物理实验技术中的材料薄膜制备与测量技巧

低真空的获得，测量与用直流实验报告溅射法制备金属薄膜学院材料班级材料1510 学号 41503000 姓名张问一、实验目的与实验仪器实验目的：1)学习真空基本知识和真空的获得与测量技术基础知识。

2)学习用直流溅射法制备薄膜的原理与方法。

3)实际操作一套真空镀膜装置，使用真空泵和真空测量装置，研究该真空系统的抽气特性。

4)用直流溅射法制备一系列不同厚度的金属薄膜，为实验研究金属薄膜厚度对其电阻率影响制备样品。

实验仪器：SBC-12 小型直流溅射仪（配有银靶），机械泵，氩气瓶、超声波清洗器、玻璃衬底二、实验原理（要求与提示：限400 字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）1.真空基本知识：该实验首先需制造一个真空条件，在中真空状态，机械泵抽真空2.用直流溅射法制备薄膜溅射就是指荷能粒子轰击表面，使得固体表面原子从表面射出的现象，这些从固体表面射出的粒子大多呈原子状态，通常称为被溅射原子。

溅射粒子轰击靶材，使得表面成为被溅射原子，被溅射原子沉积到衬底上就形成了薄膜。

所以这种方法称为溅射法，干燥气体在正常状态下是不导电的，若在气体中安置两个电极并加上电压，少量初始带电粒子与气体院子相互碰撞，使束缚电子脱离气体原子成为电子，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。

本实验所使用的是直流溅射法，利用了直流电压产生的辉光放电，如图所示，在对系统抽真空后，充入适当压力的惰性气体，作为气体放电的载体，在正负极高压下，气体分子被大量电离，并伴随发出辉光。

由放电形成的气体正离子被朝着阴极方向加速，正离子和快速中性粒子获得能量到达靶材，在这些粒子的轰击下，被溅射出来的靶材原子冷凝在阳极上，从而形成了薄膜。

三、实验步骤（要求与提示：限400 字以内）（1）把银靶装在镀膜室顶盖上，并使其到工作台的距离为40mm。

（2）把玻璃衬底放入盛有无水乙醇的烧杯中，用超声波清洗机清洗3分钟，用吹风机烘干玻璃衬底，烘干后放在镀膜室的工作台上；盖上镀膜室上盖。

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。

第１章绪论１．１引言第１章绪论自２０世纪５０年代以来，人们开始了对光学多层膜的研究【“。

经过几代人的不懈努力，多层膜的研究与应用几乎遍布了整个电磁波谱［２５／，如图１．１所示。

从红外到软ｘ射线以至于波长更短的硬ｘ射线波段，多层膜都以其特有的优势在科学研究与技术应用领域发挥着不可替代的作用。

然而，电磁波谱中，在极紫外与真空紫外约ｔ０－２００加１波段，人们的研究并不深入。

主要是因为材料在这一波段具有不同于其他波段的吸收特性，研制符合应用要求的多层膜光学元件有一定困难。

即便如此，人们还是可以采用常规的多层膜结构在小于５０ｎｌ＂ｎ和大于１１０ａｍ波段实现了光学元件的反射率增强。

然而在５０—１１０ｎｎａ强吸收波段，长期的研究工作却难有突破。

主要是因为所有材料在这一波段的吸收特性尤其明显，几乎可以吸收全部辐射光。

正是这种强吸收特性，使得常规的多层膜难以产生适合的光学特性。

近年来，随着空间科学与技术的发展，真空紫外与极紫外波段光谱在天体物理，大气物理，太阳光谱学以及卫星表面膜层的温度控制等众多领域有着迫切的应用需要【４】，同时在同步辐射光学系统以及皿微米光刻技术【５ｌ中也突显出重要的研究价值。

要在这些领域进行研究工作，性能良好的５０－１１０姒波段高反射镜是必备的光学元件。

因此，科学技术的进步迫切需要人们致力于５０．１１０ｎｌｎ强吸收波段高反射镜的研究。

图１．１５０．１１０ｎｌｍ波段在电磁波谱中的位置Ｆｉｇｕｒｅ１．１ＴｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＳ０·１１０ｍｉｎｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｎｇｅｏｆｌｉｇｈｔｌ３．２磁控溅射３．２．１磁控溅射原理磁控溅射法是在与靶表面平行的方向上施加磁场，利用电场和磁场相互垂直的磁控管原理．使靶表面发射的二次电子只能在靶附近的封闭等离子体内作螺旋式运动，电子在阴极区的行程增加，造成电子与气体分子碰撞几率增加，电离效率提高，同时减少了电子对基片的轰击降低７基扳温度，实现低温高速溅射，如图３．１所示。

物理实验技术中的薄膜材料与薄膜器件应用导言：薄膜材料和薄膜器件应用在当今的物理实验技术中扮演着重要的角色。

随着科学技术的不断进步，薄膜已经成为诸多领域的基础材料。

本文将讨论薄膜材料的性质和制备方法，并探讨其在物理实验技术中的应用。

薄膜材料的性质：薄膜材料相对于传统材料来说，具有独特的性质。

首先，薄膜具有较大的比表面积，这使得它们具有更高的反应活性。

其次，薄膜具有较好的光学透明性，这使得它们在传感器、显示器和光学设备等领域有着广泛的应用。

此外，薄膜还具有较高的机械强度和耐腐蚀性，这使得它们适用于各种环境下的应用。

薄膜材料的制备方法：目前，常用的薄膜制备方法主要包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、溅射法、溶液法和光化学法等。

物理气相沉积法通过在真空环境下使源材料蒸发并在基底表面沉积形成薄膜。

化学气相沉积法利用气相反应将源材料沉积在基底上。

溅射法则是通过溅射源将材料溅射到基底上形成薄膜。

溶液法是将源材料溶解在溶液中，然后通过浸泡、涂覆等方式使溶液中的材料在基底上沉积形成薄膜。

光化学法则是利用光与化学反应相结合，使源材料在基底上沉积形成薄膜。

薄膜材料的应用：薄膜材料在物理实验技术中的应用非常广泛。

首先，薄膜材料在光学器件中扮演着重要的角色。

例如，在太阳能光电转换器件中，薄膜材料可以用来制作阳极和阴极，从而实现太阳能的转化。

在显示器和光学器件中，薄膜材料可以用来制作透明电极和反射镜等。

其次，薄膜也被广泛应用于电子器件中。

例如，薄膜材料可以用来制造半导体器件中的晶体管和集成电路。

此外，薄膜材料还可以用于传感器和探测器等领域。

例如，在温度传感器中，薄膜材料可以通过测量电阻值的变化来实现温度的检测。

在生物医学传感器中，薄膜材料可以用来制作生物传感器，实现对生物分子的检测和监测。

结语：薄膜材料和薄膜器件应用在物理实验技术中具有重要地位。

薄膜材料的独特性质和多样的制备方法使得它们在各个领域具有广泛的应用。

无论是在光学器件、电子器件还是传感器等领域，薄膜材料都扮演着不可替代的作用。

物理实验技术中的材料选取与准备指南在物理学的研究过程中，实验是非常重要的一环。

而实验的成功与否有赖于材料的选择与准备。

本文将探讨物理实验技术中的材料选取与准备的指南。

一、材料的选择在进行物理实验时，正确的材料选择是至关重要的。

首先需要根据实验的目的和要求来选择合适的材料。

例如，在进行电学实验时，可以选择导电性能良好的金属材料，如铜或铝。

而在进行光学实验时，则需要选用透明度高、光学性能稳定的材料，如玻璃或塑料。

其次，需要考虑材料的特性和性能。

比如，材料的机械强度和耐磨性对于一些需要频繁操作的实验来说尤为重要。

因此，在选择材料时需要综合考虑不同的因素，以确定最适合实验需求的材料。

另外，考虑到实验的安全性，选择无毒、不可燃和具有良好的耐腐蚀性的材料也是非常重要的。

在进行高温或高压实验时，应选择耐高温、耐高压的材料，以确保实验的顺利进行。

二、材料的准备材料的准备是进行物理实验的前提条件。

在准备材料时，需要注意以下几个方面。

首先，需要确保所选材料的纯度。

高纯度的材料可以保障实验数据的可靠性和准确性。

因此，在准备材料时，应尽量选择高纯度的材料，或通过物理或化学方法对材料进行纯化处理。

其次，要保证材料的制备过程符合实验的要求。

例如，在制备薄膜样品时，需要控制材料的浓度、温度和反应时间等参数，以确保薄膜样品的均匀性和稳定性。

此外，还需要根据实验的需要对材料进行形状和尺寸的加工。

有时需要将材料切割成特定的形状和尺寸，以适应实验的要求。

这时候，选择适当的切割工具和方法就显得尤为重要。

比如，对于金属材料的切割可以使用锯片，对于玻璃材料的切割可以使用钢化玻璃刀。

最后，在实验过程中需要用到的材料还需要进行保存和维护。

有些实验可能需要长时间的观察和实验周期，因此需要对材料进行适当的保存，以免受到外界环境的影响。

在保存材料时，应注意将材料放置在干燥、阴凉和通风良好的地方，避免阳光直射和潮湿环境。

总结起来，物理实验技术中的材料选取与准备是确保实验顺利进行的关键。

薄膜的制备及其力学性能测试方法摘要：本文介绍了多种薄膜的制备方法和优缺点，同时介绍了纳米压痕和鼓泡法两种力学性能测试方法。

关键词：薄膜制备纳米压痕法鼓泡法力学性能0引言近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。

20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。

薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。

因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。

[1]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律[2],所以薄膜的制备及其力学性能测试方法就成了重点。

1.薄膜材料的制备方法1.1化学气相沉积法化学气相沉积是一种材料的合成过程,气相原子或分子被输运到衬底表面附近,在衬底表面发生化学反应,生成与原料化学成分截然不同的薄膜。

化合物蒸汽一般是常温下具有较高蒸汽压的气体,多采用碳氧化物、氧氧化物、卤化物、有机金属化合物等。

化学气相沉积法成膜材料范围广泛,除了碱金属、碱土金属以外,几乎所有的材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积。

1.2真空热键法真空蒸镀法是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸发的原子或原子团在温度较低的基底上析出进而形成薄膜。

加热镀料的方法主要是利用湾等高溶点金属通电加热(电阻加热法)和电子束加热法为主。

为了防止高温热源的燃烧和镀料、膜层的氧化,必须把蒸镀室抽成真空。

P V D 法制备（Ti ，Al )N 薄膜及其性能表征冷长志(杭州云度新材料科技有限公司，浙江富阳311400)摘要：在PVD 阴极电弧系统中，本文镀膜条件分别采用基片偏压为100V 和电弧电流偏压为70a ,在氮气压力为1、1.5和2Pa的条件下，涂膜时间设定为1.30h 。

结果表明，不同氮气压下沉积的薄膜的相结构、薄膜厚度和附着力没有显著差异。

然而，显微照片 显示，用1.5Pa 的反应气体制备的薄膜比在另外两种压力下制备的薄膜表面光滑，液滴较少。

关键词：PVD 法；CTi,Al)N 薄膜；性能表征中图分类号：TB383文献标识码：A文章编号：1671-2064(2020)21-0053-02China Science & Technology Overview工艺设计改造及检测检修1. P V D 法在（T i ，A l )N 制备中的应用物理气相沉积（PVD )耐磨涂层在金属切削和金属板材 成形等领域得到了广泛的应用。

根据沉积参数，如偏置电 压、氮气压力、电弧电流和温度，可以预期涂层性能的范 围很广。

PVD 涂层含有较高的残余应力，可以有利于提 高耐磨性和硬度，但另一方面可能降低附着力，需要更好 地了解工艺参数对残余应力形成的重要性及其与涂层分层 的关系[1义2. (T i ，Al )N 薄膜制备(Ti ,Al )N 是一种表面改性材料，用于各种工程应用， 如刀具和模具。

在物理气相沉积（PVD )涂层技术中，阴 极电弧技术是一种附着力好、粒子能量高、等离子体密度 很高的涂层技术，在耐磨涂层工艺中起着重要作用。

有研 究学者研究了铝含量对Tipx Alx N 薄膜性能的影响。

结果 表明，随着铝含量从0增加到0.6，薄膜硬度从2000提高 到3200HV 。

当铝含量大于0.7时，硬度急剧下降。

结果表 明，叫气体压力越高，（Ti ，Al )N 的硬度越高。

以50at%Ti 和50at %A l 为靶材，在不同N 2压力下制备(Ti ,Al )N 薄 膜，并对薄膜的性能和形貌进行了研究。

１０８科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ２００９ ＮＯ．３４Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ化　学　工　业１　引言在薄膜的研究中，内应力是一个非常重要的物理量，它不仅对薄膜自身的性能（光学性能，电学性能、机械性能）有很大影响，而且与薄膜和衬底的结合力密切相关。

因此，在现代科技中，如何精确控制薄膜的内应力显得尤为重要，并且成为一个专门的课题，吸引着越来越多人的关注。

薄膜的固有应力（本征应力）是指即不是由于温度效应产生的也不是由于外力造成的，而是在薄膜生长过程中产生的，主要来源于薄膜中的缺陷区（晶界、位错、空位、杂质等）、界面区（薄膜与衬底、薄膜与真空），及动力学过程（再结晶、扩散）等［１］。

因此，薄膜内应力与薄膜的制备工艺、薄膜本身的微观结构（薄膜厚度、形貌）等密切相关。

本文将详细阐述由物理气相沉积（ＰＶＤ）方法制备薄膜时，薄膜的内应力形成、弛豫机制以及内应力测试方法。

２　岛状模式生长薄膜的微观结构及内应力变化特征从热力学角度考虑，薄膜的生长模式分为三种：（１）二维层状生长（Ｆｒａｎｋ－ｖａｎ　ｄｅｒＭｅｒｗｅ）模式；（２）三维岛状生长（Ｖｏｌｍｅｒ－Ｗｅｂｅｒ）模式；（３）层状生长＋岛状生长（Ｓｔｒａｎｓｋｉ－Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）模式。

实际上，在ＰＶＤ方法制备薄膜的过程中，由于薄膜的沉积速率快，增原子很难有足够的时间扩散到能量低的平衡位置上去，成核密度很大。

因此，以ＰＶＤ方法制备的薄膜大都以岛状模式生长。

在岛状生长模式下，薄膜的生长过程可以被分为三个阶段［２］：（１）孤立小岛的成核、长大（ｐｒｅｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ　ｓｔａｇｅ）；（２）岛的合并并形成通道、网络状结构（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ　ｓｔａｇｅ）；（３）形成连续的薄膜（ｐｏｓｔｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ　ｓｔａｇｅ）。

以岛状模式生长的薄膜，微观结构有很大差异，但是总的来说可以分为三种类型［３］，如图１所示：（１）柱状晶；（２）多晶；（３）外延生长，其中外延生长要求衬底必须是单晶。

物理实验技术中材料选用与样品制备的要求物理实验技术在科学研究和工程应用中起着举足轻重的作用。

为了确保实验结果的准确性和可靠性，选择合适的材料并进行适当的样品制备非常重要。

本文将讨论物理实验技术中材料选用和样品制备的要求。

一、材料选用的要求1. 物理性能：选择材料时，需要考虑其物理性能是否符合实验要求。

例如，如果实验需要在高温环境下进行，就需要选择具有良好耐高温性能的材料。

另外，材料的导电性、磁性等特性也需要与实验要求相匹配。

2. 化学性质：部分物理实验需要接触化学物质或在特定环境条件下进行，因此材料的耐腐蚀性和化学稳定性也是选材的重要考虑因素。

选择材料时，需要确保它们能够耐受实验中可能存在的酸碱和其他腐蚀性物质的侵蚀。

3. 光学性能：某些物理实验需要进行光学测量或观察，因此材料的透明度和折射率等光学性能也需要考虑。

比如，在光学实验中，通常会选择具有高透明度和低散射的材料，以确保测量的准确性。

4. 机械性能：在物理实验中，有时需要进行复杂的机械操作或材料的机械测试。

因此，选取具有良好机械强度、韧性和耐磨性的材料非常重要。

这样才能保证实验过程中材料不会破裂或失去其原有的性能。

二、样品制备的要求1. 净化和纯度：在物理实验中，样品的净化和纯度对结果的准确性至关重要。

制备样品时，需要使用高纯度的试剂和溶剂，并进行相应的净化处理。

例如，对于光学实验，需要使用无杂质的透明样品，因此在制备过程中需要注意材料和溶剂的纯度。

2. 结晶和晶片制备：某些物理实验需要使用单晶样品或薄膜材料。

在制备这些样品时，需要采用适当的方法来实现结晶和薄膜的生长。

例如，对于单晶样品，通常需要使用凝固法、溶液蒸发法或分子束外延法等技术来实现。

3. 尺寸和形状：样品的尺寸和形状对实验结果有重要影响。

在制备样品时，需要控制好材料的切割尺寸和形状。

对于某些特殊实验，还需要进行进一步的加工，如磨削、刻蚀等，以获得需要的样品形状。

4. 温度和湿度控制：某些物理实验需要在特定的温度和湿度条件下进行，因此在样品制备过程中需要进行相应的控制。

物理实验技术中的凝聚态物理实验指南凝聚态物理是研究固体和液体物质的物理性质以及它们的相互作用的学科领域。

在凝聚态物理实验中，掌握一些基本的实验技术非常重要。

本文将为您介绍几种常见的凝聚态物理实验技术。

一、样品制备凝聚态物理实验的首要任务是制备合适的样品。

样品可以是单晶体、薄膜、纳米材料等。

其中，单晶体制备是一个重要的研究领域，因为单晶体可以提供很多纯净的物理信息。

常见的单晶体生长方法有悬滴法、熔融法和气相扩散法。

薄膜制备通常采用物理气相沉积或化学气相沉积等方法。

二、实验仪器在凝聚态物理实验中，各种仪器设备的选择和使用对实验结果至关重要。

常见的实验仪器包括光学显微镜、电子显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等。

这些仪器可以帮助研究人员观察样品的微观结构和表面形貌，从而获取更多的信息。

三、测量技术在凝聚态物理实验中，测量技术是不可或缺的。

常见的测量技术包括磁测量、电学测量、光学测量和热学测量等。

这些测量技术可以帮助研究人员获得样品的磁性、电性、光学性质以及热学性质的信息。

四、低温实验低温实验是凝聚态物理实验中的重要环节。

通过降低温度，可以观察到一些在室温条件下无法观察到的物理现象。

常见的低温实验设备有液氮制冷机和制冷剂制冷机。

这些设备可以将样品的温度降低到接近绝对零度，并实现一些特殊的物理现象和性质。

五、数据处理数据处理是凝聚态物理实验的最后一步。

在实验过程中获得的各种数据需要经过合适的处理和分析，从而得到有意义的结果。

常见的数据处理软件有Matlab、Python和Origin等。

这些软件提供了各种数学模型和算法，可以帮助研究人员进行数据拟合、图像处理和结果展示等。

综上所述，凝聚态物理实验中的实验技术涉及到样品制备、实验仪器的选择和使用、测量技术、低温实验以及数据处理等方面。

只有掌握了这些技术，研究人员才能够进行凝聚态物理的深入研究。

希望本文能给您提供一些关于凝聚态物理实验技术的指导和启示。