薄膜的结构与缺陷共70页文档

高分子薄膜
如聚乙烯膜、聚丙烯膜等， 具有良好的柔韧性和加工 性，广泛应用于包装、印 刷等领域。
PART 02
薄膜结构特征分析
表面形貌与粗糙度
表面形貌
薄膜表面通常呈现出不同的形貌特征，如平滑、粗糙、颗粒状等。这些形貌特 征受到制备工艺、材料性质等因素的影响。
粗糙度
粗糙度是描述薄膜表面不平整程度的参数，常用算术平均粗糙度（Ra）或均方 根粗糙度（Rq）来表示。粗糙度对薄膜的光学、电学等性能有重要影响。
WENKU
REPORTING
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度、湿度和化学物质等，导致结构和性能的不稳定。
缺陷控制难题
02
薄膜中常常存在各种缺陷，如空位、杂质、位错等，这些缺陷
对薄膜的性能产生严重影响，而控制缺陷的难度较大。
大面积制备技术瓶颈
03
目前薄膜的制备技术难以实现大面积、高质量薄膜的制备，限
制了薄膜材料在实际应用中的推广。
未来发展趋势预测
新型薄膜材料的开发
01
晶界
不同晶粒之间的界面，由于晶粒取向不同而形成面缺陷。晶界可能是由
于晶体生长过程中的形核、长大等因素导致。
02
相界
不同相之间的界面，由于相结构或化学成分不同而形成面缺陷。相界可
能是由于薄膜制备过程中的成分偏析、热处理等因素造成。
03
面缺陷对薄膜性能的影响
可能导致薄膜力学性能降低、耐腐蚀性变差等。
2
精确控制沉积速率、温度、压力等关键工艺参数， 以确保薄膜具有所需的结构和性能。
3
采用先进的工艺控制技术，如实时监测与反馈调 整，确保制备过程的稳定性和可重复性。
优化原材料质量和纯度
选用高纯度、高质量的原材料， 以减少杂质和缺陷的引入。

总结词
薄膜在电子器件领域的应用广泛，包括集成电路、显示器、 太阳能电池等。
详细描述
薄膜材料具有优异的电学、光学和机械性能，能够提高电子 器件的效率、稳定性和可靠性。例如，在集成电路中，薄膜 可以作为导电层、绝缘层和介质层，实现高速、低功耗的电 路传输。
光学器件领域
总结词
薄膜在光学器件领域的应用主要涉及反射、折射、滤光等功能。
点缺陷
定义
点缺陷是指薄膜中仅有一个或几个原子尺度的缺陷。
形成原因
在薄膜制备过程中，由于原子或分子的迁移率低，导致某些位置上 的原子或分子无法到达预期位置，从而形成点缺陷。
影响
点缺陷的存在会影响薄膜的物理和化学性质，如导电性、光学性能 等。
线缺陷
定义
线缺陷是指沿某一特定方向延伸的缺陷，如位错、晶界等。
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薄膜的结构与缺陷
目录
• 薄膜的简介 • 薄膜的结构 • 薄膜的缺陷 • 薄膜的制备方法 • 薄膜的检测与表征 • 薄膜的应用与展望
01
薄膜的简介
薄膜的定义
薄膜是指在固体表面上的一个薄层， 其厚度通常在纳米到微米级别。
薄膜的特性与基底材料、制备工艺、 环境条件等多种因素有关。
薄膜的分类
根据材料分类
影响
面缺陷的存在会影响薄膜的光学性能和表面平整度，如反射率、透光 率等。
04
薄膜的制备方法
物理气相沉积法
01
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料，使其原子或分子从蒸发源中逸出，并在基底表面凝
结成膜的方法。
02
子或分子被溅射出来并在基底表面
沉积成膜的方法。
03
离子镀

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原因：
① 晶格常数不匹配
晶格常数失配数 m=(b-a)/a
当m≈2%时，晶格畸变层厚度为n个Å 当m≈4%时，晶格畸变层厚度可达几百Å
当m>12%时，晶格畸变到完全不匹配
② 薄膜中有较大的内应力和表面张力
简单理论计算：
设基体表面一个半球形晶粒，半径为r,单位长度表面自 由能为σ 。表面张力作用对晶粒产生的压力 f 为
(8-3)
说明晶格常数变化比(即应变)
a a
与半径
r
成反比，
r 越小， a 越大。说明薄膜中晶格常数不同于
块状材料a的晶格常数。
③ 热胀系数不同
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三、薄膜的表面结构
1、表面形态
(1) 不连续膜(岛状、颗粒)，一般厚度较小，50Å以下。 (2) 多孔网状膜
(3) 连续状膜
热力学能量理论分析：理想的薄膜表面应具有最小表面积，
才能使其总能量达到最低值，但实际上是不可能的。
实际情况：
◆ 薄膜的表面具有一定的粗糙度，厚度在各处不均匀。
若薄膜的平均厚度为d，它按无规则变量的泊松几率分布，
由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
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A、硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形 成无定形薄膜。
B、10-2~10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟等超导薄 膜，由于氧化层阻挡晶粒生长而形成无定形薄膜。
C、83%ZrO2 -17%SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉
201积9/10原/15 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
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2.多晶结构

由于晶粒生长倾向于入射方向，高起的晶粒遮住了 相邻的晶粒使继续入射的原子达不到，使薄膜表面凹凸 不平，内部出现大缺陷。(见示意图)
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薄膜表面结构与构成薄膜整体的内部结构相关， 因此应研究薄膜内部结构。
2、内部结构
由于薄膜表面结构和构成薄膜整体的微型体状密 切相关，大多数蒸发薄膜具有下述特点：
形成无定形薄膜的工艺条件：
降低吸附原子的表面扩散速率(通过降低基体温度Ts、引 入反应气体和搀杂方法实现)，使原子扩散速率降低到凝结 在本身射点及入射点附近。
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二．薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。 ◆ 由于晶体结构具有对称性，可以用三维空间中的三个矢 量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
四、层错缺陷
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在真空蒸发薄膜中存在层错缺陷，由原子错排 产生，
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在完整的面心立方晶体中应以ABC顺序堆垛，每三层一个 反复，周而复始，ABCABC……（若在原子排列中缺少某 一层，如A层），则为ABC BC ABC，于是产生了层错。
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◆ 若薄膜的平均厚度为d，它按无规则变量的泊松 几率分布，由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
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1—在N2气压为133.3Pa下淀积的；2—在高真空下淀积的 14
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◆ 薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。但由于
入射原子沉积到基体表面上之后，释放出能量就吸附在 基体表面上。然后依靠横向扩散能量在表面上作扩散， 占据表面上的一些空位，使薄膜表面上的谷被填平，峰 被削平，导致薄膜表面面积不断缩小，表面能逐步降低。

3、薄膜的表面结构 在薄膜的沉积、形成、成长过程中，入射到基体表 面上的气相原子是无规律的，所以薄膜表面都有一定的 粗糙度。粗糙度对光学性能关，在基体温度和真空度较低时，容易出现多孔结构。 所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构，溅射薄膜的 柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面 扩散速率很小的情况下凝聚形成的。
薄膜的结构特征与缺陷
薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能， 主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，以及对性能的影 响。
一、薄膜的结构 薄膜的组织结构是指它的结晶形态，薄膜结 构可分为三种类型： 1、组织结构 2、晶体结构 3、表面结构
1、薄膜的组织结构 (1)非晶态结构。 从原子排列情况来看它是一种近程有序、远程 无序的结构，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 体和掺杂等的方法制成非晶薄膜。
(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，从而形成多晶结构。
(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。 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。
(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 需要满足三个基本的条件。 a、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。 b、基体与薄膜材料的结晶相溶性。 c、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。 满足以上三个基本条件，才能制备结构完整的单晶薄膜。

薄膜的缺陷
位错 位错是薄膜中最常遇到的缺陷之一。 薄膜中的位错密度： 10
12
1013 / cm2 106 / cm2 1012 / cm2
优质体单晶位错密度：104
10 10 强烈塑性变形晶体位错密度：

刃型位错
螺型位错， 混合位错
薄膜的缺陷
形成原因：a.基体引起的位错；b.小岛的凝结
薄膜的缺陷
薄膜的缺陷
晶粒间界
薄膜的缺陷
薄膜缺陷
薄膜的缺陷 ★ 薄膜的缺陷
点缺陷
薄膜的缺陷
薄膜的缺陷
薄膜的缺陷
薄膜的缺陷 空位是热力学稳定的缺陷 不同金属空位形成能不同 空位浓度与空位形成能、温度密切相关
n C exp(SV / k ) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT) N
薄膜中原子空位的主要效果主要表面在晶体体积和 密度上。薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，所以它的密 度比体材料小。

表面结构包括外表面和内表面。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜晶粒织构（组织结构）模型 薄膜织构与基片温度 TS 和蒸发材料熔点温度 Tm 的
比值 TS / Tm相关。
气孔率减小
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
薄膜微观结构表征（柱状体半径、内表面积、聚集密度） 阅教材
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
多晶结构
多晶结构薄膜是指由若干大小不等，晶向不等的晶粒 所构成的结构。
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
多晶结构薄膜存在晶界（晶粒间界）
晶界上存在晶格畸变； 界面能：界面移动造成晶粒长大和界面平直化； 空位源：杂质富集； 界面特性影响多晶薄膜与输运相关的性质。
刃型位错 螺型位错， 混合位错
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
形成原因：a.基体引起的位错；b.小岛的凝结
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
晶粒间界
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
层错缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
XRD（X射线衍射）是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位 置分布，晶胞形状和大小等)最有力的方法。 XRD 特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或 其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以 至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图与已知的晶 态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴 定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分 析。XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）...等等， 应用面十分普遍、广泛。

生长速度
薄膜的生长速度也会影响缺陷的形成。如果生长速度过快，会导致 原子或分子的堆积不均匀，从而形成缺陷。
应力
在薄膜形成过程中，由于应力的作用，会导致原子或分子的错位，从 而形成缺陷。
生长条件的影响
温度
温度是影响薄膜缺陷形成的重要因素。在高温下，原子或 分子的活动能力增强，容易发生迁移和错位，从而形成缺 陷。
表面能差异
薄膜表面的原子或分子的排列与体内不同，导致表面能差异，这种 差异会导致原子或分子的迁移，从而形成缺陷。
相变
薄膜在形成过程中，可能会发生相变，即晶体结构的变化，这种变 化会导致原子或分子的重新排列ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ从而形成缺陷。
动力学因素
扩散
在薄膜形成过程中，原子或分子的扩散速度会影响缺陷的形成。如 果扩散速度过快，会导致原子或分子的分布不均匀，从而形成缺陷 。
扫描电子显微镜检测
总结词
扫描电子显微镜可以提供高分辨率的表面形貌图像，能够观察到薄膜表面的微观 结构。
详细描述
扫描电子显微镜利用电子束扫描薄膜表面，通过收集二次电子和背散射电子信号 ，生成高分辨率的表面形貌图像。通过观察图像，可以了解薄膜表面的微观结构 、颗粒大小和分布等信息。
原子力显微镜检测
总结词
影响
点缺陷的存在会影响薄膜 的物理和化学性质，如导 电性、光学性能等。
线缺陷
定义
影响
在薄膜中，沿着某一方向出现连续的 不规则排列现象。
线缺陷的存在会对薄膜的力学性能产 生影响，如强度、韧性等。
形成原因
在薄膜制备过程中，由于温度梯度或 化学反应速率的不均匀性，导致沿某 一方向出现连续的不规则排列。
面缺陷
通过掺杂或合金化，改变薄膜的成分和结构，提高其性能。

▪ 不具备晶体的性质；
▪ 亚稳态
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶态
非晶态
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
形貌无序
自旋无序
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
替代无序
振动无序
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶体的特性：
1. 具有固定的熔点； 2. 各向异性； 3. 特定的几何外形。
形成无定形结构的条件：降 低吸附原子的表面扩散速率。
▪ 空位源：杂质富集；
界面特性影响多晶薄膜与输运. 相关的性质。
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
➢ 纤维结构（织构） 概念：纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜。 • 单重纤维结构（一个方向） • 双重纤维结构（两个方向） 择优取向可以发生在薄膜生长的各个阶段。
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薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法`
➢ 扫描电子显微镜分析
优点：
1、分辨本领高（50Å）
2、景深大。
3、放大倍数连续可调。
4、与X射线色谱仪或X射线能谱仪配合使用，可进行成分 分析。
5、可进行加热、冷却、断裂、拉伸、加电压等动态分析。
6、可对样品不同部位进行分析。
7、制样简单，可直接观察断. 口。
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薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
❖Perkin-Elmer 公 司 的 Auger 电 子 能 谱 手册，其中给出了 各种原子不同系列 的Auger峰位置。
❖每 种 元 素 的 各 种 Auger 电 子 的 能 量 是识别该元素的重 要依据。