薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太
阳能电池
一概述
能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。
太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。
二薄膜太阳能电池。
1、薄膜硅太阳能电池
薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池
的发展方向[1]。
太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他
原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。
2、无机化合物薄膜太阳能电池
选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生
产[2]。
铜铟硒太阳能薄膜电池(简称铜铟硒电池)是在玻璃或其它廉价衬底上沉积若干层金属化合物的半导体薄膜，薄膜总厚度大约为2-3微米，具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等特性，其光电转换效率目前是各种薄膜太阳能电池之首。正是由于其优异的性能被国际上称为未来的廉价太阳能电池，吸引了众多机构及专家进行研究开发，有望成为不久将来太阳能电池商品化、产业化的主流产品。
3、有机薄膜太阳能电池
有机薄膜太阳能电池与硅太阳能电池相比具有质量轻、柔韧易加工性、低成本及可大面积制备等优点，有很大的发展潜力，但正处于研发初期，激子结合能大，电子迁移率低，导致光电转化效率低且寿命短等缺点。目前，在实验室特定研究条件下，有机薄膜太阳能电池光电转换率可达9．5％[4]。
三薄膜太阳能电池的国内外现状以及存在问题
上世纪八十年代末至九十年代初，非晶硅太阳能电池的发展经历了一个调整、完善和提高的过程，其中心任务就是提高太阳能电池的稳定化效率，其核心就是完美结技术和叠层电池技术。上世纪九十年代中期，技术得到较大的突破，从而出现了更大规模产业化的高潮。世界上先后建立了多条数兆瓦至十兆瓦高水平的电池组件生产线，产品组件面积为平方米量级，生产流程全部实现自动化。采用了新的封装技术，产品组件寿命在十年以上。产品组件生产以完美结技术和叠层电池技术为基础，产品组件效率达到9％一11％，小面积电池最高效率达14．6％[5]。
薄膜太阳能电池的国内外现状：
目前，世界上已经建成了l0多座太阳能光伏发电系统。上世纪90年代以来，不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划，如美国总统宣布的百万
光伏屋顶计划，安装规模达1000-3000瓦，日本、欧洲也都有类似的计划。预计到本世纪中叶，光伏发电将达到世界总发电量的20％，成为人类的基础能源之一。
我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20 年的努力，已经奠定良好的基础。目前有4 个单晶硅电池及组件生产厂和2 个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：（1）生产规模小。目前4 个单晶硅电池生产厂基本上保持在1986-1990 年引进时的规模和水平。
（2）技术水平较低。我国太阳电池的效率较低，平均在11-13%；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约3-5 年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。
（3）专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA 等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。
（4）成本高。目前我国电池组件成本约35 元/WP（4.2 美元/WP），平均售价44 元/WP（5.3 美元/Wp)，成本和售价都高于国外产品。
四薄膜测量的制备工艺
多晶硅薄膜太阳能电池的结构和制备工艺虽然有所不同，但原理上是一致的，图2是其制备工艺[6]。
1 制备多晶硅薄膜的工艺方法
多晶硅薄膜是多晶硅薄膜太阳能电池的主体部分，薄膜质量的好坏直接影响太阳能电池性能的好坏。多晶硅薄膜制备工艺的主要区分点在其沉积温度和沉积方式，因此不同的沉积温度和沉积方式的控制直接影响薄膜的质量，从而影响着多晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。主要的多晶硅薄膜的制备方法有：化学气相沉积法(CVD)、再结晶法、液相外延法(LPE)、溅射沉积法和等离子喷涂法(PSM)[6]。
化学气相沉积法(CVD)
【1】一般化学气相沉积法(CVD)
该法先用加热器将衬底加热至适当的温度，然后通以反应气体(如SiF4、SiH4等)，在还原气氛(H2 )下反应生成硅原子并沉积在衬底表面形成薄膜。反应温度较高(800～1200℃)，且难以形成较大的颗粒多晶硅，并且容易在晶粒之间形成孔隙，对制备较高光电转换效率的太阳能电池很不利。随着技术的进步
又出现了等离子增强化学气相沉积法(PECVD)和热丝化学气相沉积法(HFCVD)。【2】等离子增强化学气相沉积法(PECVD)
该法是在非硅衬底上制备晶粒较小的多晶硅薄膜的一种方法，其制备温度很低(100～400℃)，晶粒很小(约10-7数量级)，但已属于多晶硅薄膜，几乎没有效率衰减问题。
【3】热丝化学气相沉积法(HFCVD)
该法的热丝是耐高温且有一定韧性和机械强度的金属丝，一般为钨丝或钽丝，金属丝通电后发热至高温，电离反应气体(SiF4、SiH4等)产生等离子体，发生复杂的物理化学反应之后形成硅原子，硅原子再沉积在基片上形成薄膜。再结晶法
该法一般先用CVD法在衬底上沉积一层较薄的非晶硅或微晶硅层，再用结晶技术对这层硅薄膜进行再结晶，可得到较大晶粒的多晶硅层。再结晶技术沉积温度比较低，可选用廉价的玻璃衬底取代昂贵的石英或单晶硅衬底，从而大幅度降低生产成本。到目前为止，再结晶技术主要有：固相晶化法(SPC)、区熔再结晶法(ZMR)和金属诱导结晶法(MIC)。
【1】固相晶化法(SPC)
该法是先用CVD等方法在比较低的温度下(<6OO℃)淀积非晶硅薄膜，然后再进行热退火，使非晶硅薄膜再结晶以获得多晶硅薄膜，其主要特点是非晶硅发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。陈城钊等先用PCVD法沉积非晶硅薄膜，再用固相晶化法对其退火以获得多晶硅薄膜(退火温度700～800℃)，研究结果表明晶粒平均尺寸随着退火温度的降低、掺杂浓度的降低、薄膜厚度的增加而增加，并且退火后多晶硅薄膜暗电导率提高了2～4个数量级。
【2】区熔再结晶法(ZMR)
该法需将非晶硅整体加热至一定温度(约1100℃)，再用一束很窄的源能量在非晶硅表面来回移动，加热局部非晶硅使其熔化再结晶。区熔再结晶法可以
得到厘米级的晶粒，并且在一定的技术处理和工艺条件的配合下可以得到比较一致的晶粒取向。加热的源能量主要有激光、条状灯丝、电子束以及射频等，其中激光加热再结晶法是用得最普遍最成熟的。激光再结晶法(LMC) 采用激光束的高温将非晶硅薄膜熔化再结晶，从而得到多晶硅薄膜，但难以制备大面
积薄膜，而且晶粒尺寸和均匀性也难以控制。
【3】金属诱导结晶法(MIC)
该法是把非晶硅薄膜淀积在薄金属层衬底上，或者在非晶硅薄膜上淀积一层薄金属层，或者将金属离子注入到非晶硅薄膜中，然后置于保护气体(如Ar)中加热退火，非晶硅薄膜便会再结晶形成多晶硅薄膜。最常用的金属是铝，铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜的温度只需560℃，但致命的缺点是金属会污染多晶硅薄膜。
液相外延法(LPE)
该法就是先通过高温将硅熔融在母液里，然后降低温度使硅析出形成多晶硅薄膜，液相外延法可通过控制生长条件来直接得到具有减反射绒面结构的多晶硅薄膜。这种方法沉积的多晶硅薄膜质量不高，也没有太大进展，但能制备出光电转化率高达23．17％的GaAs太阳能电池。
溅射沉积法
该法是一种重要的制备薄膜的物理方法，要求真空度高，衬底温度相对较低。该方法沉积硅薄膜速度快，杂质含量低等优点，但淀积的薄膜不均匀，致密度不高，且一般为非晶态。
2 无机化合物薄膜的制备工艺:
CIS和CIGS薄膜主要的制备技术包括：磁控溅射法、分子束外延技术、喷射热解法、Sol—Gel法等[7]。
磁控溅射工艺
溅射过程可定义为因受到高能投射粒子的撞击而引起的靶粒子喷射。该技术是物理过程而不是化学过程。由于溅射原子与撞击离子数量成正比，这一过程可简单而精确地控制薄膜的沉积速率。
分子束外延技术
分子束外延(MBE)本质上是一种真空蒸发技术，从超高真空系统中的分子束或原子束进行外延淀积的方法.该法的优点是可通过UHV分析技术获得生长过程中的薄膜表面结构、形貌、组分、深度轮廓和化学状态的信息。但是该技术蒸发速率缓慢，仪器设备昂贵。
啧涂热解工艺
喷涂热解是一种低成本的喷涂技术。该技术的基本过程是将含有所需元素的化合物的液态混合物喷射到已加热的基体上，使之热解反应沉积成CIS膜。该法生产设备简单，易于操作，且不需要昂贵的真空装置和气体保护。特别适合大面积光伏电池的需要，但是容易引入杂质相，主要是二元的氧化物、硫化物和硒化物。
S0l-Gel工艺
S0l-Gel艺是制备材料的湿化学方法中应用较广的一种方法。与传统的材料制各工艺相比S0l-Gel工艺有许多优越性：薄膜组分纯度高，组分控制精确；薄膜组分具有高度的均匀性；易于调整组分，引入多种组分制备复杂固溶体薄膜：设备简单，成本低，能与半导体工艺兼容，适于产业化生产等.
电沉积制备工艺
电沉积制备CIS和CIGS薄膜是利用阳离子和阴离子在电场作用下发生不同的氧化一还原反应而在基体材料上电沉积出所需的CIS和CIGS薄膜。电沉积制备CIS和CIGS薄膜的优点有：沉积过程温度低：镀层与基体间不存在残余热应力，界面结合好；可以在各种形状复杂的表面和多孑L表面制备均匀的薄膜：镀层的厚度、化学组成、结构及孔隙率能够精确控制；设备简单，投资少，可制得低
成本、高效率和性能稳定的CIS和CIGS薄膜太阳能电池。电沉积法虽然工艺简单，但影响因素却相当复杂，薄膜性能不仅决定于电流、电压、温度、溶剂、溶液的PH值及其浓度、还受到溶液的离子强度、电极的表面状态等因素影响，尤其是用电沉积法制备理想的、复杂组成的薄膜材料较为困难。
五薄膜的表征方法
制备出的薄膜材料我们需要一些参数来表征，以此来判断我们制备的薄膜材料性能的优异情况。这主要包括薄膜厚度的测量[8]、薄膜的组分、结构、附着力表征等。
1 薄膜厚度的测量方法如下：
2 薄膜组分的测定：
测定组分的各种方法都是基于原子在受到激发以后内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转化过程的原理。
表一各种薄膜成分分析方法的特点
3 薄膜的结构表征：
薄膜的性能取决于薄膜的结构，因而对薄膜结构尤其是微观结构的表征有着非常重要的意义。对结构的表征可以选择不同的研究手段，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜以及X射线衍射技术等。
4 薄膜附着力的测定：
对薄膜的基本性能要求之一就是其对衬底的附着力要好。因此发展多种薄膜附着力的测试方法，他们的共同特点是对薄膜施加载荷的前提下，测量薄膜脱落的临界载荷，常用方法有：划痕发和拉伸法。
随着国际社会对气候变化问题的日益重视以及世界能源争夺的日益激烈，包括太阳能在内的可再生能源技术的发展将会发挥越来越重要的作用。谁首先在这个领域里加强投入，谁就会在今后l0年中占领这一市场，从而获得巨大的市场利润。
六参考文献
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[2] 周文静,史伟民,伍丽,李爱民,唐健敏,秦娟,王林军,夏义本.CuPc／C60薄膜太阳能电池的制备及膜厚对其光电性能的影响[J].功能材料与器件学报.2009,15(5):9-12
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薄膜材料的应用与发展 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。 1 膜材料的发展 在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。 自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 2 膜材料的应用 人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。 利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。 膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。 更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1] 3 膜材料的分类 近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。 3.1金刚石薄膜 金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。 近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
1.为了研究真空和实际使用方便，根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为 粗真空，低真空，高真空，超高真空四个区域。 2.在高真空真空条件下，分子的平均自由程可以与容器尺寸相比拟。 3.列举三种气体传输泵旋转式机械真空泵，油扩散泵和复合分子泵。 4.真空计种类很多，通常按测量原理可分为绝对真空计和相对真空计。 5.气体的吸附现象可分为物理吸附和化学吸附。 6.化学气相反应沉积的反应器的设计类型可分为常压式，低压式，热壁 式和冷壁式。 7.电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属和合金，薄膜材料在电解液中是以 正离子的形式存在。制备有序单分子膜的方法是LB技术。 8.不加任何电场，直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法叫化学镀。 9.物理气相沉积过程的三个阶段：从材料源中发射出粒子，粒子运输到基片和粒子 在基片上凝聚、成核、长大、成膜。 10.溅射过程中所选择的工作区域是异常辉光放电，基板常处于负辉光区，阴极 和基板之间的距离至少应是克鲁克斯暗区宽度的3-4倍。 11.磁控溅射具有两大特点是可以在较低压强下得到较高的沉积率和可以在较低 基片温度下获得高质量薄膜。 12.在离子镀成膜过程中，同时存在吸附和脱附作用，只有当前者超 过后者时，才能发生薄膜的沉积。 13.薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与 结合生长过程。 14.原子聚集理论中最小稳定核的结合能是以原子对结合能为最小单位不连续变化 的。 15.薄膜成核生长阶段的高聚集来源于：高的沉积温度、气相原子的高的动能、 气相入射的角度增加。这些结论假设凝聚系数为常数，基片具有原子级别的平滑度。 16.薄膜生长的三种模式有岛状、层状、层状-岛状。 17.在薄膜中存在的四种典型的缺陷为：点缺陷、位错、晶界和 层错。 18.列举四种薄膜组分分析的方法：X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子 显微镜分析法和俄歇电子能谱法。 19.红外吸收是由引起偶极矩变化的分子振动产生的，而拉曼散射则是由引起极化率 变化的分子振动产生的。由于作用的方式不同，对于具有对称中心的分子振动，红外吸收不敏感，拉曼散射敏感；相反，对于具有反对称中心的分子振动，红外吸收敏感而拉曼散射不敏感。对于对称性高的分子振动，拉曼散射敏感。 20.拉曼光谱和红外吸收光谱是测量薄膜样品中分子振动的振动谱，前者 是散射光谱，而后者是吸收光谱。 21.表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射产额、溅射粒子的速度和能 量等。 什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度。 真空，一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。粗真空 105～102Pa 粘滞流，分子间碰撞为主低真空 102～10-1 Pa 过渡流高真空 102～10-1 Pa分子流，气体分子与器壁碰撞为主超高真空 10-5～10-8 Pa气体在固体表面吸附滞留为主极高真空 10-8 Pa 以下
高分子膜材料的制备 方法 xxx级 xxx专业xxx班 学号：xxxxxxx xxx
高分子膜材料的制备方法 xxx （xxxxxxxxxxx，xx） 摘要：膜技术是多学科交叉的产物，亦是化学工程学科发展的新增长点，膜分离技术在工业中已得到广泛的应用。本文主要介绍了高分子分离膜材料较成熟的制膜方法（相转变法、熔融拉伸法、热致相分离法），而且介绍了一些新的制膜方法（如高湿度诱导相分离法、超临界二氧化碳直接成膜法以及自组装制备分离膜法等）。 关键词：膜分离，膜材料，膜制备方法 1.引言 膜分离技术是当代新型高效的分离技术，也是二十一世纪最有发展前途的高新技术之一，目前在海水淡化、环境保护、石油化工、节能技术、清洁生产、医药、食品、电子领域等得到广泛应用，并将成为解决人类能源、资源和环境危机的重要手段。目前在膜分离过程中，对膜的研究主要集中在膜材料、膜的制备及膜过程的强化等三大领域；随着膜过程的开发应用，人们越来越认识到研究膜材料及其膜技术的重要性，在此对膜材料的制备技术进行综述。 2.膜材料的制备方法
2.1 浸没沉淀相转化法 1963年，Loeb和Sourirajan首次发明相转化制膜法，从而使聚合物分离膜有了工业应用的价值，自此以后，相转化制膜被广泛的研究和采用，并逐渐成为聚合物分离膜的主流制备方法。所谓相转化法制膜，就是配置一定组成的均相聚合物溶液，通过一定的物理方法改变溶液的热力学状态，使其从均相的聚合物溶液发生相分离，最终转变成一个三维大分子网络式的凝胶结构。相转化制膜法根据改变溶液热力学状态的物理方法的不同，可以分为一下几种：溶剂蒸发相转化法、热诱导相转化法、气相沉淀相转变法和浸没沉淀相转化法。 2.1.1 浸没沉淀制膜工艺 目前所使用的膜大部分均是采用浸没沉淀法制备的相转化膜。在浸没沉淀相转化法制膜过程中，聚合物溶液先流延于增强材料上或从喷丝口挤出，而后迅速浸入非溶剂浴中，溶剂扩散进入凝固浴（J2），而非溶剂扩散到刮成的薄膜内（J1），经过一段时间后，溶剂和非溶剂之间的交换达到一定程度，聚合物溶液变成热力学不稳定溶液，发生聚合物溶液的液-液相分离或液-固相分离（结晶作用），成为两相，聚合物富相和聚合物贫相，聚合物富相在分相后不久就固化构成膜的主体，贫相则形成所谓的孔。 浸入沉淀法至少涉及聚合物/溶剂/非溶剂3个组分，为适应不同应用过程的要求，又常常需要添加非溶剂、添加剂来调整铸膜液的配方以及改变制膜的其他工艺条件，从而得到不同的结构形态和性能的膜。所制成的膜可以分为两种构型：平板膜和管式膜。平板膜用于板
薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太 阳能电池 一概述 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。 太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。 二薄膜太阳能电池。 1、薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池
的发展方向[1]。 太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他 原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。 2、无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生
第三章薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几 个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个 过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空 室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作 薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气 系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制 作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作， 而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程 度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
科技大学 薄膜材料与技术小论文 题目：太阳能电池中的薄膜材料 课程名称：薄膜材料与技术 学院：材料科学与工程学院 班级： 学生： 学生学号： 评分： 日期：
摘要 薄膜材料在提高太阳能电池的转换效率方面有着很大的作用。随着薄膜材料种类和制备工艺的发展，现在已经有很多种基于不同薄膜材料和工艺的太阳能电池，包括硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池等等。 关键词 太阳能电池薄膜材料染料敏化应用 一、太阳能电池简介 太阳能在地球上分布非常广泛，储量巨大、稳定、持久、清洁无污染。太阳每秒向外太空辐射的能量约为3.8x1020兆瓦，而每年投射到地面上的太阳能约为1.05x1018千瓦时，相当于1.3x1015吨标准煤。按照目前太阳质量的消耗速率计，太阳部的热核反应足以维持6x1010年，因此，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的。[1] 太阳能电池是将太阳能转换为电能的一种装置，是太阳能光伏发电的基础，是利用光生伏打效应将光能转变为电能的器件。[2]目前，太阳能电池的种类很多，按照晶体结构可分为单晶、多晶、非晶及纳米晶系太阳能电池；按照结型分为PN结、MS结、MIS结太阳能电池；按照材料种类可分为晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池和光电化学太阳能电池等。二、薄膜材料在太阳能电池中的应用 多元化合物薄膜太阳能电池（即硅基薄膜太阳能电池）是第二代太阳能电池，
包括碲化铬（CdTe）、铜铟硒（CIS）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）等。这类电池的转化效率较高，达到18-20%，其成本较单晶硅低，易于大规模生产。但是，它含有的镉元素有毒且会污染环境，铟和硒等又均属于稀有元素，原料来源受限。以有机化合物和纳米技术为基础的新型薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、有机聚合物太阳能电池等。这类太阳能电池具有工艺简单、成本较低、材料来源广泛、理论光电转换效率较高等优势，因此受到了广泛的关注，是太阳能电池的又一发展方向。但是，它仍然存在一些问题，如转换效率仍不够高、材料的长期耐久性问题、大面积工艺技术等。 2.1硅基薄膜太阳能电池 2.1.1多结叠层硅基薄膜太阳能电池 它是一种结构新颖的硅基薄膜太阳能电池，以纳米晶柱薄膜为核心技术。将不同光学带隙的纳米晶柱薄膜组成叠层薄膜电池，不但扩展了太谱响应的围，而且比a-Si：H（氢化非晶硅）和u c-Si：H有更高的光电转换效率。研究表明，由三个子电池硅构成的硅基薄膜太阳能电池采用陷光结构和最佳光学带隙匹配和厚度匹配，其效率可达到22.7%。更多结的叠层电池不但会增加生产成本，而且进一步提高光电转换效率将变得困难。[3]转换效率的制约因素主要来自于光生载流子的复合，包括膜层界面复合、掺杂层杂质电离复合、晶粒间界复合等。 膜层界面复合是指组合电池中共有十余层界面，存在着很高的界面态密度，它们对光生载流子起复合中心的作用。发生复合的光生载流子对光电转换没有贡献。因此，叠层越多，复合率越高；掺杂层杂质电离复合是指掺杂层是光激发的“死区”，此处光生载流子复合率很高；晶粒间界复合是指晶界原子相对无序排列，其悬挂键如果不被氢原子饱和，也将成为光生载流子的复合中心。
《薄膜材料及其制备技术》作业 ——材料科学与工程学院2015级研究生 1，在T=291K 时，水的表面张力系数（或表面能）10.07 3N m s -=?，63118.01610v m mol a --=醋，如果水滴半径810r m -=，请计算此时的蒸汽压'p （用p 表示）以及水滴内外压强差p D 。（10分） 2，从热力学的角度证明：当从过饱和（压强为p ’）的气相析出凝聚相时，凝聚 相的临界晶核尺寸r c 满足：2exp()'/B c v p p K Tr a s =；并由此得到结论：①当凝聚体晶核的尺寸r
现代分析技术的应用 1 引言 表面工程是在传统表面技术的基础上，综合应用材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学、摩擦学等学科的原理、方法及最新成就发展起来的一门新兴学科。表面工程通过研究材料表面与界面的特征、性能、改性过程和相应方法，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，达到特定使用条件对产品表面性能的要求，获得高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等多种表面特殊功能。它最突出的技术特点是勿需整体改变材质而能获得原基材所不具备的某些特性，获得如超细晶粒、非晶态、超饱和固溶体、多重结构、多相弥散结构等薄膜材料。它的另一技术特点是选材广，具有极大的灵活性，通过不同的处理工艺，可在金属、有机、无机材料表面制备出单金属、合金、陶瓷、有机高分子材料、类金刚石、金刚石、非晶态等多种薄膜层。近年来，表面工程的研究得到迅速发展，不仅取得了丰硕的科研成果，而且随着在制造业中的应用日益广泛，也获得了良好的经济效益。 薄膜材料的性能主要由材料成分、显微组织、相结构和界面状态所决定，而其成分、显微组织、相结构和界面状态又与表面处理技术和工艺有关。因此，分析薄膜材料的成分、显微组织、相结构和界面状况，并研究其与薄膜的性能、处理工艺之间的关系，是提高工艺水平、保证薄膜层质量的重要途径。近年来，表面和界面的电子显微分析技术的长足发展，为研究薄膜材料的微观状态提供了众多的分析测试手段，本文简要地讨论几种表面分析技术的特点及其在薄膜材料成分、形貌和晶体结构研究中的应用，供薄膜材料研究工作者参考。 2 薄膜材料的成分分析 由于下述原因，在一般情况下很难采用化学分析的方法实现对薄膜材料成分的分析。①薄膜材料的质量很小，取样很困难；②化学分析法得到的结果是一个平均值，无法解释薄膜材料的成分、工艺和性能之间的相互关系。这是因为薄膜材料的成分往往是微区不均匀分布，所以必须选用微区成分分析方法对薄膜材料进行微区成分分析。 2.1 电子探针X射线显微分析 电子探针X射线显微分析（EPMA, Electron Probe Microanalyser）是目前比较理想的一种微区成分分析手段。 电子探针仪利用高能电子与固体物质相互作用的原理，通过能量足够高的一束细聚焦电子束轰击样品表面，在一个有限的深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生特征X射线信号，它们的波长（或能量）和强度是表征该微区内所含元素及其浓度的重要信息，采用适当的谱仪和检测、计数系统可达到成分分析的目的。 电子探针X射线显微分析，可分析原子序数为4～92的元素。对于轻元素的分析，需要特殊条件和技术。对于原子序数大于10的元素来说，定量分析的相对精度大约为1%。它所分析的区域很小，一般可从1立方微米到几十立方微米，分析范围的大小可人为调节，被测元素的绝对感量可达10的－10次方克，这是其它分析方法难以实现的。电子探针分析有三种方式：①选定样品表面微区，作定点的全谱扫描，进行定量或半定量分析，包括对其所含元素浓度进行定量分析；②电子束可沿样品表面选定的直线轨迹作所含元素浓度的线扫描分析；③电子束在样品表面作面扫描，以特定元素的X射线信号调制阴极射线管荧光屏亮度，给出元素浓度
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1 一、名词解释 1. 气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。 2. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 3. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。 4. 等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。 在等离子体中放入一个金属板，由于电子和离子做热运动，而电子比离子的质量小，热速度就比离子大，先到达金属板，这样金属板带上负电，板附近有一层离子，于是形成了一个小局域电场，该电场加速了离子，减速电子，最终稳定了以后，就形成了鞘层结构，该金属板稳定后具有一个电势，称为悬浮电位。 5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。 6. 自偏压效应：在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 7. 磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。 8. 离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。 9. 离化率：被离化的原子数与被蒸发气化的原子数之比称为离化率.一般离化装置的离化率仅为百分之几,离化率较高的空心阴极法也仅为20～40% 10. 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术：是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。 11. 外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。 12. 薄膜附着力:薄膜对衬底的黏着能力的大小，即薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度。 二、填空： 1、当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，元素发生净蒸发。反之，元素发生净沉积。 2、在直流放电系统中，气体放电通常要经过汤生放电阶段、辉光放电阶段和弧光放电阶段三个放电过程，其中溅射法制备薄膜主要采用辉光放电阶段所产生的大量等离子体来形成溅射。 3、溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一，不同能量的离子与固体表面相互作用的过程不同，不仅可以实现对物质原子的溅射，还可以在固体表面形成沉积现象和离子注入现象。 4、溅射法所采有的放电气体多为Ar气，主要原因是惰性气体做为入射离子时，物质溅射产额高，从经济方面考虑，多使用Ar做为溅射气体。 5、直流溅射要求靶材具有良好的导电性，否则靶电流过小，靶电压过高，而射频溅射方法以交流电源提供高频电场，高频电场可经由其它阻抗形式进入沉积室，不再要求电极一定是导电体，使溅射过程摆脱对靶材导电性的要求。 6、磁控溅射存在的缺点。 1 微观永远大于宏观你永远大于人类今天永远大于永远■■■■■■■■纯属个人行为，仅供参考■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■
现代分析技术在薄膜材料研究中的应 用 使用离子探针显微分析可进行如下分析: ①同位素分析 ; ②轻元素 高灵敏度分析 ; ③极薄表面 (约 10~1000Å) 的分析 ; ④在给 定适当条件后，可作包括纵向的三维分析。 使用离子探针作薄膜组分的定性或定量分析时，为消除样品表面污染和吸附的影响，应加大一次离子束进行刻蚀，然后再缩小离子束斑直径进行分析。在作纵向分析时，应考虑纵向分辨率、浓度测定、灵敏度和三维观察等各因素，必须严格控制测量条件。 离子探针显微分析仪探测离子扫描像的能力较高，所以当某些元素分布采用EPMA 的特征X 射线像所得衬度不好或难以探测时，采用离子探针显微分析法可获得满意的结果。 2.3X 射线光电子能谱分析 X射线光电子能谱分析(XPS，X-rayPhotoelectronSpectroscopy) 是利用X 射线源产生很强的X 射线轰击样品，从样品中激发出电子，并将其引入能量分析器，探测经过能量分析的电子，作出X 射线对能量的分布图―― X射线光电子能谱。它可以用于区分非金属原子的化学状态和金属的氧化状态，所以又叫做" 化学分析光电子能谱法(ESCA，ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis) 。 利用XPS可以进行除氢以外全部元素的定性、定量和化学状态分析，其探测深度依赖于电子平均自由程，对于金属及其氧化物，探测深度为5~25Å 。XPS的绝对灵敏度很高，是一种超微量分析技术，分析时所需样品很少，一般10的-8 次方克左右即可，因此XPS是薄膜材料最有效的分析手段之一。 2.4俄歇电子能谱分析 俄歇电子能谱分析（AES，AugerElectronSpectroscopy）是利用入射电子束使原子内层能级电离，产生无辐射俄歇跃迁，俄歇电子逃逸到真空中，用电子能谱仪在真空中对其进行探测的一种分析方法。在薄膜材料化学成份的分析方面，俄歇电子能谱是应
《薄膜材料与薄膜技术》复习题 1.薄膜材料与体材料的联系与区别。 1. 薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond 2. 厚度小、比表面积大，能产生许多新效应。如：极化效应、表面和界面效应、耦合效应等。 3. 可以获得体态下不存在的非平衡和非化学计量比结构。如：Diamond: 工业合成, 2000℃，5.5万大气压, CVD生长薄膜:常压，800度.Mgx Zn1-x O: 体相中Mg的平衡固溶度为0.04, PLD法生长的薄膜中，x可0~1. 4. 容易实现多层膜，多功能薄膜。如：太阳能电池、超晶格： GaAlAs/GaAs 5. 薄膜和基片的粘附性，一般由范德瓦耳斯力、静电力、表面能（浸润）和表面互扩散决定。范德瓦耳 2. 真空度的各种单位及换算关系如何？ ●1pa=1N/m2(1atm)≈1.013×105Pa(帕) ●1Torr≈1 / 760atm≈1mmHg ●1Torr≈133Pa≈102 Pa ● 1bar = 0.1MPa 3. 机械泵、扩散泵、涡轮分子泵和低温泵的工作原理是什么？ 旋片式机械泵 工作过程： 1.气体从入口进入转子和定子之间 2.偏轴转子压缩空气并输送到出口 3.气体在出口累积到一定压强，喷出到大气 工作范围及特点： Atmosphere to 10-3 torr 耐用，便宜 由于泵的定子、转子都浸入油中，每周期都有油进入容器，有污染。 要求机械泵油有低的饱和蒸汽压、一定润滑性、黏度和高稳定性。 油扩散泵 1. 加热油从喷嘴高速喷出，气体分子与油分子碰撞实现动量转移，向出 气口运动，或溶入油中，油冷凝后，重新加热时，排出溶入的气体，并 由出气口抽出； 2. 需要水冷，前级泵 3. 10-3 to 10-7 Torr (to 10-9 Torr，液氮冷阱) 优点：耐用、成本低，抽速快无震动和声音 缺点：油污染 涡轮分子泵特点： 1. 气体分子被高速转动的涡轮片撞击，向出口运动 2.多级速度：30,000-60,000 rpm.转子的切向速度与分子运动速率相当 3. Atmosphere to 10-10 Torr 4. 启动和关闭很快 5. 无油，有电磁污染 6. 噪声大、有振动、比较昂贵.
《薄膜材料与薄膜技术》课程教学大纲 一、《材料制备技术》课程说明 （一）课程代码： （二）课程英文名称：Thin Film Materials and Thin film Technology （三）开课对象：物理系材料物理专业 （四）课程性质： 本课程是材料物理专业的一门专业选修课。 （五）教学目的 本课程主要介绍薄膜材料的制备及特性。通过学习既可以掌握一些薄膜物理的基本知识，同时也能了解该领域内当前的一些前沿研究进展，开阔眼界，这些都有利于学生将来更好的投入科研工作中去。 （六）教学内容： 本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。 （七）学时数、学分数及学时数具体分配 学时数：36 学分数：2 （八）教学方式： 课堂教学 （九）考核方式和成绩记载说明： 考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占20％，平时成绩占20％，期末成绩占60％。 二、讲授大纲与各章的基本要求 第一章真空技术基础
教学要点： 通过本章的教学使学生初步了解真空的基本知识，掌握获取一定程度的真空状态的方法及测量手段。 教学时数：4 教学内容： 第一节：真空的基本知识 第二节：稀薄气体的基本性质 第三节：真空的获得 第四节：真空的测量 考核要求： 1．真空的基本知识（识记） 2．稀薄气体的基本性质（领会） 3．真空的获得（领会） 4．真空的测量（识记） 第二章真空蒸发镀膜法 教学要点： 了解真空蒸发镀膜的基本原理，了解蒸发特性以及相应的膜厚分布特点，了解膜厚和沉积速率的测量与监控方法。 教学时数：4 教学内容： 第一节：真空蒸发原理 第二节：蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 第三节：蒸发源的类型 第四节：合金及化合物的蒸发 第五节：膜厚和沉积速率的测量与监控 考核要求： 1．真空蒸发基本原理（领会） 2．蒸发源的特性及膜厚分布（识记） 3．蒸发源的类型（识记） 4．膜厚和沉积速率的测量与监控（领会） 5．合金及化合物的蒸发（领会） 第三章溅射镀膜 教学要点： 了解溅射法制备纳米薄膜的基本原理，掌握溅射法制备的特点，熟悉溅射镀膜的几种基本类型，了解溅射镀膜的厚度分布特点，明确如何控制厚度均匀性指标。 教学时数：4 教学内容： 第一节：溅射镀膜的特点 第二节：溅射的基本原理 第三节：溅射镀膜类型 第四节：溅射镀膜的厚度均匀性 考核要求：
薄膜技术与薄膜材料 一.考试题型 名词解释（10*2=20）判断题（10*1=10）多项选择题（8*2=16）简答题( 5*8=40) 论述题（1*14=14） 二.重点 1.薄膜的定义 2.气体平均自由程 3.真空泵的种类 4.真空的测量、真空度有哪些 5.检漏技术有哪些 6.CVD----定义、制备过程、条件、输入现象 7.CVD反应动力学、热力学 8.溶胶凝胶的基本概念、原理、水解与缩聚反应 9.CVD的种类 10.PVD---定义、原理 11.真空蒸发的原理，镀膜过程 12.热蒸发、饱和蒸汽压的定义 13.阴影效应 14.影响薄膜厚度均匀性的因素 15.什么叫外延 16.溅射法、能量传递过程、气体放电现象、辉光效应17.等离子体的定义 18.影响产额（溅射）的因素 19.磁控溅射的原理、过程、优缺点 20.各类溅射法适用于制备何种材料 21.什么叫靶材中毒 22.薄膜的生长过程 23.薄膜的生长过程的影响因素 24.薄膜生长的三种形式 25.薄膜中的热应力、生长应力分别是什么 26.薄膜厚度的测量 27.薄膜结构的表征方法，各类仪器的用途 28.改善附着力的途径
简答题（作业） 1.请简述化学气相沉积的原理和主要过程。 化学气相沉积是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。 原理：在反应过程中，以气体形式提供构成薄膜的原料，反应尾气由抽气系统排出。通过热能（辐射、传导、感应加热等）除加热基板到适当温度之外，还对气体分子进行激发、分解，促进其反应。分解生成物或反应产物沉积在基板表面形成薄膜。 CVD法制备薄膜的过程——简化的四大过程 ①反应气体被基体表面吸附； ②反应气体向基体表面扩散； ③在基体表面发生反应； ④气体副产品通过基体表面由内向外扩散而脱离表面。 2.在利用蒸发法制备薄膜时，影响薄膜厚度均匀性的因素有哪些，如何改善薄膜厚度均匀性？ 影响薄膜厚度均匀性的因素：薄膜沉积的方向性和阴影效应 改善薄膜厚度均匀性的方法： 1）加大蒸发源到衬底表面的距离，但此法会降低沉积速率及增加蒸发材料损耗； 2）转动衬底； 3）如果同时需要沉积多个样品、且每个样品的尺寸相对较
材料表面技术分类 材料表面技术：材料表面涂镀技术、材料表面改性技术、材料表面微细加工技术、表面检测分析与质量评估。 材料表面涂镀技术：物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD、电镀及阳极氧化、化学镀、热喷涂喷焊、电刷镀、电泳涂层、涂镀（喷塑油漆）、表面复合处理技术、材料纳米化表面工程技术。 材料表面改性技术：活性气体离子处理、气体扩渗、液体扩渗、固体扩渗、机械强化、激光表面处理、电子束表面改性、离子束表面改性。 材料表面微细加工技术：光刻加工、电子束微细加工、离子束微细加工、激光束微细加工、微细电火花加工、微细喷粉加工、超声波加工、微细电解加工、微电铸加工、LIGA技术加工。 表面检测分析与质量评估：表面分析技术、表面物化特性、表面几何特性、表面力学特性、质量标准与质量评估。 表面工程学 现代材料表面工程学：材料表面工程基础理论、材料表面工程技术、材料表面检测技术、材料表面工程技术设计、材料表面工程应用。 材料表面工程基础理论：腐蚀与防护理论，表面磨擦与磨损理论，表面完整性与界面理论，表面物理化学，表面装饰与美学，表面机、力、热、光、声、电、磁等功能膜层设计理论，表面功能特性间耦合转换、复合性能理论，表面失效理论及其分析理论，低维材料的结构理论。 材料表面工程技术：材料表面改性技术、薄膜技术、涂层技术、材料表面复合处理技术、材料表面纳米化工程技术。 材料表面改性技术：表面形变强化，表面相变强化，表面扩散渗入，化学转化，电化学转化，等离子表面强化，离子束、电子束、激光束表面改性。 薄膜技术：光学薄膜沉积技术，电子学薄膜沉积技术，光电子薄膜沉积技术，集成光学薄膜沉积技术，传感器用薄膜沉积技术，金刚石薄膜（含类金刚石薄膜）沉积技术，防护用（耐蚀、耐磨、抗高温氧化、防潮、高强高硬、装饰等）薄膜沉积技术。 涂层技术：热喷涂技术、电化学沉积技术、有机涂层技术、无机涂层技术、热浸镀技术、防锈技术。 材料表面复合处理技术：镀覆层——热处理，表面热处理——表面化学处理，热处理——表面形变强化，镀膜——注入——扩渗，离子注入——镀膜，激光——气相沉积，电子束——气相沉积，等离子喷涂——激光。 材料表面纳米化工程技术：纳米颗粒复合电刷镀技术，纳米热喷涂技术，纳米涂装技术，纳米减摩自修复添加剂技术，纳米固体润滑干膜技术，纳米粘涂技术，纳米薄膜沉积技术。 材料表面检测技术：表面微观结构分析技术，表面化学分析技术，表面物理性能测试技术，表面力学性能测试技术，表面几何特性测试技术，表面无损检测技术。 材料表面工程技术设计：表面层成分结构设计，表面复合功能层设计，表面选择与应用设计，表面涂镀层制备工艺设计，表面工程施工设计，表面工程设备与工艺流程设计，表面工程车间设计。 材料表面工程应用：表面层特性及其综合利用，表面层原料及加工技术，表面层标准及检验，表面界面维修与再造，表面质量与工艺过程控制，表面工程管理与经济分析。 薄膜功能分类
真空薄膜技术与薄膜材料的应用及学习薄膜技术意义 ——张龙 090243138 材料物理 摘要：本文要紧讲述薄膜材料的一些差不多特点和在能源，军事以及其它方面的一些应用，并列举部分应用比较广泛的薄膜材料及现今前沿的薄膜材料和薄膜技术如光学薄膜中的太阳能薄膜，眼镜镀膜，抗反射膜及其他的一些耐腐蚀薄膜和电容薄膜，并阐述学习薄膜技术的意义。 关键词：薄膜；应用；进展；意义
Abstract：This article focuses on some basic characteristics of thin film material and the application of in the energy, military and some other aspects. Then it gives part of broader application of the thin film material and the edge of the film materials and thin film technologies such as optical thin films in solar thin film, optical coating, anti reflective film and other corrosion resistant film and film capacitors. At last it gives the significance of the thin film technology and expounds. Keywords：Thin Film； Application； Development； Meaning 引言：真空薄膜技术进展至今已有200年的历史。在一代代探究者的艰辛研究下各种材料的薄膜化差不多成为一种普遍趋势，以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要进展方向之一。 正文： 真空薄膜技术进展至今已有200年的历史。在19世纪能够讲一直是处于探究和预研时期。通过一代代探究者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种
课程设计 实验课程名称电子功能材料制备技术 实验项目名称薄膜材料及薄膜技术 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 薄膜材料及薄膜技术 薄膜技术发展至今已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规
模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。 一、薄膜材料的发展 在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。 自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 二、薄膜材料的分类 目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新型薄膜材料的应用范围正在不断扩大。当前薄膜科学与技术得到迅猛发展的主要原因是，新型薄膜材料的研究工作，始终同现代高新技术相联系，并得到广泛的应用，常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。近10年来，新型薄膜材料在以下几个方面的发展更为突出： （1）金刚石薄膜 金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。 金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数高、化学稳定性好、热导率高、热膨胀系数小，是优良的绝缘体。金刚石薄膜属于立方晶系，面心立方晶胞，每个晶胞含有8个C原子，每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键，牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因。