《薄膜物理与技术》PPT课件

空气—薄膜交界面的振幅透射率 薄膜—基片交界面的振幅反射率
r1
薄膜—基片交界面的振幅透射率
t1
薄膜内光的位相变化
r2
t2
薄膜的性质——干涉效应
R 对特定波长的反射率为 与薄膜系统的折射率和薄膜内相位的变化有关。
相位的变化为
，由此可以确定薄膜厚度。
4nd /
4 nd (2m 1)
m为正整数
薄膜的性质
对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由 于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种 各样的影响。
★ 熔点降低 ★ 干涉效应 ★ 表面散射 ★ 平面磁化各向异性 ★ 表面能级 ★ 量子尺寸效应
薄膜的性质——熔点降低
★ 熔点降低
r 在此考虑半径为 的固体球。考虑此球与其外侧相（液体）的界面能，求块
2
nl
nn23
n1
当 N足够大时，反射率趋于1。
薄膜的性质——干涉效应
增透膜，高反膜，干涉滤光膜等
薄膜的性质——表面散射
★ 表面散射
研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是Sondheimer建立的，该理 论描述了关于表面以及尺寸效应对电导的影响。
Sondheimer 假 定 ， 在 和 表 面 相 碰 撞 的 电 子 中 ， 发 生 弹 性 碰 撞 的 几 率
薄膜的性质
薄膜的性质
进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕 的成果。其中特别应该指出的是下述三个方面。
第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。 这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予 了很大的希望。
第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。一个显著成果是外延 薄膜生长。特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显 得更加重要了。
薄膜的性质
第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材 料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。虽然这种非平 衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物质。这些都是很突出 的优点。
在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。这种效应称为尺寸 效应。在粉末、微粒子等状态中也发现有这种效应。
（
），发生非弹性碰撞的几率为(
)。在这种边界条件下，求解关
于电子分布的波耳兹曼方程，并计算出分布函数。
p 0 p 1
1 p
薄膜的性质——表面散射
在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的弛豫时间 ，电场方向
在膜表面之内，并取电场的方向为 方向，与膜表面垂直的方向为
数
为：0
方向，分x布函
z
在 方向的电流密度 和分布函数之间的关系为
这种平面磁化产生的原因，是由于退滋场引起的静磁能。
设自发磁化的大小为 式给出
，其方向与表面的夹角为 ，则退磁场
可由下
Is
Hd
Hd Is sin
薄膜的性质——平面磁化各向异性
退磁场产生的静磁能为
Es
0
2
H
2 d
0
2
I
2 s
sin2
由于 时，0
是稳定的状态。
最小；Es
时， 最大。/ 2所以位于E膜s 面之内的自发磁化
为膜厚无
在 k的条1件下，可以近似为
1 3(1 p) 1 3(1 p)l
8k
8d
即 和1／d之间近似直线关系。在这里
反映在 中。
p
是至关重要的p，表1面散射的效应
这种效应也能从电阻温度系数、霍耳系数、热电能、电流磁场效应反映出来。
薄膜的性质——平面磁化各向异性
★ 平面磁化各向异性
铁磁性薄膜内部的磁化方向，一般都位于膜面之内。而且，在膜面内都有 一个确定的磁化方向。这种性质称为平面磁化各向异性。
但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是相当复杂的，下面以 由单层透明薄膜和透明基片组成的系统为例，给出垂直入射时反射率的公式，这 是研究更复杂系统的基础。
透射率可由反射率直接计算。
薄膜的性质——干涉效应
假设：
空气的折射率
n0
单层膜的折射率
n
单层膜的膜厚
基片的折射率
d
空气—薄膜交界面的n振s幅反射率
nd m
42
在此条件下，有
R
n2 n2
ns ns
2
反射停止条件
R0 n2 ns
薄膜的性质——干涉效应
布拉格反射器应用广泛。 原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又取决于层状结构的 周期性。
R
1 1
nl n1
nl n1
n2 n3
n2 n3
2N
2N
体(buk)材料熔点 和小球熔点 之间的关系。
Tm
Ts
设：固-液相间的界面能为
固体的熔解热为
L
熔解过程中熵的变化
固体的密度为
S
薄膜的性质——熔点降低
dW 当质量为 的物质熔化变为液体．球的表面积产生的 变化
平衡关系式如下：
dA
LdW TsSdW dA 0
对于体材料：
LdW TmSdW 0
f (z, vx )
x
jx
jx
(
z
)
2e
m h
3
v vxdv
式中，e为电子电量，m为电子质量，h为普朗克常数。积分范围是在速度空间的 全部体积内进行。
3k(1 p) 1 k 2 1 es
1
2
k
s3
s6
1
pss
ds
薄膜的性质——表面散射
式穷中大时的k电导d，率l。为薄d膜厚度， 为膜厚无l穷 大时电子的平均自由程。
Tm Ts 150 K Tm Ts 15 K
尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍有所谓薄膜越薄熔点 越低的结论。
薄膜的性质——干涉效应
★ 干涉效应
从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开始研究的性质是薄膜 对光的干涉效应。
置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根Байду номын сангаас斯奈尔折射定律和菲涅耳公式进 行推导和计算。
磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内晶粒的形状、内应力、 磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因素所决定的。
薄膜的性质——平面磁化各向异性
薄膜中的磁畴不能完全是单一的，往往会分成若干个磁畴。在磁畴与磁畴相 交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。
将
S ，L Tm
d代A入上式，2得到
dW r
，其热力学
Tm Ts 2 0 Tm Lr
Tm Ts 半径越小， 越T低s 。
薄膜的性质——熔点降低
以Pb为例：
33 erg/cm2 L 1.1 kcal/mol 11.3 g/cm3
当 r 10时7 c，m 当 r 10时6 c，m