《光学薄膜的形成》ppt课件

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1、不同制备方法，其薄膜的形成机制不同，但存在共性问题。本章以真空蒸发制备薄膜为例，讨论薄膜形成问题。★凝结过程★核形成与生长★薄膜形成过程与生长模式★薄膜形成过程的计算机模拟（阅读）薄膜的形成薄膜的形成——凝结过程★凝结过程薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。吸附过程表面悬挂键：不饱和的化学键。吸附：入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引，束缚在表面的现象。物理吸附：由范德华力引起的吸附。化学吸附：由化学键结合力引起的吸附。基本概念薄膜的形成——凝结过程入射原子与基片作用与基片原子进行能量交换被吸附；能量较大的吸附原子解吸附（二次蒸发）；不与基片原子进行能量交换，被

2、基片表面反射。吸附过程的能量关系Qp物理吸附热Qc化学吸附热Ed激活能（解吸能）薄膜的形成——凝结过程薄膜的形成——凝结过程入射原子的滞留时间式中，是单层原子的振动周期。薄膜的形成——凝结过程表面扩散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——凝聚表面扩散势垒表面扩散能吸附能薄膜的形成——凝结过程平均表面扩散时间吸附原子在吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用表示。式中，是表面原子沿表面水平方向振动周期，平均表面扩散距离（设为相邻吸附位置间距）薄膜的形成——凝结过程薄膜制备时，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薄膜的形成——凝

3、结过程凝结过程的表征凝结系数单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。粘附系数单位时间内，当基片表面上已经存在着凝结原子时，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。薄膜的形成——凝结过程热适应系数表征入射气相（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量成为热适应系数。式中、和分别表示入射气相原子、再蒸发原子和基体温度。完全适应不完全适应完全不适应吸附原子在表面停留期间，若和基片能量交换充分到达热平衡TT＝TS，薄膜的形成——凝结过程薄膜的形成——核形成与生长核形成与生长的物理过程描述薄膜的形成——核形成与生长核形成理论解决问题：核的形成条件和生长

4、速率热力学界面能理论认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。a.热力学界面能理论（毛细管现象理论、微滴理论）；b.原子聚集理论（统计理论）成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基本上是两种理论：薄膜的形成——核形成与生长表面相的概念成核：新相生成的初期阶段，包括：核的形成与成核速率问题。气相小于临界核尺寸的原子团（表面相）大于临界核尺寸的原子团（固相）类液相薄膜形成过程：临界核：从相变热力学观点看，新相核（原子团）存在一个临界尺寸，称为临界核。比临界核尺寸大的核原子团是稳定的；比临界核尺寸小的原子是不稳定的。薄膜的形成

5、——核形成与生长体积自由能表面自由能单位体积自由能固相体积单位表面自由能表体积上式就是相变热力学的基本公式。某一系统的自由能，标志了系统对外做功的能力，自由能越大，对外做功本领越强，系统越不稳定。临界核热力学描述假设在基片表面上形成的核是球帽形在液体中形成固相核，总自由能变化为：薄膜的形成——核形成与生长临界核、稳定核与薄膜形成a.在一定条件下系统达到平衡，小原子团的数目不变。在基片上不能形成稳定的薄膜（淀积一停止，它们将消失）。b.要形成稳定薄膜，必须在薄膜表面形成稳定核，即稳定核一旦产生，一般来说就不在分解。稳定核大小不一，所含原子数目各有不同；其中必然有最小稳定核。比最小稳定核再小一

6、点，或者说再少一个原子，原子团就变为不稳定，这种刚刚偏离稳定核的原子团成为临界核。薄膜的形成——核形成与生长成核速率成核速率是形成稳定核的速率或临界核长大的速率；定义为单位时间内在基片表面单位面积上形成稳定核的数量。临界核长大有两个途径：一是入射的气相原子直接与临界核碰撞结合；另一个是吸附原子在基片表面上扩散迁移时的碰撞结合。成核速率与临界核面密度、临界核捕获范围和吸附原子向临界核扩散的总速率有关。式中，是Zeldovich修正系数。薄膜的形成——核形成与生长原子聚集理论（统计理论）问题提出热力学界面能理论的两个假设：一是认为核尺寸变化时，其形状不变；二是认为核的表面自由能和体积自由能与块

7、体材料相同。理论计算：实际情况：基片温度低、过饱和度高时，临界核只有几个原子。宏观表面能计算、表面能概念、结构显然，此假设只适用于比较大的核（大于100个以上的原子）。薄膜的形成——核形成与生长为了克服理论上的困难，1924年Frenkel提出了成核理论原子模型，并不断发展。原子聚集理论的基本内容原子聚集理论将核（原子团）看作一个大分子，用其内部原子之间的结合能或与基片表面原子之间的结合能代替热力学理论中的自由能。临界核