薄膜的结构与缺陷

《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。

薄膜结构面面观摘要：膜结构作为一种新型的建筑结构体系在上世纪70年代受到人们的普遍关注，并在大空间建筑中得到广泛的应用。

本文以漫谈的方式概述膜结构的起源，发展，性能，应用及其对建筑理念的影响。

关键词：膜结构网膜结构缆索膜结构穹顶大空间0 引言所谓膜结构是指积极地利用膜状材料并在结构与建筑设计上能充分表现膜结构的特点的结构形式。

膜结构的材料特性决定了它独特的结构形态以及建筑形态。

就其对建筑造型的空间形态的影响来看，空间造型表现出一种轻逸感，建筑摆脱了沉重的结构构架，使人们从深沉厚重的建筑审美感觉中解放出来，并且逐渐接纳前者，如今轻的表现倾向于向大空间构架方向发展。

“轻”以成为建筑审美的一大特点是建筑技术的体现，而支撑这种轻盈的膜材或膜面的构造也应具有轻量感。

用大空间构架来表现轻的感觉是一种世界流行的趋势。

在欧美及世界各国的建筑师都采用独特的手法以获得这种轻的效果。

对“轻”的追求已成为某些类型建筑设计的理念。

1 发展过程膜结构真正在世界范围内发展起来的标志应是1970年的日本大阪的万国博览会，此前，在欧洲膜结构已经较为广泛的应用到了建筑设计中，但是并没有在全球的范围内普及。

其中的原因很多。

首先，膜结构是一种新型的高技术含量的建筑结构。

发展中国家及落后国家没有能力支持其技术的开发与研究更谈不上应用到建筑设计当中去。

其二；作为永久性的建筑材料，必须是不燃的，而且，对建筑材料的强度和耐久性也有很高的要求。

而原来的膜结构在防火，荷载等方面都存在技术上的缺陷与不足。

因此，它无法成为永久性的建筑材料而只能用于临时性质的建筑中。

很长的一段时间内，膜结构只适用于类似博览会建筑等特殊建筑中。

但是，建筑师，结构工程师们却被这种新型结构的魅力所折服，这激发了它们研究膜结构的热情。

之后，通过若干次博览会膜结构得到了近一步的研究，膜材料也经过多次试验，逐步确立了膜结构的设计方法。

这时期进行了大量的膜结构的结构分析。

借助电子计算机对膜结构的形态及膜材料的非线性特征作了大量的研究，对膜面皱折，形状及结合处的分析已经是很普及了。

薄膜生长与薄膜结构1、概述“薄膜”很难用一句话来定义。

为了与厚膜相区别，一般认为厚度小于1μm的膜称为薄膜。

另外针对于薄膜的生长过程和形态，人们对于薄膜的认知也不同，比如在成膜初期的岛状不连续构造，很多人不认为是薄膜。

薄膜（film）材料和块体（bulk）材料有很多的不同。

首先薄膜生长伴随着温度的急剧变化，内部会存在大量的缺陷；其次，薄膜的厚度与表面尺寸相比相差甚远，可以看成二维结构，表面效应非常强。

薄膜的最终性能与薄膜的生长过程密切相关。

从微观角度看，入射到基板或薄膜表面的气相原子，一部分被反射回去，一部分被表面捕获吸附后吸收能量再蒸发出去，一部分被表面捕获吸附后凝结成核，逐渐长大，最终形成连续的膜层。

下面将详细分析薄膜的生长过程。

2、吸附材料表面是一种特殊的状态，从结构方面讲，这里存在原子或分子间结合键的中断，因此具有吸引外来原子或分子的能力；从能量方面来讲，这里具有一种较高的能量：表面自由能，只有吸附了气相原子之后，自由能才会减小，从而变得稳定。

这种气相原子被吸引住的现象称为吸附，伴随吸附现象的发生而释放的能量称为吸附能。

入射到基板表面的原子可能会发生三种现象：1、与基板表面进行能量交换被吸附；2、吸附后在基板表面做短暂停留，能量过大或吸收能量后再次蒸发；3、直接被基板表面反弹回去。

用溅射法制备薄膜时，入射到基板表面的气相原子，绝大多数都与基板表面原子进行能量交换而被吸附。

如果吸附仅仅是由原子电偶极矩间的范德华力起作用，则称为物理吸附，比如冬天窗户上形成的雾状水气；如果吸附是由化学键结合力起作用，则称为化学吸附，比如当前研究比较热的纳米氧化层。

作为实际问题，使用何种材料，进行什么处理，在真空容器内发生哪种吸附，效果怎么样，这些还不能简单说清楚，特别是表面状态不能保持一定，越发使问题复杂化。

到现在为止，这方面的研究还不多。

在薄膜制造中，如果我们想要获得新材料，那么可以积极利用这种吸附情况；如果我们想得到清洁的纯膜，那么这种吸附会引起麻烦。

薄膜的组织结构是指它的结晶形态．分为四种类型；非晶态结构、多品结构、纤维结构和单晶结构。

(1)非晶态结构。

从原子排列情况来看它是一种近程有序结沟，只有少数原子排列是有秩序的，显示不出任何晶体的性质，这种结构称为非晶结构或玻璃态结构。

形成非晶薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率。

可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂的方法实现上述条件。

(2)多晶结构。

多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。

在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征(原子有规则的排列)。

由众多小岛聚结形成的薄膜就是多晶薄膜。

用真空蒸发法或阴极溅射法制成的薄膜，都是通过岛状结构生长起来的，所以必然产生许多晶粒间界，形成多晶结构。

(3)纤维结构。

纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜，根据取向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构。

前者是各晶粒只在一个力向上择优取向，后者则在两个方向上有择优取向。

有时前者称为一维取向薄膜，后者称为二维取向薄膜。

沿C轴择优取向AlN膜的结构在玻璃基体上的的A1N压电薄膜是纤维结构薄膜的典型代表。

生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段：初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。

若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率，晶粒的择优取向可发今年薄膜形成的初期阶段。

在起始层中原了排列取决于基体表面、基体温度、晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点。

如果吸附原于的表面扩散速率较小，初始膜层不会产生择优取向，当膜层层较厚时则形成强烈的对着蒸发源方向的取向。

晶粒向蒸发源的倾斜程度依赖于基体温度、气相原于入射角度和沉积速率等。

(4)单晶结构。

单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。

外延生长的第一个基本条件是吸附原子必须有较高的表面扩散速率．所以基体温度和沉积速率就相当重要。

在一定的蒸发速率条件下，大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温度，即外延生长温度。

第二个基本条件是基体与薄膜材料的结晶相溶性。

文章编号：1001-9731（2021）03-03081-05缺陷对-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响符思婕，向琴，赖黎，莫慧兰，范嗣强，李万俊（重庆师范大学物理与电子工程学院，光电功能材料重庆市重点实验室，重庆，401331）摘要：采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了-Ga2O3薄膜。

借助于X射线衍射（XRD）、拉曼散射光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、以及二次离子质谱（SIMS）研究了缺陷对（-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响。

结果表明，未退火的Ca2O3薄膜呈现非晶态，随高温退火时间逐渐增加，非晶Ca2O3薄膜逐步转变为沿（201）方向择优生长的-Ga2（）3薄膜。

所有Ga2（）3薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%，相Ga2O3薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加〜0.3eV,且随退火时间的增加，—Ga2O3薄膜的光学带隙也随之变宽。

此外，发现非晶Ga2O3薄膜富含氧空位缺陷，高温退火处理后，—Ga2O3薄膜中的氧空位浓度明显降低，但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga2O3薄膜层，并随退火时间的增加Al浓度明显增加，氧空位的降低和Al杂质的增加是导致-Ga2O3薄膜光学带隙变宽的主要原因。

关键词：Ga2（）3薄膜；退火；缺陷；结构和光学特性中图分类号：O482.31文献标识码:A DOI：10.3969/.issn.00197312021.03.0110引言Ga2（）3作为一种新型的宽禁带氧化物半导体材料，不仅具有超宽的带隙（4.8-5.2eV）和高耐压洗损耗特点，而且具有优异的物理和化学特性，近年来受到人们的广泛关注［-4］。

迄今为止，Ga2（）3被揭示具有6个不同的结晶相（a-Ga2O3,Ga2O3,7-Ga2O3,5-Ga2O3, LGa2（）3和K-Ga2（）3）,其中Ga2（）3相的物理和化学性能最为稳定,已被广泛地应用于金属半导体场效应晶体管（MESFET）,金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），肖特基二极管（SBD）［57］等功率器件中。