纳米薄膜制备及性能.ppt

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1、纳米薄膜薄膜是一种物质形态，其膜材十分广泛，单质元素、化合物或复合物，无机材料或有机材料均可制作薄膜。薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的或单晶态的。近20年来，薄膜科学发展迅速，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都取得了很大进展。其中无机薄膜的开发和应用更是日新月异，十分引人注目。薄膜技术目前还是一门发展中的边缘学科，其中不少问题还正在探讨之中。薄膜的性能多种多样，有电性能、力学性能、光学性能、磁学性能、催化性能、超导性能等。薄膜在工业上有着广泛的应用，而且在现代电子工业领域中占有极其重要的地位，是世界各国在

2、这一领域竞争的主要内容，也从一个侧面代表了一个国家的科技水平。薄膜的应用薄膜在现代科学技术和工业生产中有着广泛的应用光学系统中使用的各种反射膜、增透膜、滤光片、分束镜、偏振镜等；电子器件中用的薄膜电阻，特别是平面型晶体管和超大规模集成电路也有赖于薄膜技术来制造；硬质保护膜可使各种经常受磨损的器件表面硬化，大大增强表面的耐磨程度；在塑料、陶瓷、石膏和玻璃等非金属材料表面镀以金属膜具有良好的美化装饰效果，有些合金膜还起着保护层的作用；磁性薄膜具有记忆功能，在电子计算机中作存储记录介质而占有重要地位。纳米薄膜分类纳米薄膜分为三类：（1）由纳米

3、粒子组成(或堆砌而成)的薄膜，（2）在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜就属于第二类纳米薄膜。（3）薄膜厚度在纳米级，或有纳米级厚度的薄膜交替重叠形成的薄膜。5.1薄膜材料的制备气相法1.真空蒸发法(源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反应共蒸发)2.真空溅射法磁控溅射，直流磁控测射（单靶(反应)溅射；多靶反应共溅射：射频磁控溅射[单靶(反应)溅射；多靶反应共溅射3.离子束溅射4.化学气相沉积，金属有机物化学气相沉积(MOCVD),热解化学气相沉积(热解CVD),离子体增强化学气相沉积(PECV

4、D),激光诱导化学气相沉积(LCVD),波等离子体化学气相沉积(MWCVD)液相法5.溶胶-凝胶(sol-gel法6.电镀法，化学镀7LB膜真空蒸发镀膜：在真空中把制作薄膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表面上。它的优点是沉积速度较高，蒸发源结构简单，易制作，造价低廉，但不能蒸发难熔金属和介质材料。最大的缺点就是材料的利用率极低（试料在篮状蒸发源中以　　立体角、在舟状蒸发源中以立体角四散开来）真空溅射镀膜：当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来，落在衬底上形成薄膜。溅射镀膜

5、材料的利用率大大高于蒸发镀膜。5.1.1气相法纳米薄膜的获得主要通过两种途径：(1)在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，如采用共溅射方法制备Si／SiO2薄膜，在700—900℃的N2气氛下快速退火获得纳米Si颗粒；(2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制显得特别重要，在溅射工艺中，高的溅射气压、低的溅射功率下易于得到纳米结构的薄膜。在CeO2-x、Cu/CeO2-x的研究中，在160W、20-30Pa的条件下能制备粒径为7nm的纳米微粒薄膜。气相沉积的基本过程(1)气相物质的产生一种方法是使沉积物加

6、热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；另一种方法是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。(2)气相物质的输运气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片。在高真空度的情况下(真空度≤10-2Pa)，沉积物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，沉积速率较快；若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差。(3)气相物质的沉积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，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若在沉积过程中

7、，沉积物原子之间发生化学反应形成化合物膜，称为反应镀。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离子镀。PVD的物理原理块状材料(靶材)扩散、吸附、凝结成薄膜物质输运能量输运能量衬底气相法薄膜形成的过程薄膜的形成包括如下过程：(1)单体的吸附；(2)大小不同的各种小原子团(或称胚芽)的形成；(3)形成临界核(开始成核)；(4)由于捕获其周围的单体，临界核长大；(6)在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核；(6)稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛．由于新岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片

8、上暴露出新的面积；(7)在这些新暴露的面积上吸附单体，发生“二次”成核；(8)小岛长大，结合成为大岛，大岛长大、相互结合．在新暴露的面积发生“二次”或“三次”成核；(9)形成带有沟道和孔洞的薄膜；(10)在