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
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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。
2.1.2大晶粒多晶硅薄膜太阳能电池
为了提高光生载流子的激发和传输效率，要尽量做大晶粒尺寸、降低晶粒间界，以减少晶界复合损失。现在薄膜太阳能电池与多晶硅太阳能电池性能的差距来源于半导体材料的结晶品质。如果能获得接近多晶硅片结晶品质的多晶硅薄膜，制备光电转换效率达20%的多晶硅薄膜太阳能电池是很有希望的。
2.1.3量子点太阳能电池
这是更新一代的高效率太阳能电池。它的尺度介于宏观固体与微观原子、分子之间，典型尺寸为1nm-10nm，包含几个到几十个原子。由于荷电载流子的运动在量子点上受到三维限制，能量发生量子化。量子点具有很多新特性，例如具有高电导、可变化带隙、可变化光谱吸收特性等。量子点太阳能电池大大提高了光电转换效率，约为30%-40%，生产耗能比多晶硅电池减少20%。但是，目前尚有一些理论问题和工程技术难题需要解决。
2.2新型薄膜太阳能电池
新型薄膜太阳能电池是基于光电化学反应体系（光电化学电池）、利用光电化学原理设计的能量转化装置，包括染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池等。该类太阳能电池具有很多优点：对半导体材料的缺陷不敏感；液/固结易于形成；实现直接的光能-化学能转换，提高了能量转换效率等。
2.2.1染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池（DSCs）主要由三部分构成：染料敏化的纳米晶多孔光阳极，载有催化剂的对电极和氧化还原电解液。其中，光阳极和对电极的载体可以为氟掺杂二氧化锡导电玻璃（FTO），柔性氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二酯/聚萘二甲酸乙二醇酯（PET/PEN）塑料薄膜，或者金属钛箔和不锈钢基板
等。纳米晶多孔光阳极一般由金属氧化物纳米半导体材料如Ti02，Sn02，ZnO 等组成的薄膜（粒子尺寸10-30nm，厚度10-20um，孔隙度50-60%），这些纳米材料具有较大的比表面积、吸附染料量较大，既作为染料光敏剂的载体又同时传输光生电子，使光生电子的产生和传输分离为两个阶段，有效提高了电荷的分离和收集效率。染料光敏剂一般是钌系配合物（N749，N3，N719）和有机染料等，染料光敏剂受到光激发后由基态变为激发态，向金属氧化物半导体的导带中注入电子，染料自身转变为氧化态。常用的对电极催化剂为贵金属Pt，Au等，以及近年来开发的碳材料和过渡金属碳化物、氮化物和氧化物的类铀材料等。对电极催化剂的作用是催化辅助氧化还原电解液中的离子进行还原反应。目前最常用的氧化还原电对仍然是I-/I3-，它将被激发的氧化态染料还原为基态，而使染料继续进行光生电子的产生和循环。同时，被氧化的I3-从对电极得到电子而被还原成I-，完成自身的氧化还原反应。其工作原理可以用一下方程表示，
染料电池的各组成部分需要满足一定的关系：染料的LUMO能级高于半导体导带，使电子注入在动力学上可以进行；氧化还原电对的氧化还原电势高于染料的HOMO能级，使染料能够顺利再生。DSCs的光生电压由染料敏化半导体
导带的能级和氧化还原电对的电势差决定。
此外，微纳加工技术的应用可以在一定程度上提高染料敏化太阳能电池的效率。借助双光束激光干涉、水热和化学转换合成三种技术，可以制备出大面积均匀、排列方式和密度精确可调的图案化ZnO-ZnS核壳结构纳米棒阵列，经过图案化处理的ZnO-ZnS核壳结构纳米棒阵列大大提高了染料敏化太阳能电池的效率。[4]
2.2.2无机半导体量子点敏化太阳能电池（QDSCs）
无机半导体量子点敏化太阳能电池的结构与DSCs相似，二者的差别是由无机半导体敏化剂（包括CdS、CdSe、PbS等）代替了DSCs中的染料光敏剂。相比而言，无机半导体敏化剂具有很多优点：染料的吸收围较窄，而半导体量子点可以吸收大于或等于其禁带宽度的光子，这就可以使用单独一种无机光敏剂来吸收整个太谱；（2）无机量子点的摩尔消光系数较高，而且由于它还可以利用多重俘获机理（multiple trapping model）将电荷传递出由敏化剂组成的薄膜，因此可以应用于较薄的氧化物薄膜;量子点的禁带宽度随其尺寸变化，发生量子限域效应。也就是说，可以通过连续的调节量子点的尺寸制作得到彩虹式吸收的太阳能电池。
三、结语
多元化合物薄膜太阳能电池多由稀有元素所参与制备，虽然效率较高，但从材料来源来看，这类太阳能电池很难占据主导地位。而染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的研究刚刚起步，短时间不太可能替代硅系太阳能电池，但具有很好的发展前景。从转换效率和材料的来源来看，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，且正在逐渐成为市场的主导产品。
参考文献
[1]新型薄膜铜铟硒（CuInSe2）太阳电池的制备与性能研究，中科院微系统与信息技术研究所，晓科，2006.6
[2]纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究，理工大学，郭薇，2013.4
[3]纳米晶硅薄膜材料的技术发展，广西紫焱星光伏科技，吴大维等，2012.1
[4]微纳加工技术及其应用，科技大学，闫小琴，2014.5
长春理工大学 科研训练报告 材料科学与工程学院班 姓名 时间 地点西区实验楼110、112 指导教师
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磷_氟一钢渣复合添加剂对水泥熟料烧成的影响 摘要：磷(P)或氟(F)的阴离子团可以促进硅酸盐水泥熟料的烧成，因此，利用P与F的复合效应，并引入钢渣做晶种，分析晶种与阴离子的复合对硅酸盐水泥熟料形成规律所产生的影响。结果表明：磷渣、钢渣与萤石的三元复合体系对熟料中游离氧化钙含量的改善作用明显优于单掺磷渣或钢渣与萤石二元复合体系的。当煅烧温度提高至1 350℃或l 450℃时，三元复合体系仍明显改善了生料的易烧性。三元复合体系可改善液相的粘度与矿物的形貌，促进3CaO·SiO2的形成和生长发育。热分析表明：与空白样相比，磷渣、钢渣与萤石的三元复合体系将碳酸盐分解峰值温度、反应起始温度和反应结束温度分别降低了50，15℃和55℃。关键词：硅酸盐水泥熟料；烧成；易烧性；微观结构；磷渣；萤石；晶种 硅酸盐水泥熟料矿物是多相、多组分的复杂体系在高温煅烧中通过一系列化学反应和溶解、扩散、结晶等物理化学作用而形成的。由于硅酸盐水泥主要熟料矿物3CaO·Si02(C3S)的形成温度高(通常在1450℃左右)，所以烧成水泥熟料所需的能耗大。针对这一问题，文献[1-3]介绍了以离子掺杂低温烧成技术为切入点，研究含磷阴离子团对水泥熟料性能的影响。此外，利用诱导结晶原理，添加晶种制备水泥熟料也有效地改善了生料的易烧性，促进硅酸盐水泥熟料的形成。在该方面的研究中，陈明芳等和龚方田等做了大量工作，研究了不同种类水泥熟料单矿物对普通硅酸盐水泥熟料易烧性的影响，结合诱导结晶原理探讨了添加晶种后硅酸盐水泥熟料的形成过程和显微结构的变化，为添加晶种煅烧水泥熟料技术的应用奠定了理论基础。目前，阴离子掺杂与晶种技术的复合对水泥熟料烧成的影响方面的研究较少。因此，实验中，在P，氟(F)阴离子团掺杂的基础上，引入晶种，探讨阴离子掺杂与晶种技术的叠加效应对硅酸盐水泥熟料形成规律的影响。 1.实验 1.1原材料 用石灰石、江砂、硫酸渣、磷渣、料进行配料。为了研究晶种技术与P，F 阴离子团复合对硅酸盐水泥熟料烧成所产生的影响，在生料中掺入了钢渣与萤石。各种原料的化学成分见表1，其中：晶种由钢渣提供；P，F阴离子团通过磷渣与无烟煤等原萤石引入；萤石用化学纯试剂。 表1-1
《薄膜物理与技术》A卷试题参考答案及评分细则 一、名词解释：（本题满分20分，每小题5分） 1、饱和蒸汽压 在一定温度下（1分），真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中（2分）所表现出的压力称为该物质的饱和蒸气压。（2分） 2、溅射 是指荷能粒子轰击固体物质表面（靶），（1分）并在碰撞过程中发生动能与动量的转移，（2分）从而将物质表面原子或分子激发出来的过程。（2分） 3、化学气相沉积 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片（2分），利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源（2分），使气态物质经化学反应形成固态薄膜。（1分）。 4、外延生长 外延生长技术就是在一块半导体单晶片上（2分）沿着单晶片的结晶轴方向生长（2分）一层所需要的薄单晶层。（1分） 二、简答题：（本题满分80分） 1、什么叫真空？写出真空区域的划分及对应的真空度（10分） 答：真空是指低于一个大气压的气体空间。（2分） 对真空的划分： 1）粗真空：105－102Pa；（2分） 2）低真空：102－10-1Pa；（2分） 3）高真空：10-1－10-6Pa；（2分） 4）超高真空：＜10-6Pa。（2分） 2、什么是真空蒸发镀膜法？其基本过程有哪些？（10分） 答：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出（2分），形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。（2分）其基本过程包括： （1）加热蒸发过程。包括凝聚相转变为气相的相变过程。（2分） （2）输运过程，气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运。（2分） （3）蒸发原子或分子在基片表面的淀积过程，即使蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。（2分） 3、简述磁控溅射的工作原理。（10分） 答：磁控溅射的工作原理是：电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar＋和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar＋在电场作用下加速飞向阴极靶，（2分）并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。（2分） 二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。一般可近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。（2分）
半導體薄膜材料分析 李文鴻 化學工程系 黎明技術學院 摘要 使用電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法(electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition, ECRCVD)以CH4/SiH4/Ar混合氣體於低溫下成長碳化矽薄膜為例，藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)、X光繞射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)、X射線光電子能譜儀(XPS; ESCA)、歐傑電子能譜儀(AES)、拉塞福背向散射儀(RBS)、低能量電子繞射（LEED）、反射式高能量電子繞射(RHEED)、拉曼光譜儀（Raman）來研究碳化矽薄膜的微結構、表面型態及化學組成與沉積參數之間的關係，藉由二次離子質譜儀(SIMS)來研究沉積膜的雜質濃度分佈，利用光子激發光(PL)來量測發光波長範圍。 關鍵字：材料分析、電子迴旋共振電漿化學氣相沉積法、碳化矽薄膜 一、前言光電半導體產業的發展非常迅速，其中
積體電路製程技術的發展朝向尺寸微小化，目前已邁入0.13μm以下製程及邁向奈米的範疇，並朝多層薄膜的趨勢。然而新材料和製程的開發及其分析更是必須掌握的。本文將以跨世紀的接班材料-碳化矽(silicon carbide)為例，介紹材料之薄膜成長及其分析。 碳化矽為具有許多優異特性的電子材料，如寬能隙、高電子遷移率、高飽和飄移速度、高崩潰電壓、高操作溫度、高熱傳導度、化學惰性、高融點及高硬度【1】，並具耐熱震(thermal shock resistance)、抗高溫氧化、比矽低的介電常數等優點。由Johnson 之優值指標(評估元件在高功率及高頻下運作的指標)碳化矽(β-SiC)為矽之1137.8倍，及Keyes 之優值指標(評估元件在高速下運作的指標) 碳化矽(β-SiC)為矽之5.8倍【2】，故碳化矽元件能在高功率、高頻及高速下操作的特性，在光電元件的製造上，具極大之應用價值，且可用於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)元件之薄膜【3】、封裝材料及濾材之分離膜等【4】。在商業應用發展方面，Cree Research、日本三洋公司及信越半導體等的碳化矽藍光LED已商品化，Motorola將碳化矽應用於RF 及微波的高頻高功率元件，General Electric 應用於高功率及高溫元件之感測器，Westinghouse 應用於高頻MESFET元件等。可見碳化矽具多用途且具發展潛力，因此被諭為跨世紀的接班材料。 由於材料之製程會影響材料結構及性質進而影響其應用，因此本文將介紹碳化矽材
对于建筑环保材料的调查与研究 随着我国经济的发展，有效利用能源、减少环境污染、降低安全生产事故频次，防止突发环境事件，确保生命安全的重要性日益凸显。制定并执行环保政策和措施，致在保护环境的同时改善人民的生活质量，已经成为我国民生工程的关注点。环境污染问题，不仅不利于国民经济建设，更威胁人类的生存与发展。在人们环保意识不断增强之下，人们越来越推崇环保建筑材料的使用。 主流的环保材料类别有如下几种： 基本无毒无害型：是指天然的，本身没有或极少有毒的物质、未经污染只进行了简单加工的装饰材料。如石膏、滑石粉、砂石、木材及某些天然石材等。 低毒、低排放型：是指经过加工、合成等技术手段来控制有毒、有害物质的积聚和缓慢释放，因其毒性轻微、对人类健康不构成危险的装饰材料。如甲醛释放量较低、达到国家标准的大芯板、胶合板、纤维板。 目前环保材料在环保装潢领域比较广泛。而目前市场上流行的环保装饰材料主要有以下几种： 环保地材：植草路面砖是各色多孔铺路产品中的一种，采用再生高密度聚乙烯制成。可减少暴雨径流，减少地表水污染，并能排走地面水。多用在公共设施中。环保墙材：新开发的一种加气混凝土砌砖，可用木工工具切割成型，用一层薄沙浆砌筑，表面用特殊拉毛浆粉面，具有阻热蓄能效果。 环保墙饰：草墙纸、麻墙纸、纱绸墙布等产品，具有保湿、驱虫、保健等多种功能。防霉墙纸经过化学处理，排除了墙纸在空气潮湿或室内外温差大时出现的发霉、发泡、滋生霉菌等现象，而且表面柔和，透气性好。 环保管材：塑料金属复合管，是替代金属管材的高科技产品，其内外两层均为高密度聚乙烯材料，中间为铝，兼有塑料与金属的优良性能，而且不生锈，无污染。环保漆料：生物乳胶漆，除施工简便外还有多种颜色，能给家居带来缤纷色彩。涂刷后会散发阵阵清香，还可以重刷或用清洁剂进行处理，能抑制墙体内的霉菌。我国环保装饰材料的发展——装饰材料与环保 建筑装饰装修材料是应用最广泛的建筑功能材料，深受到广大消费者的关注。随着人们牛活水平的提高和环保意识的增强，建筑装饰工程中不仅要求材料的美观、耐用，同时更关注的是有无毒害，对人体的健康影响及环境的影响。
钛合金材料的结构、性能和应用范围 一、基本简介 1、物理性质 钛属难熔稀有金属，原子序数为22，原子量为47.90，位于周期表IVB族。钛有两种同素异形结构，转变温度为882.5℃，低温为密排六方结构的α-Ti；高温为体心立方的β-Ti。纯钛的比密度为4.505，而钛合金的比密度一般在4.50~4.84之间，低于铁和铜，因此可归入轻金属。钛的其他主要物理性能如表1所示。 表1 钛的部分物理性能 2、机械性能 钛的机械性能与其纯度及加工状态有密切关系。用碘化法生产的高纯钛强度低，塑性高，布氏硬度值为400~600。工业纯钛的抗拉强度提高到300~600MPa，但仍保持良好的塑形及韧性，其水平相当于碳钢、不锈钢、青铜及铜镍合金，可
作为这类材料的代用品。 α-Ti虽属密排六方结构，但和其他六方结构的金属（镉、锌、钴、镁）相比，承受塑性变形的能力要高得多，其原因是一般六方晶体的滑移系少，只能沿基面{0001}滑移，而钛的主滑移面是棱柱面{10-10}及棱锥面{10-11}，同时基面也能参与滑移，滑移方向均为[11-20]，故滑移系明显增多。且钛还易于进行孪生变形，从而保证了较高的塑形。但加工中也需注意，钛的屈强比（材料的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值）较高，一般在0.70~0.95之间，多数钛合金趋于上限而且钛的弹性模量相对较低，只及刚的一半，因此加工变形的抗力大，回弹也比较严重，不易冷校形。但有时也利用这一特性，将钛合金作为弹性材料使用。表2列出了钛的典型机械性能数据。 表2 纯钛的典型机械性能数据 纯钛的强度可借助冷作硬化或添加合金元素而提到，50%的冷变形可使强度提高60%，适当合金化并结合热处理，则抗拉强度可达1200~1400MPa，因此钛合金的比强度高于其他金属材料。 纯钛及某些高品位的钛合金尚具有良好的低温性能，即使在低达液氢或液氦温度下，亦能保持足够的塑形（表3），因此钛也是一种良好的低温材料。 表3 工业纯钛的低温机械性能
冷冲模常用材料 “模具是工业之母”，模具性能好坏，寿命高低，直接影响产品的质量和经济效益。而模具材料与热处理、表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。目前世界各国都在不断地开发模具新材料，改进热处理工艺和表面强化技术。我国的模具工业一直以较快的增速快速发展，模具制造的首要问题是模具材料。制造模具及其零件的材料有很多，如钢，铸铁，非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中钢是用的最多，应用范围最广的材料。 一、零件的失效分析 任何零件均具有一定的设计功能与寿命。当其在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象。 通常按零件的工作条件及失效的特点可分为：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级。零件的失效原因主要包括设计、材料、加工和使用四个方面，然而工件失效的原因可能是单一的，也有可能是多种因素共同作用的结果，但每一失效事件均应有一导致失效的主要原因，据此可提出防止失效的主要措施。 在失效分析中，我们可进行如下几个基本步骤：1调查取证、2整理分析、3断口分析、4成分组织性能的分析与测试、5综合分析得出结论。 二、选材原则 材料的选用常常是一个复杂而困难的判断、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产品使用的需要，经久耐用，易于加工，经济效益高。而且选材一般应遵循三个基本原则：使用性能、工艺性能和经济性能，它们是辩证的统一体。在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与依据，然后再综合考虑工艺性能和经济性能，得出优化结果。 1、使用性能选材原则 使用性能是材料满足使用需要所必备的性能，它是保证零件的设计功能实现、安全耐用的必要条件，是选材的最主要原则。首先分析零件的工作条件，确定其使用性能；其次进行失效分析，确定主要使用性能；然后将零件的使用性能要求
第一章真空技术基础 1、膜的定义及分类。 答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。通常，膜可分为两类： （1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜； （2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。 2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？ 答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。 3、何为真空、绝对真空及相对真空？ 答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。完全没有气体的空间状态称为绝对真空。目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。 4、毫米汞柱和托？ 答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。 5、真空区域是如何划分的？ 答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。 6、真空各区域的气体分子运动规律。 答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子和器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子和容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子和器壁的碰撞机会也更少了。 7、何为气体的吸附现象？可分几类、各有何特点？ 答：气体吸附就是固体表面捕获气体分子的现象，吸附分为物理吸附和化学吸附。 （1）物理吸附没有选择性，任何气体在固体表面均可发生，主要靠分子间的相互吸引力引起的。物理吸附的气体容易发生脱附，而且这种吸附只在低温下有效；（2）化学吸附则发生在较高的温度下，和化学反应相似，气体不易脱附，但只有当气体中的原子和固体表面原子接触并形成化合键时才能产生吸附作用。 8、何为气体的脱附现象？ 答：气体的脱附是气体吸附的逆过程。通常把吸附在固体表面的气体分子从固体表面被释放出来的过程叫做气体的脱附。 9、何为电吸收和化学清除现象？ 答：电吸收是指气体分子经电离后形成正离子，正离子具有比中性气体分子更强的化学活泼性，因此常常和固体分子形成物理或化学吸附；化学清除现象常在活泼金属（如钡、铁等）固体材料的真空蒸发时出现，这些蒸发的固体材料将和非惰性气体分子生成化合物，从而产生化学吸附。 10、影响气体在固体表面吸附和脱附的主要因素
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
纳米材料及其应用 摘要：纳米科技自1990年诞生以来，在当今科技领域扮演者重要角色，并且取得了巨大的成就。其中纳米材料的研究和发展尤为突出，受到众人的瞩目，而且被誉为“21世纪最有前途的新型材料”。 关键词：纳米材料的产生发展现状特性应用 纳米材料，顾名思义，就是指在1~100nm的范围内研究原子，分子的结构特性，通过直接操作和安排原子、分子，将其组装成具有特定功能和结构的一门高新技术。它的出现似乎涉及到了当今时代的所有领域，引发了各个领域的纳米技术的革命，将成为21世纪关键的高新科技之一。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大，我国的纳米科技研究，特别是在纳米材料的方面取得了重要的进展，并引起了国际上的关注。从受资助的项目来看，我国的研究力量主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及极少数的纳米技术的应用等方面。而美国已在纳米结构组装体系、高比表面纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领先的地位，在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和其他结构材料方面略逊于欧共体。日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，在分子电子学技术领域仅次于德国。德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄的研究领域具有很强的优势。 我国由于条件限制，研究工作只能集中在硬件条件不太高的一些领域，虽然我国在碳纳米管、纳米材料的多个领域取得很出色的成就，但与国际上的一些发达国际还是有很大差距。从上世纪90年代到现在，我国科学家在氮化镓纳米材料、碳纳米管、金属纳米材料以及半导体纳米材料的制备上已取得了很好的成果。 由上可见，我国的纳米科学家在国际上取得了一系列的令人瞩目的成果，相继在Science、Nature的权威杂志上发表了高水平的论文，使中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米合成方面走在了世界的前沿，但是，在纳米器件上，总
薄膜物理与技术课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：薄膜物理与技术 所属专业：电子器件与材料工程 课程性质：必修课 学分：3 （二）课程简介、目标与任务； 本课程讲授薄膜的形成机制和原理、薄膜结构和缺陷、薄膜各项物理性能和分析方法等物理内容；讲授薄膜各种制备技术。通过本课程学习，使学生具备从事电子薄膜、光学薄膜、以及各种功能薄膜研究与开发的能力 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 《量子力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《电子技术》、《电路分析》等。 （四）教材与主要参考书。 教材：杨邦朝，王文生. 《薄膜物理与技术》，成都：电子科技大学出版社，1994 主要参考书：1.陈国平.《薄膜物理与技术》，东南大学出版社，1993 2.田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，2006-8 二、课程内容与安排 本课程全部为课堂讲授。重点：真空的获得和真空测量的工作原理；物理气相沉积和化学气相沉积的原理及方法；薄膜生长的机理。 难点：磁控溅射的机理及控制；MOCVD技术；薄膜形成过程的机理 （一）绪论2学时 1、薄膜的概念和历史 2、薄膜材料与薄膜技术的发展 3、薄膜科学是边缘交叉学科 4、薄膜产业是腾飞的高科技产业
（二）真空技术基础2学时 1、真空的基本知识 2、真空的获得 3、真空的测量 （三）真空蒸发镀膜4学时 1、真空蒸发原理 2、蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 3、蒸发源的类型 4、合金及化合物的蒸发 5、膜厚和淀积速率的测量与控制 （四）溅射镀膜4学时 1、溅射镀膜的特点 2、溅射的基本原理 3、溅射镀膜类型 4、溅射镀膜的厚度均匀性 （五）离子镀膜2学时 1、离子镀原理 2、离子镀的特点 3、离子轰击的作用 4、离子镀的类型 （六）化学气相沉积镀膜4学时 1、化学气相沉积的基本原理 2、化学气相沉积的特点 3、化学气相沉积方法简介 4、低压化学气相沉积 5、等离子体化学气相沉积 6、其他化学气相沉积 （七）溶液镀膜法2学时 1、化学反应沉积 2、阳极氧化法
材料的发展与人类生活的关联 随着社会的发展，材料在人类生活中的应用极为普遍。大到航天科技，小到衣食住行，在现实生活中无一处与材料科学无关。可以说材料科学每进步一小步，人类文明就进步一大步。 一、材料在人类社会发展进程中的作用 所谓材料，是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。在实践中，人们按用途把材料分成结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要利用其声、光、电、磁、热等性能。按化学成分分类，则可把材料分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料及复合材料等。 某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。基于材料对社会发展的作用，人们已提出信息。能源和材料并列为现代文明和生活的三大支柱。在三大支柱中，材料又是能源和信息的基础。 二、新材料在高技术中的作用 新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才会有航空和汽车工业；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。当今世界各国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。50年代末，美国政府就制定了全国材料发展规划，70～80年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本在1980年开展了为期10年、耗资4亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。某些具有特殊性能的新材料的出现，引起了今天的高技术突飞猛进的发展。 三、材料科学与经济发展 由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。有人曾作过粗略计算，以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1，那么小轿车为5，家电为30，飞机为200，计算机为1000，集成电路芯片则为10000 。由此可见，产品中的技术含量越高，收益就越高。在从工业社会向知识经济社会的过渡过程中，工业产品结构中传统的金属材料比重降低了，无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大，产业结构也从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型方向发展。新材料新技术的发展使美国经济繁荣不衰，已连续9年保持高增长。总之，以新材料为基础的一批新兴产业正在迅速兴起，并成为许多国家新的经济增长点。 四、当前新材料的发展方向 1．高性能化、高功能化、高智能化 随着人类对材料的性能与微观结构的研究与认识，决定材料性能的本质已被或正在被人们揭示和掌握，并通过新工艺、新技术、新设备，在日益成熟的现代材料设计理论的指导下，创造出各种性能更好的新型材料。结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹、
第一章 最可几速率：根据麦克斯韦速率分布规律，可以从理论上推得分子速率在m v 处有极大值，m v 称为最可几速率 M RT M RT m kT 41.122==,Vm 速度分布 平均速度: M RT m RT m kT 59.188==ππ，分子运动平均距离 均方根速度:M RT M RT m kT 73.133==平均动能 真空的划分：粗真空、低真空、高真空、超高真空。 真空计：利用低压强气体的热传导和压强有关； (热偶真空计) 利用气体分子电离；（电离真空计） 真空泵：机械泵、扩散泵、分子泵、罗茨泵 机械泵：利用机械力压缩和排除气体 扩散泵：利用被抽气体向蒸气流扩散的想象来实现排气作用 分子泵：前级泵利用动量传输把排气口的气体分子带走获得真空。 平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。 常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa 真空区域的划分、真空计、各种真空泵 粗真空 1×105 to 1×102 Pa 低真空 1×102 to 1×10-1 Pa 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa 超高真空 <1×10-6 Pa 旋转式机械真空泵 油扩散泵 复合分子泵 属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的 分子筛吸附泵 钛升华泵 溅射离子泵 低温泵 属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。 不需要油作为介质，又称为无油泵 绝对真空计： U 型压力计、压缩式真空计 相对真空计：
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
高分子材料 ——08机自A4 陈少勇摘要：本篇主要介绍高分子材料的结构和高分子材料的力学性能及其在工程上的应用。高分子化合物是由小分子单体聚合而成的，因此又称为聚合物。高聚物的结构包括高分子链结构和高分子聚集态结构。高分子化合物是由许多结构单元相同的小分子化合物通过共价键联系起来的链状大分子，相对分子质量大，空间结构复杂。正是由于这些复杂的结构因素，使高分子材料本身具有性能各异的繁多品种，也使高分子材料具有区别于金属和陶瓷材料的独特性能——高弹性和粘弹性。高分子材料力学性能的特点是高分子热运动特点的宏观表现，而高分子热运动的特点又取决于高分子的结构特点。 一、高分子的基本概念 <一>、高聚物的定义 当一个化合物的相对分子质量足够大，以至多一个链节或少一个链节不会影响其基本性能时，称为高分子。 <二>、高聚物的合成 高分子化合物是由许多结构单元相同的小分子化合物通过化学键连接而成的，合成高聚物的化学反应主要有两大类：加聚反应和缩聚反应。 1、加聚反应 定义：单体通过双键的加成反应而聚合起来的反应称为加聚反应。 过程：链引发——链增长反应——链终止 特点：每次只向链上加入一个单体；单体浓度在反应过程中下降；延长反应时间只能提高产率，不能提高相对分子质量；反应混合物中仅含、高聚物和极微量的增长链；加聚产物的结构单元中元素组成与其单体相同，仅是电子结构发生变化，因此加聚物的相对分子质量是单体相对分子质量的整数倍。 2、缩聚反应 定义：通过单体分子中某些官能团之间的缩合反应聚合成高分子 的反应称为缩聚反应。 过程：链增长开始——链增长——链增长停止 特点：具有逐步性和可逆性；由于有低分子副产物的析出，因此缩聚物相对
薄膜物理与技术 第一章 1、真空：低于一个大气压的气体空间。P1 2、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越高。P1 3、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P2 4、平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程。P5 5、余弦定律：碰撞于固体表面的分子，它们飞离表面的方向与原入射方向无关，并按与表 面法线方向所成角度θ的余弦进行分布。P7 6、极限压强（或极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0）， 而是具有一定的压强。P7 7、抽气速率：在规定压强下单位时间所抽出气体的体积，它决定抽真空所需要的时间。P7 8、机械泵的原理：利用机械力压缩和排除气体。P8 9、分子泵的工作原理：靠高速转动的转子碰撞气体分子并把它驱向排气口，由前级泵抽走， 而使被抽容器获得超高真空。P13 第二章 1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17 （1）加热蒸发过程：…… （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运：…… （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程：…… 2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空气非常稀薄的真空环境中进行？P18 答：如果不是真空环境，蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空气分子的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。 3、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现 出的压力。P18 4、蒸发温度：物质在饱和蒸气压为10-2托时的温度。P18 5、碰撞几率：。P23 6、点蒸发源：能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源。P25-27 计算：公式2-28、2-33 7、蒸发源与基板的相对位置配置P33 （1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中心。 （2）小平面源与基板相对位置的配置：当小平面源为球形工作架的一部分时，该小平面蒸发源蒸发时，在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。 （3）大、小面积基板和蒸发源的配置。 8、对蒸发源材料的要求：①熔点要高；②饱和蒸气压低；③化学性能稳定，在高温下不应 与蒸发材料发生化学反应；④具有良好的耐热性，热源变化时，功率密度变化较小；⑤原料丰富，经济耐用。P35、37 9、表2-5 适合于各种元素的蒸发源（蒸发源材料）。P36 10、外延：在适当的衬底与合适条件下，沿衬底材料晶轴方向生长一层结晶结构完整的新单 晶层薄膜的方法。P46 11、同质外延：外延薄膜和衬底属于同一物质；异质外延：外延薄膜和衬底属于不同物质。
一、填空题 在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积 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 薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V只与气体的压强P和电极距离的乘积有关。 1.表征溅射特性的参量主要有溅射率、溅射阈、溅射粒子的速度和能量等。 2. 溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在 1～100nm 之间。 3．薄膜的组织结构是指它的结晶形态，其结构分为四种类型：无定形结构，多晶结构，纤维结构，单晶结构。 4．气体分子的速度具有很大的分布空间。温度越高、气体分子的相对原子质量越小，分子的平均运动速度越快。 二、解释下列概念 溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面 (靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象 气体分子的平均自由程:每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值： 称为平均自由程， 饱和蒸气压：在一定温度下，真空室蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。 凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。 物理气相沉积法：物理气相沉积法 (Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 真空蒸发镀膜法:是在真空室，加热蒸发容器中待形成薄膜的源材料，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底、基片或基板)表面，凝结形成固态 溅射镀膜法:利用带有电荷的离子在电场加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质作成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子的碰撞过程中将靶原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。 离化率:离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一个重要指标。 化学气相沉积:是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。 物理气相沉积：是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到离子轰击时物质表面原子溅射的现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。 溅射阈值:溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。
硅酸盐水泥的结构性能与制备工艺 一、应用概况 1.1硅酸盐水泥的性能要求 水泥的作用：水泥是人类生活和社会生产中不可缺少的一种建筑材料。近半个世纪以来，随着水泥品种的不断增加，水泥的用途也更加广泛。尤其是改革开放以后，国家已明确指出建筑业是国民经济的基础产业之一，而水泥又是建筑业发展离不开的主要原材料。交通运输业是促进和带动国民经济发展的先行基础产业，而交通基础设施建设也需要大量的水泥，如修公路、修铁路、建港口、建机场、铺设石油管道，哪一项工作都离不开水泥。再就是水利、水电建设工程，尤其是像长江三峡、黄河小浪底这样大型的水利枢纽工程，都需要大量的水泥。广大的农村基本建设，如农民盖房、农田水利，农村道路等，每年都需要大量的水泥，可见，水泥的用途十分广泛。除此之外，煤矿、油井等开采也需要大量的特种水泥。 水泥的性能要求：A、凝结硬化快，早期强度及后期强度高，适用于有早强要求的混凝土、冬季施工混凝土，地上、地下重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程。 B、抗冻性好，适用于严寒地区水位升降范围内遭受反复冻融循环的混凝土工程。 C、水化热大，不宜用于大体积混凝土工程，但可用于低温季节或冬期施工。 D、耐腐蚀性差，不宜用于经常与流动淡水或硫酸盐等腐蚀介质接触的工程，也不宜用于经常与海水、矿物水等腐蚀介质接触的工程。 E、耐热性差，不宜用于有耐热要求的混凝土工程。 F、抗碳化性能好，适用于空气中CO2浓度较高的环境，如铸造车间等。 G、干缩小，可用于干燥环境下的混凝土工程。 H、耐磨性好，可用于路面与地面工程。
图1-1 水泥实物图 1.2 硅酸盐水泥的的结构与性能 硅酸盐水泥的化学成分包括：硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙等。硅酸盐水泥熟料，5%以下的石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，统称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的主要矿物组成是：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。硅酸三钙决定着硅酸盐水泥四个星期内的强度；硅酸二钙四星期后才发挥强度作用，约一年左右达到硅酸三钙四个星期的发挥强度；铝酸三钙强度发挥较快，但强度低，其对硅酸盐水泥在1至3天或稍长时间内的强度起到一定的作用；铁铝酸四钙的强度发挥也较快，但强度低，对硅酸盐水泥的强度贡献小。 每种水泥都有不同的等级，叫水泥的强度等级。这个等级主要是按28天抗压强度值来划分的。 硅酸盐水泥有6个强度等级：42.5 42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R； 普通硅酸盐水泥的强度等级分为4个：42.5 42.5R 52.5 52.5R ； 矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的强度等级分为6个：32.532.5R 42.5 42.5R 52.5 52.5R 。
1.薄膜定义：按照一定需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。这种二维伸展的薄膜具有特殊的成分、结构和尺寸效应而使其获得三维材料所没有的特性，同时又很节约材料，所以非常重要。通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1μm左右。 2.一些表面定义： 1)理想表面：沿着三维晶体相互平行的两个面切开，得到的表面，除了原子平 移对称性破坏，与体内相同。 2)清洁表面：没有外界杂质。 3)弛豫表面：表面原子因受力不均向内收缩或向外膨胀。 4)重构表面：表面原子在与表面平行的方向上的周期也发生变化，不同于晶体 内部原子排列的二维对称性（再构）。 5)实际表面：存在外来原子或分子。 3. 薄膜的形成的物理过程 驰豫 重构驰豫+重构? ? ? ? ? 驰豫：表面向下收缩，表面层原子与内层原子 结构缺陷间距比内层原子相互之间有所减小。 重构：在平行表面方向上原子重排。
①小岛阶段——成核和核长大，透射电镜观察到大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。 ②结合阶段——两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。 ③沟道阶段——圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。 ④连续薄膜——小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。 4. 薄膜的附着类型及影响薄膜附着力的工艺因素 薄膜的附着类型 ①简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，薄膜与基片间的结合力为范 德华力 ②扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界 面。实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。 ③通过中间层附着—在薄膜与基片之间形成一个化合物而附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料