纳米材料导论第三章纳米薄膜材料课件.ppt

1、第三章第三章 纳米薄膜材料纳米薄膜材料纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 薄膜材料是相对于体材料而言的，是人薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或体材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层制备的一层性质于体材料完全不同的物质层。薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的殊的材料性能或材料组合材料性能或材料组合。返回返回纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展薄膜材料之

2、所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因 1 现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众展，打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路就可以完成。几个器件或一块集成电路就可以完成。薄膜技术薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。2 器件的微型化不仅可以保持器件原有的功器件的微型化

3、不仅可以保持器件原有的功能，并使之能，并使之更强化更强化，而且随着器件的尺寸减，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全多全新的物理现象新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。有效手段。3 每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地复合在一起，

4、构成具有优异特的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势，性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势，避免单一材料的局限性避免单一材料的局限性 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 纳米薄膜的分类纳米薄膜的分类 A：由纳米粒子组成：由纳米粒子组成(或堆砌而成或堆砌而成)的薄膜。的薄膜。B：在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料，即纳：在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料，即纳米复合薄膜米复合薄膜 由特征维度尺寸为纳米数量级（由特征维度尺寸为纳米数量级（1100nm）的组元镶嵌于不）的组元镶嵌于不同的基体里所形成的复合薄膜材料。同的基体里

5、所形成的复合薄膜材料。“纳米复合薄膜纳米复合薄膜”按用途可分为两大类：按用途可分为两大类：a:纳米复合纳米复合功能功能薄膜薄膜 b:纳米复合纳米复合结构结构薄膜薄膜纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系a:纳米复合纳米复合功能功能薄膜：薄膜：利用纳米粒子所具有的光、电、利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具备的性磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具备的性能，从而获得传统薄膜所没有的功能。能，从而获得传统薄膜所没有的功能。电磁学性质电磁学性质导电薄膜：导电薄膜：Au,Ag,Cu,Al,NiCr,NiSiAu,Ag,Cu,Al,NiCr,NiSi2 2

6、,NiSi,CoSi,NiSi,CoSi2 2,TiSi,TiSi2 2,SnO,SnO2 2电介质薄：电介质薄：SiOSiO2 2,CaF,BaF,CaF,BaF2 2,Si,Si3 3N N4 4,AlN,BN,BaTiO,AlN,BN,BaTiO3 3,PZT(PbZr,PZT(PbZr1-x1-xTiTix xO O3 3)半导体薄膜：半导体薄膜：Si,Ge,C,SiC,GaAs,GaN,InSb,CdTe,CdS,ZnSeSi,Ge,C,SiC,GaAs,GaN,InSb,CdTe,CdS,ZnSe超导薄膜：超导薄膜：YBCO(YBaYBCO(YBa2 2CuCu3 3O O7 7)

7、磁性薄膜：磁性薄膜：Co-Cr,Mn-Bi,GdTbFe,LaCo-Cr,Mn-Bi,GdTbFe,La1-x1-xCaCax x(Sr(Srx x)MnO)MnO3 3压电薄膜：压电薄膜：AlN,ZnO,LiNbOAlN,ZnO,LiNbO3 3,BaTiO,BaTiO3 3,PbTiO,PbTiO3 3 b)b)光学性质光学性质吸收，反射，增透膜：吸收，反射，增透膜：Si,CdTe,GaAs,CuInSeSi,CdTe,GaAs,CuInSe2 2,MgF,MgF发光膜：发光膜：ZnS,ZnSe,Al ZnS,ZnSe,Alx xGaGa1-x1-xAs,GaN,SiC As,GaN,Si

8、C 装饰膜：装饰膜：TiN/TiOTiN/TiO2 2/Glass,Au,TiN/Glass,Au,TiN纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系b:纳米复合纳米复合结构结构薄膜薄膜：通过纳米粒子复合：通过纳米粒子复合提高机械方面的性能提高机械方面的性能a)a)硬度，磨损，摩擦硬度，磨损，摩擦 TiN,CrN,ZrN,TiC,CrC,ZrC,TiN,CrN,ZrN,TiC,CrC,ZrC,Diamond Diamondb)b)腐蚀腐蚀 Au,Zn,Sn,Ni-Cr,TiN,BN Au,Zn,Sn,Ni-Cr,TiN,BN纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系金属绝缘体、半

9、导体绝缘体、金属半导体、金属绝缘体、半导体绝缘体、金属半导体、金属高分子、半导体高分子金属高分子、半导体高分子“纳米复合薄膜纳米复合薄膜”纳米粒子：纳米粒子：金属、半导体、绝缘体、有机高分子金属、半导体、绝缘体、有机高分子基体材料：基体材料：不同于纳米粒子的任何材料不同于纳米粒子的任何材料 复合薄膜系列：复合薄膜系列：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系32纳米薄膜材料制备技术纳米薄膜材料制备技术 1 1）、真空蒸发）、真空蒸发(单源单层蒸发；单源多层蒸发；单源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反应共蒸发多源反应共蒸发)2 2）、磁控溅射）、磁控溅射 3 3）、离子束溅射（单离子束）、

10、离子束溅射（单离子束(反应反应)溅射；双离溅射；双离子束子束(反应反应)溅射；多离子束反应共溅射）溅射；多离子束反应共溅射）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）化学气相沉积化学气相沉积(CVD)CVD)：金属有机物化学气相沉金属有机物化学气相沉积；热解化学气相沉积；等离子体增强化学气相积；热解化学气相沉积；等离子体增强化学气相沉积；激光诱导化学气相沉积；微波等离子体化沉积；激光诱导化学气相沉积；微波等离子体化学气相沉积。学气相沉积。2)2)溶胶溶胶-凝胶法凝胶法3)3)电镀法电镀法 2 2、化学方法化学方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材

11、料材料化学系金属有机物化学沉积Atmospheric Pressure Chemical Vapor DepositionLow Pressure Chemical Vapor Deposition纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 厚度均匀度厚度均匀度 表面平坦度粗糙度表面平坦度粗糙度 成分晶粒尺寸成分晶粒尺寸 不含应力不含应力 纯度纯度 整体性整体性-沉积膜必须材质连续、不含针孔沉积膜必须材质连续、不含针孔-膜层的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱膜层的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱-覆盖阶梯形状特别重要，膜层厚度维持不变的能力覆盖阶梯形状特别重要，膜层

12、厚度维持不变的能力/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质参数薄膜性质参数物理气相沉积物理气相沉积(PVD)PVD)方法作为一类常规的薄膜制方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛地应用于纳米薄膜的制备与研究工备手段被广泛地应用于纳米薄膜的制备与研究工作中，作中，PVDPVD包括包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。等。3 32 21 1物理气相沉积法物理气相沉积法1 1气相沉积的基本过程气相沉积的基本过程(1)(1)气相物质的产生气相物质的产生(2)(2)气相物质的输运气相物质的输运(3)(3)气相物质的沉积气相物质的沉积纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料

13、材料化学系1EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloud2SputteringMaterialSubstratePlasma使 沉 积 物 加 热 蒸 发，这 种 方 法 称 为 蒸 发 镀 膜使 沉 积 物 加 热 蒸 发，这 种 方 法 称 为 蒸 发 镀 膜Evaporation ；用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积物原子，称为溅射镀膜物原子，称为溅射镀膜Sputtering。(1)(1)气相物质的产生气相物质的产生目的：目的：避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片。避免气

14、体碰撞妨碍沉积物到达基片。在高真空度的情况下在高真空度的情况下(真空度真空度1010-2-2Pa)Pa)，沉积物沉积物与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线到达基片，到达基片，沉积速率较快沉积速率较快；若真空度过低若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差。太差。(2)(2)气相物质的输运气相物质的输运在真空中进行在真空中进行气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成

15、根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、非晶态膜、多晶膜或单晶膜多晶膜或单晶膜。若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学反应形成化合物膜，称为反应形成化合物膜，称为反应镀反应镀。若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改变膜层结构与性能的沉积过程称为变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀离子镀。(3)(3)气相物质的沉积气相物质的沉积定义：定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。然后凝聚在基体表面的方法。(见书上见书上p52图图)2.蒸镀蒸镀在高

16、真空中，将源物质加在高真空中，将源物质加热到高温，相应温度下的热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发。饱和蒸气向上散发。基片设在蒸气源的上方阻基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在基片挡蒸气流，蒸气则在基片上形成凝固膜。上形成凝固膜。为了补充凝固蒸气，蒸发为了补充凝固蒸气，蒸发源要以一定的速度连续供源要以一定的速度连续供给蒸气。给蒸气。(1)(1)蒸镀原理蒸镀原理纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀合金膜的制备合金膜的制备 化合物膜的制取化合物膜的制取 分子束外延分子束外延 激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(2)(2)蒸镀方法蒸镀方

17、法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系n电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器，并电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器，并将膜材料放在上面加热，将膜材料放在上面加热，利用电流的热效应利用电流的热效应使加热器温使加热器温度达到材料蒸发的温度，度达到材料蒸发的温度，膜材料蒸发并淀积在基板上。膜材料蒸发并淀积在基板上。一些金属的蒸发温度一些金属的蒸发温度 电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀由由此此表可见大多数金表可见大多数金属的蒸发温度都在属的蒸发温度都在1000度到度到2000度之度之间，而钨、钼的熔点间，而钨、钼的熔点都高于都高于2000度，因度，因此此加热的金属材料一加热的金属材

18、料一般都选钨、钼。般都选钨、钼。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系v将钨丝绕制成各种直径或不等直径的将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状螺旋状即可作为加热源。在融化以后、即可作为加热源。在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。电阻材料的要求电阻材料的要求 耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率。物发生化学反应、无放气现象和其它污

19、染、合适的电阻率。所以一般是难熔金属所以一般是难熔金属 W、Mo和和Ta等等A:钨丝加热器钨丝加热器v钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系对于钨丝不能加热的物质，对于钨丝不能加热的物质，如一如一些材料的粉末，则用些材料的粉末，则用难熔金属板难熔金属板支撑支撑的加热器。的加热器。对于在固态升华的物质来说对于在固态升华的物质来说，也也可以用难熔金属制成的升华用专可以用难熔金属制成的升华用专用容器。用容器。B:舟状加热器舟状加热器纳米材料及纳米工艺 第三章 纳

20、米薄膜材料材料化学系v电阻加热法：依靠电阻加热法：依靠缠于坩埚外缠于坩埚外的电阻丝加热。的电阻丝加热。v高频加热法：用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，高频加热法：用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。显然，后者要求被加热物或坩埚有一定的蒸发物质的加热。显然，后者要求被加热物或坩埚有一定的导电性。导电性。C：坩埚加热器：坩埚加热器v材料：高熔点氧化物、材料：高熔点氧化物、BN、石墨、难熔金属石墨、难熔金属加热有二种方式，即传统的加热有二种方式，即传统的电阻加热法和高频加

21、热法电阻加热法和高频加热法，纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系常用的几种加热器形状丝状舟状坩埚纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系坩埚式蒸发器结构坩埚式蒸发器结构(Ta加热器加热器)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系电阻法的缺点：电阻法的缺点：膜材料与加热材料之间产生扩散或膜材料与加热材料之间产生扩散或反应反应，使加热材料本身的熔点和蒸发点降低，以致，使加热材料本身的熔点和蒸发点降低，以致造成镀得的膜层含有杂质造成镀得的膜层含有杂质。大多数膜材料在熔化后将于加热材料大多数膜材料在熔化后将于加热材料浸润浸润。表面扩张，附着在加热器上形成表面扩张，附着

22、在加热器上形成面蒸发源面蒸发源，蒸发效，蒸发效果比较好。果比较好。反之，若膜材料于加热材料反之，若膜材料于加热材料不浸润不浸润，膜材料将，膜材料将融为一个液球，成为融为一个液球，成为点蒸发源点蒸发源，如果，如果加热器的形状加热器的形状不合适液球将从加热器上脱落下来，使蒸镀失败。不合适液球将从加热器上脱落下来，使蒸镀失败。蒸镀时要根据膜材料的性质，注意选择加热器的形状。蒸镀时要根据膜材料的性质，注意选择加热器的形状。-不能沉积合金不能沉积合金(因不同元素蒸发速率不同因不同元素蒸发速率不同)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系特性：特性：独特的光催化性和超亲水性、光学、电导等性质和独

23、特的光催化性和超亲水性、光学、电导等性质和优良的化学稳定性优良的化学稳定性应用：应用：光催化降解有机物、抗菌防污、除雾、自清洁等。光催化降解有机物、抗菌防污、除雾、自清洁等。能够抵抗介质的电化学腐蚀能够抵抗介质的电化学腐蚀,已被广泛应用于半导体、传感已被广泛应用于半导体、传感器等领域。器等领域。TiO2 薄膜功能薄膜材料：薄膜功能薄膜材料：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系实验方法：z 基体为普通玻璃片和不锈钢片基体为普通玻璃片和不锈钢片,尺寸大小为尺寸大小为25 mm 15 mm。超声波清洗机预处理后的基片固定在镀。超声波清洗机预处理后的基片固定在镀膜机内的支架上；膜机内的支

24、架上；z在一定真空度下在一定真空度下,除去炉除去炉内残留气体内残留气体,同时反应室内同时反应室内中通入适量氮气中通入适量氮气,通过反应通过反应可在基片上沉积生成可在基片上沉积生成TiO2 薄膜。薄膜。z薄膜的沉积厚度可通过薄膜的沉积厚度可通过改变真空蒸发沉积时间来改变真空蒸发沉积时间来控制。控制。普通玻璃片和不锈钢片普通玻璃片和不锈钢片纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系v用电子束法加热将避免电阻法的缺点。用电子束法加热将避免电阻法的缺点。电子束法是将电子束法是将热发射的电子在电场的作用下，经磁聚焦后形成电子热发射的电子在电场的作用下，经磁聚焦后形成电子束打在加热器（坩埚）内的膜

25、材料上，束打在加热器（坩埚）内的膜材料上，膜材料在电子膜材料在电子束的轰击下蒸镀到基板上，形成镀膜。坩埚通常要水束的轰击下蒸镀到基板上，形成镀膜。坩埚通常要水冷。冷。电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀利用电子束加热可以使钨利用电子束加热可以使钨(熔点熔点3380)等高熔点金属熔化。等高熔点金属熔化。此种方法适用于多种此种方法适用于多种膜材料，尤其适用于膜材料，尤其适用于高熔点的物质。高熔点的物质。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系电子束加热装置结构电子束加热装置结构(热灯丝释出电子热灯丝释出电子)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系电子束加工时注意事项电子束加工时注意事

26、项n当电子束撞击到金属、气体或金属蒸汽时，当电子束撞击到金属、气体或金属蒸汽时，会产生会产生X X射线，伤害人体细胞。在电子束加工射线，伤害人体细胞。在电子束加工中，必须注意中，必须注意X X射线辐射对人体的危害。射线辐射对人体的危害。n因此需要配置因此需要配置足够厚的钢壁或外壁包铅足够厚的钢壁或外壁包铅以防止射以防止射线外溢。线外溢。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系图图1:薄膜由均匀的微小晶粒薄膜由均匀的微小晶粒组成组成.图中膜层表面的裂纹是图中膜层表面的裂纹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.纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材

27、料材料化学系蒸镀实验步骤蒸镀实验步骤:1)1)基片清洗以及安装：基片清洗以及安装：对薄膜基片，先用水对薄膜基片，先用水洗掉灰尘，再用超声波清洗干净，取出后洗掉灰尘，再用超声波清洗干净，取出后用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样品架指定位置。品架指定位置。2)2)镀膜材料的准备镀膜材料的准备，安放在蒸发用坩埚内。，安放在蒸发用坩埚内。3)3)盖好钟罩，抽真空盖好钟罩，抽真空，达到蒸发镀膜的真空，达到蒸发镀膜的真空要求（要求（1010-4-4PaPa左右）。左右）。4)4)开启坩埚的开启坩埚的加热电源加热电源，烘烤样片烘烤样片。5)5)预熔镀膜材料预熔镀膜材料。

28、纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系6)6)移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，把蒸镀材料加热到一定温度（熔点以上），把蒸镀材料加热到一定温度（熔点以上），开始蒸镀。开始蒸镀。7)7)蒸膜厚度达到要求以后，把挡板拨回原位，蒸膜厚度达到要求以后，把挡板拨回原位，依次关闭镀膜材料、基片的加热电源，等基依次关闭镀膜材料、基片的加热电源，等基片冷却到室温左右，关闭真空泵，开启钟罩，片冷却到室温左右，关闭真空泵，开启钟罩，取出样片进行测试。取出样片进行测试。注意事项注意事项1)预熔镀膜材料时要保证挡板挡在样片上。预熔镀膜材料时要保证挡板挡在样片上

29、。2)样片取出前要冷却样片到室温左右。样片取出前要冷却样片到室温左右。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系制备制备MgB2 超导薄膜的困难主要在于超导薄膜的困难主要在于:Mg 和和B 的蒸汽压相差的蒸汽压相差太大太大;Mg 对氧很敏感对氧很敏感,易氧化易氧化,热稳定性实验表明热稳定性实验表明MgB2 在温在温度高于度高于425 时开始分解。时开始分解。目前多数目前多数MgB2 超导薄膜都是经过超导薄膜都是经过后热处理后热处理制备的。制备的。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系实验步骤v衬底的清洗衬底的清洗:在装样品前在装样品前,Al2O3 衬底先浸入衬底先浸入NH4

30、0H/H2O2/H2O 混合液去除颗粒、混合液去除颗粒、0.5%稀盐酸去除金属污染、热蒸馏稀盐酸去除金属污染、热蒸馏水水(约约60)漂洗漂洗,然后热氮气吹干。然后热氮气吹干。v先驱膜沉积先驱膜沉积:抽真空，在抽真空，在Al2O3 衬底上蒸镀第一层衬底上蒸镀第一层Mg(150A),再蒸镀第二层再蒸镀第二层B(100A),然后继续交替进行然后继续交替进行,最后最后一层为一层为B。各层。各层Mg 和和B 厚度按照组分厚度按照组分1:2 的比例的比例,使先驱膜使先驱膜厚度约为厚度约为3150A。（考虑到。（考虑到Mg 极易挥发极易挥发,在此阶段衬底没有在此阶段衬底没有加热）加热）v原位后热处理原位后热

31、处理:先驱膜沉积结束后先驱膜沉积结束后,往真空室内充入纯度为往真空室内充入纯度为99.99%的的Ar至至150Pa 氩气氛氩气氛,然后对衬底进行加热然后对衬底进行加热,升温至升温至630 并保持并保持30 分钟分钟,最后切断加热电源最后切断加热电源,自然冷却至室温。自然冷却至室温。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系蒸发源：蒸发源：将百分含量为将百分含量为99.9%的二氧化锆粉末和百分含量为的二氧化锆粉末和百分含量为99.99%的三氧化二钇不同摩尔配比混合，利用研钵研磨均的三氧化二钇不同摩尔配比混合，利用研钵研磨均匀匀.利用压片机

32、将之压成片之后后放入到电子束蒸发镀膜利用压片机将之压成片之后后放入到电子束蒸发镀膜仪电子束的铜靶上仪电子束的铜靶上,铜靶为坩锅状铜靶为坩锅状.（压片的目的是为了防止电（压片的目的是为了防止电子束把二氧化锆打散）子束把二氧化锆打散）.基片：基片：采用石英玻璃片采用石英玻璃片,用丙酮清洗完毕用丙酮清洗完毕,放入到体积比为放入到体积比为1 3 的浓磷酸与浓硫酸的溶液中的浓磷酸与浓硫酸的溶液中,再将基片在去离子水中清洗干净再将基片在去离子水中清洗干净后在热的氮气中烘干后在热的氮气中烘干,然后将其固定到干净的夹具上面然后将其固定到干净的夹具上面.最后将最后将带有基片的夹具固定到真空腔中带有基片的夹具固定

33、到真空腔中.仪器：仪器：为了保证镀膜质量为了保证镀膜质量,所有镀膜仪真空腔内的实验器件都所有镀膜仪真空腔内的实验器件都必须保持清洁必须保持清洁.镀膜前我们利用丙酮将真空腔擦干净镀膜前我们利用丙酮将真空腔擦干净;夹具用来夹具用来固定基片固定基片(石英玻璃片石英玻璃片),用丙酮将其清洗干净用丙酮将其清洗干净,然后用热的氮气然后用热的氮气将其烘干将其烘干;制备方法：制备方法：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系随着退火温度的变大随着退火温度的变大,薄膜表面薄膜表面多晶微粒变多多晶微粒变多,而且而且粒径也逐渐变大粒径也逐渐变大.在温度为在温度为900 时时,出现了少量出现了少量的大单晶晶

34、粒的大单晶晶粒.到了退火温度达到到了退火温度达到1050 时时,出现出现了大量的单晶晶粒了大量的单晶晶粒,而且晶粒变的很大而且晶粒变的很大(500nm).样其热稳定性变差样其热稳定性变差纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系沉积合金膜，应在整个基片表面和膜层厚度范围内沉积合金膜，应在整个基片表面和膜层厚度范围内得到均匀的组分。得到均匀的组分。合金膜的制备合金膜的制备 可采用两种方式可采用两种方式（p53图图3.6）单电子束蒸发源沉积单电子束蒸发源沉积多电子束蒸发源沉积多电子束蒸发源沉积 蒸镀法制取化合物膜的限制因素蒸镀法制取化合物膜的限制因素:1)1)大多数的化合物在大多数的化合物

35、在加热蒸发时会全部或部分分解加热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单的蒸镀技术无法由化合物直接制成符合化所以用简单的蒸镀技术无法由化合物直接制成符合化学计量比的膜层。学计量比的膜层。(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、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如B203、Sn02，可以采用蒸镀。因为它们可以采用蒸镀。因为它们很少分解或者当其凝很少分解或者当其凝聚时各种组元又重新化合聚时各种组元又重新化合。)2)2)与坩埚材料反应从而改变膜层成分。与坩埚材料反应从而改变膜层成分。化合物膜的制取化合物膜的制取纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材

36、料材料化学系制取化合物膜的途径是采用制取化合物膜的途径是采用反应镀反应镀。例如。例如镀制镀制TiCTiC是在蒸镀是在蒸镀TiTi的同时，向真空室通的同时，向真空室通入乙炔气，在基片上发生以下反应，而得入乙炔气，在基片上发生以下反应，而得到到TiCTiC膜层：膜层：2 2Ti+CTi+C2 2H H2 2一一2 2TiC+HTiC+H2 2 以以蒸镀为基础蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备，发展起来的分子束外延技术和设备，经过十余年的开发，近年来已制备出各种经过十余年的开发，近年来已制备出各种V V族化合物的半导体器件。外延：沉积膜与基片之族化合物的半导体器件。外延：沉积膜与基片之间存在一

37、定的间存在一定的结晶学关系结晶学关系。分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)（MBE）MBE生长原理生长原理在一定的单晶基体上材料衬底上，沿着衬底的某个在一定的单晶基体上材料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜，如外延膜在指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜，如外延膜在同一材料上生长，称为同一材料上生长，称为同质外延同质外延，如果外延是在不，如果外延是在不同材料上生长则为同材料上生长则为异质外延异质外延。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系在在Si（100）表面上异质外延生长了）表面上异质外延生长了Si1-XGe层层在在MgO（100）

38、基片上原位制备了）基片上原位制备了YBa2CuO薄膜薄膜 在超高真空条件下，精确控制原材料的分子束强度，在超高真空条件下，精确控制原材料的分子束强度，把分子束射入被加热的底片上而进行外延生长的。可在原把分子束射入被加热的底片上而进行外延生长的。可在原子尺度上精确控制外延厚度，掺杂和界面平整度的超薄层子尺度上精确控制外延厚度，掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备技术。薄膜制备技术。MBE方法方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系该技术的特点是：该技术的特点是：A：系统是超高真空，因此杂质气体不易进入薄膜，薄膜的纯：系统是超高真空，因此杂质气体不易进入薄膜，薄膜的纯度高。度高。B：外延

39、生长一般可在低温下进行。：外延生长一般可在低温下进行。C：可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。：可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。D：对薄膜进行原位检测分析，严格控制薄膜的生长及性质。：对薄膜进行原位检测分析，严格控制薄膜的生长及性质。设备昂贵，维护费用高，生长时间过长，不易大规模生产等。设备昂贵，维护费用高，生长时间过长，不易大规模生产等。缺点：缺点：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系装置：装置：工作室工作室分子束喷射源分子束喷射源超高真空系统超高真空系统各种监控仪器各种监控仪器将制备薄膜所需将制备薄膜所需要的物质和掺杂要的物质和掺杂剂分别放入系统剂分别放入系统中若干喷射源的中若干

40、喷射源的坩埚内，加热使坩埚内，加热使物质熔化产生相物质熔化产生相应的分子束。应的分子束。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系MBE/SPM/MOKE/Mssbauer SpectrometerVT-SPMLED/AESMssbauer SpectrometerMOKEMBE/EBERHEED分子束外延设备分子束外延设备纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系王晓东，王晓东，2019年毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科院年毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科院刘永龄奖学金。先后在日本神户大学，刘永龄奖学金。先后在日本神户大学，瑞典瑞典Chalmer大学做博大学做博士

41、后士后。现在中国科学院半导体研究所集成技术中心副研究员，。现在中国科学院半导体研究所集成技术中心副研究员，周大勇，周大勇，2019年毕业，理学硕士学位，年毕业，理学硕士学位，2019年毕业于荷兰埃因年毕业于荷兰埃因霍温理工大学物理系，获得博士学位，现在霍温理工大学物理系，获得博士学位，现在法国博士后法国博士后。澜清，澜清，2019年毕业，理学硕士学位，后获得北京大学博士学位，年毕业，理学硕士学位，后获得北京大学博士学位，现在现在法国博士后法国博士后。孔云川，孔云川，2019年毕业，理学硕士学位，读研期间曾获得中科院年毕业，理学硕士学位，读研期间曾获得中科院刘永龄奖学金。现在刘永龄奖学金。现在美

42、国普林斯顿大学物理系攻读博士学位美国普林斯顿大学物理系攻读博士学位。徐晓华，徐晓华，2019年秋季毕业，工学硕士学位，现在年秋季毕业，工学硕士学位，现在美国美国Advanced Materials公司北京分公司工程师。公司北京分公司工程师。倪海桥，倪海桥，2019年博士后出站。留在本课题组工作，现已评为副年博士后出站。留在本课题组工作，现已评为副研究员。研究员。龚政，龚政，2019年春季毕业，理学博士学位，年春季毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科读研期间曾获得中科院刘永龄奖院刘永龄奖。现在。现在英国英国University of Strathclyde博士后博士后。中国科学院半导体研究所分

43、子束外延课题组中国科学院半导体研究所分子束外延课题组 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(laser ablation)装置装置 使用高功率的激光束作为能量进行薄膜使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫的蒸发沉积的方法叫激光沉积法激光沉积法。特点：特点：加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高被蒸发

44、的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高于其它的蒸发方法。于其它的蒸发方法。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系v在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用透镜或料将激光束引入真空室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同波长的激光束，需要选用对不同波长的激光束，需要选用不同光谱透不同光谱透过特性的窗口和透镜材料过特性的窗口和透镜材料。v 激光加热方法特别适用于蒸发那些激光加热方法特别适用于蒸发那些成分成分比较复杂的合金或化合物材料比较复杂的合金或化合物

45、材料，比如近年来，比如近年来研究较多的高温超导材料研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。等。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系Laser Ablation薄膜沉积装置薄膜沉积装置(or Laser deposition)准分子激光准分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)蒸镀只用于镀制对蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高结合强度要求不高的某些的某些功能膜，例如用作电极的导电膜、光学镜头功能膜，例如用作电极的导电膜、光学镜头用的增透膜等。用的增透膜等。蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在分这点上，要比溅射

46、困难得多，但在镀制纯镀制纯金属金属时，蒸镀可以表现出时，蒸镀可以表现出镀膜速率快镀膜速率快的优势。的优势。(3)(3)蒸镀用途蒸镀用途3 3溅射制膜溅射制膜定义：定义：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。溅射镀膜有两种：溅射镀膜有两种：离子束溅射：离子束溅射：在真空室中，利用离子束轰击靶表面，在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射击的粒子在基片表面成膜。（离子束要由特制使溅射击的粒子在基片表面成膜。（离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只的离子源产生，离子源结

47、构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。）溅射。）另一种是在真空室中，利用另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象低压气体放电现象，使处，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。子堆积在基片上。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系 优点：v靶材沉积在基片上时，不会造成任何化靶材沉积在基片上时，不会造成任何化学变化或成分改变学变化或成分改变v对于任何待镀材料，只要能作成靶材，对于任何待镀材料，只要能作成靶材，就可实现溅射。（可將任

48、何材料沉积在就可实现溅射。（可將任何材料沉积在任何基材上）任何基材上）v膜和基体表面间的黏着性比蒸镀法好膜和基体表面间的黏着性比蒸镀法好v薄膜纯度高，致密性好。薄膜纯度高，致密性好。直流二级溅射直流二级溅射 三级和四极溅射三级和四极溅射 射频溅射射频溅射 磁控溅射磁控溅射 合金膜的镀制合金膜的镀制化合物膜的镀制化合物膜的镀制 离子束溅射离子束溅射 溅射方法：溅射方法：靶材为良导体的溅射靶材为良导体的溅射适合任何一类靶材的溅射适合任何一类靶材的溅射沉积温度低，沉积速率高沉积温度低，沉积速率高纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系直流溅射沉积装置示意图直流溅射沉积装置示意图接通电源，阴

49、极靶上的负高压接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区起一个等离子区带正电的带正电的Ar离子离子加速轰击阴极加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射靶，使靶物质表面溅射，并以，并以分子或原子状态沉积在基片表分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。面，形成靶材料的薄膜。直流二级溅射直流二级溅射 抽真空抽真空通通Ar气，使真空室内达到溅射气压气，使真空室内达到溅射气压纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系射频溅射射频溅射其其缺点缺点是大功率的射频电源不仅价高，而且对于人身防护是大功率的射频电源不仅价高，而且对于人身防护也成问题。因此，

50、射频溅射不适于工业生产应用。也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。可以制取从导体到绝缘体任意材料的膜可以制取从导体到绝缘体任意材料的膜,可在大面积基可在大面积基片上沉积薄膜。片上沉积薄膜。射频射频是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。在射频。在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。并使气体电离为等离子体。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料材料化学系磁控溅射磁控溅射 具有高速、低温、低损伤