薄膜物理

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介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。

通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜物理学中的表面散射与界面效应薄膜物理学是研究薄膜特性和性质的学科领域。

在这个领域中，表面散射和界面效应是关键的研究内容。

表面散射是指当粒子（如电子、光子等）与薄膜表面发生碰撞时，发生的散射现象。

而界面效应则研究的是在两种不同材料的接触界面上，由于化学、电子结构和晶格不匹配引起的物理和化学变化。

这两个方面的研究对于理解薄膜材料的性质和应用具有重要意义。

在薄膜物理学中，表面散射是一个重要的现象。

当入射粒子与薄膜表面发生碰撞时，常常会发生反射、散射和吸收等现象。

这些现象的发生取决于入射角度、入射粒子能量、薄膜表面的结构和化学组成等因素。

通过研究这些散射现象，我们可以了解薄膜表面的形态结构和电子行为，从而揭示出材料的微观性质。

表面散射的机理可以通过量子力学的衍射理论来解释。

根据衍射理论，入射粒子在薄膜表面发生散射时会受到晶体结构的影响。

晶体的周期性结构会导致入射粒子的干涉，从而造成散射波的干涉现象。

这种干涉现象对于不同入射角度和波长的入射粒子都有不同的效应，因此通过测量薄膜散射角度和强度的变化，我们可以了解薄膜表面的晶格结构和周期性。

另一方面，界面效应是薄膜物理学中的另一个重要研究方向。

在薄膜材料的界面上，由于两种材料的化学、晶体结构、电子结构等的不匹配，会引起一系列的物理和化学变化。

这些变化对于薄膜材料的性质和性能具有重要影响。

例如，当两种材料接触时，界面上常常发生电荷转移现象。

这种电荷转移现象可以改变材料的导电性和光学性质。

此外，界面上的电子结构和晶体结构也可能发生变化，这会影响到薄膜的能带结构和禁带宽度，从而导致薄膜的光学和电子性质发生变化。

为了研究界面效应，科学家们采用了多种表征技术。

例如，X射线光电子能谱（XPS）可以分析材料的化学成分和界面层的电子结构；透射电子显微镜（TEM）可以观察材料的晶格变化和界面形貌；原子力显微镜（AFM）可以测量材料的表面形貌和粗糙度等。

这些技术的应用使得我们能够深入探究界面效应的机理和影响。

1.1薄膜概述作业题：什么是薄膜1.薄膜的定义（1）：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。

定义（2）：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质。

·薄膜的尺度：通常：薄膜< 1μm 厚膜>10μm·微电子电路的工艺有哪些方法实现？答：光刻、镀膜、电子束。

1.2 薄膜结构和缺陷作业题：蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致带有纵向气孔的葡萄结构;随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构;温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌。

其他：·薄膜主要缺陷类型及特点？薄膜的缺陷分为:点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)。

·薄膜晶粒织构（组织结构）模型：（能区分）·薄膜结构是指哪些结构？其特点是什么？（1）薄膜结构：组织结构（包含无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构）、晶体结构、表面结构。

（2）特点：组织结构：薄膜的结晶形态晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。

表面结构： a、呈柱状颗粒和空位组合结构；b、柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同；c、平行于基片表面的层与层之间有明显的界面；1.3 薄膜的形成作业题：1.薄膜生长的三个过程一、吸附、表面扩散与凝结过程二、核形成与生长过程三、连续薄膜的形成（岛形成与生长过程。

薄膜现象名词解释薄膜现象是指在界面上形成的薄膜的物理和化学现象。

它广泛存在于自然界和工业生产中，例如，液滴滴落在物体表面后形成的水珠，人体肺泡表面的磷脂层等。

薄膜现象是近代表面科学的核心内容之一，对于深化人类对物质世界的认识具有重要意义。

以下是薄膜现象的相关名词解释：1. 表面张力表面张力是液体表面由于内部分子间相互作用力而表现出来的能量状态，是薄膜现象中的重要物理现象。

表面张力通常由分子间相互吸引力造成的，这些力可以促使分子团聚在一起形成液滴或液体表面。

对于形成薄膜现象来说，表面张力是决定液体在物体表面形态的重要参数。

表面张力越大，液体在物体表面的展开就会越困难，容易形成浸润角较大的气液界面，而表面张力越小，液体在物体表面的展开就会越容易，液体就更容易形成紧密的膜。

2. 增溶剂增溶剂是指在液体溶液过程中增加的比例较少的其他物质，可以使溶液中溶质的溶解度增加。

在薄膜现象的研究中，增溶剂可以用于改变液体界面的张力和形态，从而影响溶解、扩散、化学反应等过程。

例如，在化学反应过程中，增溶剂可以为反应物提供更好的反应界面和反应条件，从而提高反应速率和转化率。

3. 静电力静电力是由于电荷分布不均引起的力量，是薄膜现象中重要的物理现象之一。

静电力可以形成电双层，一层是液相中的离子和分子，另一层是与液相相接触的固体表面。

电双层的存在可以影响液体在固体表面的形态和结构，从而影响薄膜现象的形成和发展。

例如，静电作用可以改变气液界面的性质，从而调节液滴在固体表面的接触角度，影响液态吸附和涂层的性能等。

4. 细胞膜细胞膜是生物细胞外层由磷脂分子和其他分子组成的薄膜结构，保护着细胞的内部结构和功能。

细胞膜是生命体中重要的薄膜现象之一，其特殊的结构和功能对于维持细胞生命活动以及许多生物学过程具有重要作用。

例如，细胞膜可以选择性地透过物质，控制物质进出细胞，还可以参与细胞与外界物质的相互作用和信号传递等。

5. 聚合物薄膜聚合物薄膜是一种以聚合物为主要构成元素形成的薄膜结构，广泛应用于光学、电子学、生物医学等领域。

薄膜为什么受到重视？1,薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成自己的体系--理论与实验（2）薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特性而不是整体特性/ 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近层的物理效应基础上/ 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化的关键—相关薄膜材料的制备和研究（3）薄膜具有许多明显不同于块材料的特性，如晶体结构多为非晶态、亚稳态等, 这些特性称为反常结构与特性—为薄膜所特有（值得研究和利用）/不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型功能材料开辟了广阔途径。

（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结构、纳米材料…….)（4）薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。

现在科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下。

过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者一块集成电路板就可以完成。

而薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。

（5）器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化，随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件讲显示出许多全新的物理现象。

薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。

（6）每种材料的性能都有其局限性。

薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。

薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层。

●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。

薄膜材料的特点1.薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应；2.薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜内电子输运影响很大；3.薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用，内应力和量子隧穿效应同时存在，对薄膜生长和微结构影响巨大；4.异常结构和非理想化学计量比特性明显；5.可实行多层膜复合，如超晶格。

薄膜物理基础知识大全第一章：最可几速度：平均速度：均方根速度：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M RT M RT m kT v a 59.188===ππMRT M RT m kT v r 73.133===P kT 22πσλ=M RT M RT m kT v m 41.122===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：放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理第二章：1.什么是饱和蒸气压、蒸发温度？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来的压力规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr 时的温度2.克-克方程及其意义？3. 蒸发速率、温度变化对其影响？根据气体分子运动论，在气体压力为P 时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J ：蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化4. 平均自由程与碰撞几率的概念。

蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为5. 点蒸发源和小平面蒸发源特性？能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。

第一章
薄膜：所谓薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的1-10的原子层或分子层。

在此方向上薄膜具有微观结构。

真空的划分：在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空>102Pa,中真空102~10-1 Pa,高真空10-1~10-5 Pa,超高真空<10-5 Pa
临界温度：在市级工程中，常会碰到各种气态物质，对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为临界温度。

最可几速率：气体分子分布在V M处取得极大值，就把V M称为最概然速率。

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，其平均值λ=
称为
2πσ∧2n
平均自由程。

4
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上碰撞的气体分子数称为入射频率。

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。