F5性质第二部分薄膜物理与技术第四章课件.ppt

1、着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法1.薄膜的力学性质薄膜的力学性质 主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦系数等 着重学习：附着、应力、硬度一、薄膜的附着 定义：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。第二部分第第二部分第4章章 薄膜的基本性质薄膜的基本性质1、附着机理、附着机理三种附三种附着着机理：机理：范德华力,化学键力,薄膜基片间静电引力（1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生包括：定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的

2、相互作用力色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相互作用力特点：特点：与静电引力相比，范德华力是短程力与化学键相比，范德华力是长程力（2）化学键力：薄膜基片之间形成化学键 的结合力包括：离子键、共价键、金属键 化学键力的产生机制：价电子发生转移，形成化学键 化学键力属短程力 化学键能1.211eV（3）薄膜基片间的静电引力须在界面两边积累空间电荷，或扩散的原子带有异号电荷才会有静电引力静电引力形成的原因：薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发生电子转移。2、影响附着力的因素、影响附着力的因素膜料与基片的组合有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、衬底加温或制备过渡层。基

3、片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差基片温度的影响温度高利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间化合物温度过高晶粒变粗会影响附着溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好3、提高附着力的方法（1）严格清洗基片（2）蒸镀膜前真空中离子轰击处理（3）适当提高基片温度（4）制备中间过渡层（5）用溅射法（6）离子束轰击薄膜4、薄膜附着力的测量方法 拉张法 胶带剥离法 划痕法 超声波法二、薄膜的内应力1、物理意义（定义）薄膜内部任一截面单位面积所受的另一侧所施加的作用力称应力.外应力薄膜受外力作用而产生的应力内应力薄膜本身的原因所引起的应力2、内应力相关的实验现象、内应力相关的实验现象（1）蒸发过程中自

4、然升温引起的热应力可忽略（2）基片处室温制膜后剧冷或加热到某温度以上；基片加温制膜后冷却，引起的应有时不能忽略（3）化合物薄膜的应力比金属膜的应力小13数量级（4）小于500，内应力大些，大于1000后，应力较小（5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）3、内应力产生的原因、内应力产生的原因（1）薄膜和基片热膨胀系数不同（2）结晶温度以下的冷却和热收缩（3）相变过程（液固；非晶结晶）（4）薄膜基片晶格失配（5）小岛合并（6）杂质影响三、薄膜的硬度三、薄膜的硬度1、定义薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形变的能力。2、硬度的测量方法金刚石压

5、头，加一定重量压试样，根据被测试样上压痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不同）。（1）硬度的几种名称维氏（Vickers）硬度（136度）库氏（Knoop）硬度（172.5度）布氏（Brinell）硬度2 薄膜的电学性质薄膜的电学性质 着重研究：电阻率、电导率的大小 薄膜成份对、的影响 掺杂、杂质、缺陷的影响 环境温度、热处理的影响 电场的影响一、不连续薄膜的导电性质一、不连续薄膜的导电性质不连续膜：孤立小岛构成的薄膜1、三种典型研究实例由或与d、T、E的关系发现薄膜的某些电学现象（1）Rs-d关系：如图：膜厚d=10100，Au膜Rs的变化可见：Rs随膜厚增加而减小（10时达1013

6、）70时，Rs突然大降表明由不连续成为连续膜进一步研究T关系知：连续薄膜具金属的温度特性（T上升，上升）不连续薄膜具半导体温度特性（T上升，下降）（2）关系：如图：不同膜厚Pt膜电导率温度关系结果表明：在250300k范围内，ln与 有很好的线性关系 T高时，也高；膜越薄，T对的影响越大揭示：导电机理与热激活有关lnT1T1（3）Ni膜 的关系如图：不同T下，的关系结果显示：室温下，随E变化不明显低温下，有明显变化低温下 关系是非线性的说明：导电具有肖特基效应以上研究方法也可用于半导体膜、功能材料薄膜研究EEE2、不连续金属膜的特点、不连续金属膜的特点（1）很大，且随d变化显著（2）与T有关，

7、温度系数为负值（3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈非欧姆性导电（4）高电场下，有电子发射或光发射现象3、不连续膜的导电机理、不连续膜的导电机理由孤立小岛构成，却显一定导电能力导电能力与温度有关暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关两种理论解释模型：（1）热电子发射模型 小岛受热后，电子动能的垂直分量大于金属材料功函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一小岛俘获，产生电导。热电子发射产生的电导表达式如下；其中，h普朗克常数；m电子质量功函数；b小岛间距（）K玻尔兹曼常数；0介电常数。/)2(exp340232KTtbebThkme（2）热激活隧道效应模型金属小岛间产生势垒，电子能量低于势

8、垒高度，据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。只有热激活的电子才能克服库的作用力而穿过隧道，此模型导出的公式：KTWABKTBKTKTebBhmeexp)exp()sin(82123其中，b为小岛间距（）-隧道区域内功函数平均值A=B=M电子质量S为小岛间的有效间距热能r为发射电子的小岛的半径rsreW211402mhs24212A二、连续薄膜的电学性质 微观结构比不连续膜致密得多 微观缺陷比块材多1、连续薄膜导电性质的特点（1）与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大（2）随膜厚增

9、大而减小，并趋于稳定值（3）薄膜的大于块材的（4）与制备工艺有关2、原因 薄膜内缺陷浓度大大超过块材的 表面散射效应3 薄膜的光学性质1、主要研究透射率T，反射率R，吸收系数，折射率n光学带隙Eg光致发光性质（PL）电致发光2、薄膜光学性质的应用、薄膜光学性质的应用透明导电膜（ITO、ZnO等）减反射层（太阳电池）红外窗口材料发光器件（紫外、兰光、可见光）单向可见玻璃光学元件、波导元件等3、光学性质的研究手段、光学性质的研究手段 UV可见光分析测试仪（T,Rn,Eg）椭偏仪（可变频的）PL参考文献：A.Ohtomo,APL 72(1998)24664、薄膜光学性质中的一些实验规律、薄膜光学性质中的一些实验规律薄膜的折射率比块材的小表明：结构比块材疏松刚蒸发的薄膜的折射率可能比放置一些时后或老化后的小表明：刚制备的光学性质不够稳定老化或放置后光学密度变大热处理可促使光学性质稳定化工艺条件对薄膜的光学性质有影响