《纳米薄膜》PPT课件

无 机 纳 米 薄 膜 的 制 备 近 20年 来 纳 米 材 料 和 技 术 是 一 门 新 型 学 科（ 纳 米 学 ） ， 是 富 有 活 力 ， 研 究 内 涵 十 分 丰 富的 科 学 分 支 ， 已 被 广 泛 地 应 用 于 微 电 子 、 冶 金 、化 工 、 国 防 、 核 技 术 、 航 天 、 医 学 和 生 物 工 程等 领 域 。 纳 米 科 学 技 术 的 诞 生 ， 将 对 人 类 社 会生 产 力 的 发 展 产 生 深 远 影 响 ， 并 从 根 本 上 解 决人 类 面 临 的 许 多 问 题 ， 尤 其 是 人 类 健 康 、 能 源和 环 境 保 护 等 重 大 问 题 ， 科 学 家 们 预 言 纳 米 技术 将 在 未 来 发 挥 巨 大 作 用 。 在 真 空 蒸 发 技 术 中 ， 人 们 只 需 要 产 生 一 个 真 空 环 境 ，在 真 空 环 境 下 ， 给 待 蒸 发 物 提 供 足 够 的 热 量 以 获 得 蒸 发 所必 需 的 蒸 汽 压 。 在 适 当 的 温 度 下 ， 蒸 发 粒 子 在 基 片 上 凝 结 ，这 样 即 可 实 现 真 空 蒸 发 薄 膜 沉 积 。注 ： 只 要 在 给 定 空 间 内 ， 气 体 压 强 低 于 一 个 大 气 压 的 气 体 状 态 ， 均 称 之 为 真 空 粗 真 空 ： 1*105 1*102Pa 低 真 空 ： 1*10 2 1*10-1Pa 高 真 空 ： 1*10-1 1*10-6Pa 超 高 真 空 ： 1*10-6Pa （ 1） 蒸 发 源 材 料 由 凝 聚 相 转 变 成 气 相 ；（ 2） 在 蒸 发 源 与 基 片 之 间 蒸 发 粒 子 的 运 输 ；（ 3） 蒸 发 粒 子 到 达 基 片 后 凝 结 、 成 核 、 长 大 、 成 膜 。（ 1） 真 空 室 ；（ 2） 蒸 发 源 或 蒸 发 加 热 装 置（ 3） 放 置 基 片 及 给 基 片 加 热 装 置 电 阻 加 热 蒸 发闪 烁 蒸 发电 子 束 蒸 发激 光 蒸 发电 弧 蒸 发射 频 加 热 在 某 一 温 度 下 ， 如 果 固 体 或 液 体 受 到 适 当 的 高 能 粒子 （ 通 常 为 离 子 ） 的 轰 击 ， 则 固 体 或 液 体 中 的 原 子 通过 碰 撞 有 可 能 获 得 足 够 的 能 量 从 表 面 逃 逸 ， 这 一 将 原子 从 表 面 发 射 出 去 的 方 式 称 为 溅 射 。 辉 光 放 电 直 流 溅 射 三 级 溅 射 射 频 溅 射 磁 控 溅 射 对 靶 溅 射 离 子 束 溅 射 交 流 溅 射 反 应 溅 射 在 离 子 束 沉 积 过 程 中 ， 所 希 望 得 到 的 膜 材 料 被 离 化 ，具 有 高 能 量 的 膜 材 料 离 子 被 引 入 到 高 真 空 区 ， 在 到 达 基片 之 前 被 减 速 以 实 现 低 能 直 接 沉 积 。 离 子 助 过 程 则 是 蒸 发 和 溅 射 的 交 叉 过 程 。 蒸 发 沉 积的 速 度 快 ， 蒸 发 得 到 的 膜 与 基 片 的 集 合 较 差 ， 膜 孔 洞 多 ，厚 度 均 匀 性 差 ， 而 溅 射 没 有 这 些 缺 点 ， 但 其 溅 射 的 沉 积速 度 太 慢 ， 离 子 辅 助 则 吸 收 了 两 者 的 优 点 并 克 服 了 两 者的 缺 点 。 （ 1） 离 子 镀 （ 三 级 离 子 镀 、 空 阴 极 放 电 离 子 镀 ）（ 2） 阴 极 电 弧 等 离 子 体 沉 积（ 3） 热 空 阴 极 枪 蒸 发（ 4） 共 离 子 轰 击 沉 积（ 5） 非 平 衡 磁 控 离 子 助 沉 积（ 6） 离 子 束 沉 积 外 延 是 指 沉 积 膜 与 基 片 之 间 存 在 结 晶 学 关 系 时 ，在 基 片 上 取 向 或 单 晶 生 长 同 一 物 质 的 方 法 。 包 括 ：（ 1） 分 子 束 外 延 （ MBE）（ 2） 液 相 外 延 生 长 （ LPE）（ 3） 热 壁 外 延 生 长 （ HWE） 在 超 高 真 空 条 件 下 ， 由 装 有 各 种 所 需 组 分的 炉 子 加 热 而 产 生 的 蒸 气 ， 经 小 孔 准 直 后 形 成的 分 子 束 或 原 子 束 ， 直 接 喷 射 到 适 当 温 度 的 单晶 基 片 上 ， 同 时 控 制 分 子 束 对 衬 底 扫 描 ， 就 可使 分 子 或 原 子 按 晶 体 排 列 一 层 层 地 “ 长 ” 在 基片 上 形 成 薄 膜 。 分 子 束 外 延 的 特 点优 点 ：（ 1） 由 于 系 统 是 超 高 真 空 ， 因 此 杂 质 气 体 （ 如 残 余 气 体 ）不 易 进 入 薄 膜 ， 薄 膜 的 纯 度 高 。（ 2） 外 延 生 长 一 般 可 在 低 温 下 进 行 。（ 3） 可 严 格 控 制 薄 膜 成 分 以 及 掺 杂 浓 度 。（ 4） 对 薄 膜 进 行 原 位 检 测 分 析 ， 从 而 可 以 严 格 控 制 薄 膜 的 生 长 级 性 质 。缺 点 ：设 备 昂 贵 ， 维 护 费 用 高 ， 生 长 时 间 过 长 ， 不 宜 大 规 模 生 产 在 充 气 条 件 下 ， 大 量 的 氧 化 物 、 氮 化 物 和碳 化 物 薄 膜 可 以 通 过 加 热 基 片 的 方 式 获 得 。 举 例 ： 室 温 下 在 铝 片 上 形 成 氧 化 铝 膜 ， 膜 的 厚 度可 以 通 过 升 高 基 片 温 度 而 得 到 增 加 。 在 化 学 气 相 沉 积 中 ， 气 体 与 气 体 在 包 含 基 片的 真 空 室 中 相 混 合 ， 在 适 当 的 温 度 下 ， 气 体 发 生化 学 反 应 将 反 应 物 沉 积 在 基 片 表 面 最 终 形 成 固 态膜 。 （ 1） 反 应 物 的 运 输 过 程 （ 2） 化 学 反 应 过 程 （ 3） 除 去 反 应 副 产 品 过 程 一 般 化 学 气 相 沉 积 中 所 遇 到 的 一 些 典 型 的 化 学 反 应（ 1） 热 分 解 制 备 金 属 膜 SiH4（ 气 ） Si（ 固 ） +2H2（ 气 ）（ 2） 还 原 反 应 SiCl4（ 气 ） +2H2Si（ 固 ） +4HCl（ 气 ）（ 3） 氧 化 反 应 制 备 氧 化 物 SiH4（ 气 ） +O2 （ 气 ） SiO2（ 固 ） +2H2（ 气 ）（ 4） 氮 化 反 应 和 碳 化 反 应 制 备 氮 化 物 和 碳 化 物 3SiH4（ 气 ） +4NH3(气 ） Si3N3（ 固 ） +12H2（ 气 ）（ 5） 化 合 物 的 制 备 电 镀 是 电 流 通 过 导 电 液 （ 称 为 电 解 液 ） 中 的 流动 而 产 生 化 学 反 应 ， 最 终 在 阴 极 上 （ 电 解 ） 沉 积 某一 物 质 的 过 程 。 用 于 电 镀 的 系 统 由 浸 在 适 当 的 电 解液 中 的 阳 极 和 阴 极 构 成 ， 当 电 流 通 过 时 ， 材 料 便 沉积 在 阴 极 上 。 电 镀 方 法 只 适 用 于 在 导 电 的 基 片 上 沉积 金 属 和 合 金 。 不 加 任 何 电 场 、 直 接 通 过 化 学 反 应 而 实 现 薄 膜 沉积 方 法 叫 化 学 镀 。 化 学 镀 可 以 在 有 催 化 剂 存 在 和 没 催化 剂 存 在 时 发 生 ， 使 用 活 性 剂 的 催 化 反 应 也 可 视 为 化学 镀 。 利 用 化 学 镀 可 以 沉 积 一 些 金 属 膜 （ 如 Ni， Co，Pd， Au） ， Ag镀 是 典 型 的 例 子 ， 它 是 通 过 在 硝 酸 银溶 液 中 使 用 甲 醛 还 原 剂 将 银 镀 在 玻 璃 上 。 在 阳 极 反 应 中 ， 金 属 在 适 当 的 电 解 液 中 做 阳 极 ，而 金 属 或 石 墨 作 为 阴 极 。 当 电 流 通 过 时 ， 金 属 阳 极表 面 被 消 耗 并 形 成 氧 化 层 ， 换 句 话 说 ， 氧 化 物 生 长在 金 属 阳 极 表 面 。 这 种 金 属 氧 化 物 只 局 限 于 少 量 的 金 属 （ 如 Al，Nb， Ta， Si， Ti， Zr)氧 化 ， 但 Al的 氧 化 膜 为 迄 今 最为 重 要 的 钝 化 膜 。 在 适 当 的 条 件 下 ， 不 溶 物 单 分 子 层 可 以 通 过 特 定 的方 法 转 移 到 固 体 基 底 上 ， 并 且 基 本 保 持 其 定 向 排 列 的 分子 层 结 构 。 这 种 技 术 是 20世 纪 二 三 十 年 代 由 美 国 科 学 家Langmuir及 其 学 生 K Blodgett建 立 的 一 种 单 分 子 膜 制 备技 术 ， 它 是 将 兼 具 亲 水 头 和 疏 水 尾 的 两 亲 性 分 子 分 散 在水 面 上 ， 经 逐 渐 压 缩 其 水 面 上 的 占 有 面 积 ， 使 其 排 列 成单 分 子 层 ， 再 将 其 转 移 沉 积 到 固 体 基 底 上 所 得 到 的 一 种膜 。