜材料的光学常数关系。以上结果可用于讨论薄膜材料的光学常数关系。以上结果可用于讨论薄膜材料的光学常数关系。以上结果可用于讨论薄膜材料的光学常数关系。
