材料的制备方法PT课件

材料的制备方法材料的制备方法按照物质的结晶状态来划分：按照物质的结晶状态来划分： 单晶态单晶态 多晶态多晶态 非晶态非晶态按照物质的尺寸来划分：按照物质的尺寸来划分： 体材料体材料 薄膜材料薄膜材料单晶材料的制备方法单晶材料的制备方法 直拉法直拉法 区熔法区熔法 布里奇曼法布里奇曼法熔炼（合金）熔炼（合金） 电弧，感应线圈，激光束电弧，感应线圈，激光束烧结（氧化物）烧结（氧化物） 多晶材料的制备方法多晶材料的制备方法特点：特点：电弧电弧是气体的一种是气体的一种弧光放电弧光放电。呈现弧状白光并产生高温的气体放电。呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子发射使碰撞电离。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。下降，有强烈光辉。 电弧炉电弧炉电弧炉即是用这种原理熔炼金属的工业炉电弧炉即是用这种原理熔炼金属的工业炉. .在真空环境下的电弧炉就是真空电弧炉在真空环境下的电弧炉就是真空电弧炉. .真空真空电弧熔炼采用大电流低电压，属于短弧操作，。电弧熔炼采用大电流低电压，属于短弧操作，。一般电弧电压为一般电弧电压为222265V65V，对应弧长为，对应弧长为202050mm50mm感应炉感应炉加热线圈通入变加热线圈通入变频电流产生的磁频电流产生的磁力线集中在被加力线集中在被加热物上，由电磁热物上，由电磁的感应作用，产的感应作用，产生涡旋电流，将生涡旋电流，将被加热物加热被加热物加热 用交流电流流向被卷曲成环状的导体（通常为铜管），由用交流电流流向被卷曲成环状的导体（通常为铜管），由此产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属体，在此产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属体，在与磁束自缴的方向产生涡电流（旋转电流），于是感应电与磁束自缴的方向产生涡电流（旋转电流），于是感应电流在涡电流的影响下产生发热，用这样的加热方式就是感流在涡电流的影响下产生发热，用这样的加热方式就是感应加热。应加热。感应加热时在距离感应线圈越近，产生的涡流越大，引感应加热时在距离感应线圈越近，产生的涡流越大，引起的热效应了越大。起的热效应了越大。 感应线圈是一般用一圈或数圈的铜管来做，一般采用水感应线圈是一般用一圈或数圈的铜管来做，一般采用水冷的方式对线圈进行冷却。冷的方式对线圈进行冷却。快淬的方法（甩带）快淬的方法（甩带）在高真空条件下将熔在高真空条件下将熔融态金属或合金喷射融态金属或合金喷射到高速旋转的铜辊上到高速旋转的铜辊上快速冷却以得到非晶快速冷却以得到非晶态亚稳材料薄带。态亚稳材料薄带。 非晶材料的制备方法非晶材料的制备方法薄膜的制备方法薄膜的制备方法物理气相沉积物理气相沉积利用物质的某种物理过程来实现物质原子从源物质利用物质的某种物理过程来实现物质原子从源物质到薄膜的可控制转移的过程到薄膜的可控制转移的过程化学气相沉积化学气相沉积利用气态的先驱物，通过原子、分子间化学反应的利用气态的先驱物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术途径生成固态薄膜的技术物理气相沉积物理气相沉积蒸发法蒸发法利用物质的热蒸发现象利用物质的热蒸发现象特点：较高的沉积速度，相对较高的真空度特点：较高的沉积速度，相对较高的真空度溅射法溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向预被溅射的物质做成的靶电极。在离子点，将离子引向预被溅射的物质做成的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射出来的原子带有一定的动能，能量合适的情况下，入射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积特点：在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制、沉积特点：在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制、沉积层对衬底的附着力较好层对衬底的附着力较好蒸发法蒸发法在较高的真空度条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子在较高的真空度条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，而具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，而且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净程度且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯净程度蒸发装置的分类：蒸发装置的分类： 电阻式蒸发装置电阻式蒸发装置 电子束蒸发装置电子束蒸发装置 电弧蒸发装置电弧蒸发装置 激光蒸发装置激光蒸发装置 空心阴极蒸发装置空心阴极蒸发装置 电阻式蒸发装置电阻式蒸发装置特点：特点：电阻加热材料一般均为一些难熔金属，如电阻加热材料一般均为一些难熔金属，如W W、TaTa、MoMo设备简单设备简单来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能来自坩埚、加热元件以及各种支撑部件的可能的污染的污染加热的功率或加热的温度也有一定的限制加热的功率或加热的温度也有一定的限制电子束蒸发装置电子束蒸发装置工作原理：工作原理：被加热的物质被放置于水被加热的物质被放置于水冷的坩埚中，电子束只轰冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很少的一部份物击到其中很少的一部份物质，而其余的大部分物质质，而其余的大部分物质在坩埚的冷却作用下一直在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者处于很低的温度，即后者实际上变为了被蒸发物质实际上变为了被蒸发物质的污染的污染电弧蒸发装置电弧蒸发装置工作原理：工作原理：在电弧蒸发壮装置中，使在电弧蒸发壮装置中，使用欲蒸发的材料制成放电用欲蒸发的材料制成放电的电极。在薄膜沉积时，的电极。在薄膜沉积时，依靠调节真空室内电极间依靠调节真空室内电极间距的方法来点燃电弧，而距的方法来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现物端部产生蒸发从而实现物质的沉积。控制电弧的点质的沉积。控制电弧的点燃次数或时间就可以沉积燃次数或时间就可以沉积出一定厚度的薄膜出一定厚度的薄膜激光蒸发装置激光蒸发装置工作原理：工作原理： 使用高功率的激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积使用高功率的激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积空心阴极蒸发装置空心阴极蒸发装置工作原理：工作原理： 在中空金属在中空金属Ta管制成的阴管制成的阴极和被蒸发物质制成的阳极极和被蒸发物质制成的阳极之间加上一定幅度的电压，之间加上一定幅度的电压，并在并在Ta管内通入少量的管内通入少量的Ar气气时，可在阴阳两极之间产生时，可在阴阳两极之间产生放电现象。这时，放电现象。这时，Ar离子的离子的轰击会使轰击会使Ta管的温度升高并管的温度升高并维持在维持在2000K以上的高温下，以上的高温下，从而能够发射出大量的热电从而能够发射出大量的热电子。将热电子束从子。将热电子束从Ta管内轰管内轰击阳极，即可导致物质的热击阳极，即可导致物质的热蒸发，并在衬底上沉积出薄蒸发，并在衬底上沉积出薄膜膜溅射法溅射法溅射法沉积溅射法沉积薄膜的过程薄膜的过程中，离子的中，离子的产生过程和产生过程和等离子体的等离子体的产生或气体产生或气体的放电现象的放电现象密切相关密切相关溅射装置的分类：溅射装置的分类： 直流溅射装置直流溅射装置 射频溅射装置射频溅射装置 磁控溅射装置磁控溅射装置 反应溅射装置反应溅射装置 直流溅射装置直流溅射装置特点：特点：设备较为简单设备较为简单不能独立地控制各个工艺参数不能独立地控制各个工艺参数使用的气体压力也较高（使用的气体压力也较高（10Pa10Pa），溅射速度较低，这），溅射速度较低，这不利于减少气氛中的杂质对薄膜的污染以及溅射效率不利于减少气氛中的杂质对薄膜的污染以及溅射效率的提高，因此目前直流溅射方法已较少采用的提高，因此目前直流溅射方法已较少采用溅射导电性较差的非金属靶材，需要提高直流溅射电溅射导电性较差的非金属靶材，需要提高直流溅射电源的电压，以弥补靶材导电性不足而引起的电压降，源的电压，以弥补靶材导电性不足而引起的电压降，因此这种方法不适用于导电性很差的非金属材料的溅因此这种方法不适用于导电性很差的非金属材料的溅射射射频溅射装置射频溅射装置特点：特点：交流电源的频率低于交流电源的频率低于50kHz50kHz，通常使用频率区间，通常使用频率区间为为5-30kHz5-30kHz适用于各种金属和非金属材料的溅射适用于各种金属和非金属材料的溅射磁控溅射装置磁控溅射装置磁控溅射的特点：磁控溅射的特点：在溅射装置中引入磁场，既可以降低溅射过程在溅射装置中引入磁场，既可以降低溅射过程的气体压力也可以在同样的电流和气压的条件下的气体压力也可以在同样的电流和气压的条件下显著提高溅射的效率和沉积的速率显著提高溅射的效率和沉积的速率溅射法的缺点：溅射法的缺点：溅射方法沉积薄膜的沉积速率较低溅射方法沉积薄膜的沉积速率较低溅射所需要的工作气压较高，否则电子的平均溅射所需要的工作气压较高，否则电子的平均自由程太长，放电现象不易维持自由程太长，放电现象不易维持反应溅射装置反应溅射装置化合物是在原子沉积的过程中，由溅射原子与活性气化合物是在原子沉积的过程中，由溅射原子与活性气体分子在衬底表面发生化学反应而形成体分子在衬底表面发生化学反应而形成在通入在通入ArAr气的同时通入相应的活性气体，从而抑制化气的同时通入相应的活性气体，从而抑制化合物的分解倾向，另一方面，也可以采用纯金属作为合物的分解倾向，另一方面，也可以采用纯金属作为溅射靶材，但在工作气体中混入适量的活性气体，例溅射靶材，但在工作气体中混入适量的活性气体，例如如O O2 2、N N2 2、NHNH3 3、CHCH4 4、H H2 2S S等，使金属原子与活性气体等，使金属原子与活性气体在建设沉积的同时生成所需的化合物。在建设沉积的同时生成所需的化合物。