薄膜材料的分析表征方法研究进展

第 页， 共 页宁波大学研究生期末考试答题纸(答案必须写在答题纸上)姓名: 学号： 课程名称: 聚合物分析表征 薄膜材料的制备与分析表征方法研究进展摘要：材料的表面与基体内部在结构和性能上都会存在差异，这就要求对薄膜材料的制备及其表征方法有基本的了解。分析了薄膜材料的分类、常见制备方法及其原理，对材料表面的组分、结构、形貌等分析方法进行了归纳总结。关键词：薄膜分类；制备；分析方法；薄膜分析技术应用科技的发展对材料的要求越来越高，一种新材料的问世对社会的影响将非常巨大.考虑到新材料的获得一般都不太容易，而且其价格不菲，由此，研究附着在基体表面的薄膜材料就很有意义。薄膜材料可以看成表面材料,一般都非常薄，因此,薄膜材料的制备及其表征方法与材料表面研究有着非常密切的联系。1 薄膜材料的分类薄膜材料 1不仅具有优越的力学、热学等性能，而且还具有光电、压电、磁性等特定功能，并且成本较低，所以广泛应用于生产和生活中。按其性能和实际用途划分，可分为结构薄膜材料和功能薄膜材料。1.1 结构薄膜结构薄膜材料在材料应用中非常重要,它可以提高材料的力学性能、减轻材料的质量、减少成本等。其主要有高温合金薄膜、陶瓷薄膜 2、准晶薄膜 3等。其中高温合金薄膜主要应用于汽轮机及航天发动机的涡轮叶片的涂层；陶瓷薄膜主要用作大容量的薄膜电容器、超导体、固/液分离膜等；准晶薄膜由于具有高硬度、低摩擦因数、低热导率、低电导率、抗氧化、耐腐蚀及特殊的光学性能而被应用于不粘锅涂层、热障和热防护涂层、太阳能选择吸收器等方面。第 页， 共 页1.2 功能薄膜功能薄膜材料是广泛应用于国民经济、军事工业等领域的基础材料,具有重要的应用和基础研究价值。主要有光学薄膜 4、电极薄膜 5、磁性薄膜 6等。其中，光学薄膜主要用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器，如反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜等；电极薄膜主要应用于太阳能电池及透明导电氧化物(TCO)薄膜;磁性薄膜一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料，按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。磁膜材料广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等;也用作磁记录薄膜介质、薄膜磁头和磁光记录盘等。2 薄膜制备薄膜的制备方法很多，原理也有所不同，归纳起来，常见的薄膜制备方式主要有两种，物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)和等离子体化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition, PCVD)。其中物理气相沉积主要有 3 种常见的方法: 磁控溅射镀膜、离子束溅射镀膜和脉冲激光沉积镀膜（Pulsed Laser Deposition, PLD)7-9。以往薄膜制备主要采用 PCVD 方法,但此方法对于反应器工件的清洁度要求比较高，制备的薄膜表面比较粗糙。另外，由于是化学方法镀膜，对环境的污染比较大。相比之下,近年来兴起的 PVD方法，综合性能比较好，所以目前薄膜制备更多采用的是 PVD 方法。2.1 脉冲激光沉积镀膜PLD 技术是将高能量的脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材瞬间在真空中蒸发，从而在衬底上沉积成膜的一种镀膜技术。特别适用于制备合金及化合物薄膜，即使靶材中不同组元有不同的蒸汽压，蒸发时也不会发生组分偏离.镀膜需要在真空下完成，通过 PLD方法制得的薄膜成分与靶材成分基本一致,所以薄膜成分易控制，无需退火等苛刻条件，即可得到性能良好的薄膜，降低了制备的难度与成本。2.2 磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜主要有直流溅射镀膜和射频溅射镀膜两种，直流溅射镀膜只适合于金属，而射频溅射镀膜对金属和非金属都适用。磁控溅射的基本原理是：系统抽到高真空后，充入惰性气体（一般为氩气） ，在阴极和第 页， 共 页阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下，高速轰击靶材，受碰撞后从靶面逸出的靶原子称为溅射原子，其能量在一至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。通过增加磁场控制溅射原子的路径，可大大提高沉积速率，提高镀膜的效率。由于在靶材表面建立与电场正交磁场,解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，是目前镀膜工业的主要方法之一。磁控溅射与其他镀膜技术相比具有如下特点:可制备成靶的材料范围广，几乎所有金属、合金和陶瓷材料都可以制成靶材;在适当条件下，多元靶材共溅射方式,可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其他活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜; 通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚; 通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计;溅射镀膜具有速度快、膜层致密、附着性好等特点，很适合于大批量、高效率的工业生产。2.3 离子束溅射镀膜离子束溅射镀膜（Ion Beam Sputter Deposition, IBSD)是 PVD 的一种，其原理是通过一个大功率的离子源产生高能的离子束轰击靶材，使固体原子或分子射出到达基板表面，实现膜料的沉积。与传统的电子束蒸发技术相比，离子束溅射沉积粒子的动能更大,一般为 10 eV 以上，是电子束蒸发方法的几十倍。因此制备的薄膜十分致密，不易形成柱状结构，具有损耗小、稳定性高、抗激光损伤性能较好等优点。同时离子束溅射的离子束能量和束流可精确控制，因而工艺稳定，可重复性好，是制备高质量光学薄膜的一种重要手段。在激光技术、光通信技术的发展中，发挥了重要的作用，在其他领域，也具有广阔的应用前景。离子束溅射镀膜实际上是真空蒸发镀膜和反应磁控溅射镀膜的结合，也是在高真空腔内完成镀膜的。但与磁控溅射不同的是其基体在阴极，靶材在阳极，蒸发出来的靶材分子在通过等离子区时发生电离，正离子在电场作用下迅速打到基体表面，实现镀膜。3 薄膜的分析表征方法表面分析技术是研究材料表面的化学组分、形貌、原子结构、键和状态（电子态和原子态）等信息的实验技术。按所得的信息分类，表面分析技术有组分分析、结构分析、形貌分析和表面键合状态分析等。由于固体材料的表面极易从周围吸附气体分子，所以表面第 页， 共 页分析仪器也要求比较高的真空度。3.1 表面组分分析目前许多物理、化学方法都可以用来分析材料表面的化学成分，但往往只能得到材料的平均化学成分，无法获知表面特征微区的化学组成。电子或场离子显微术及扫描探针显微术，虽然可以提供微观形貌、结构等信息，却无法直接测定化学组成。而显微电子能谱则是特征微区成分分析的有力工具，它可以直接测量材料的微结构或微小区域中元素组分和化学态及其分布。3.1.1 X 线光电子能谱分析X 线光电子能谱分析 12 (Xray Photoelectron Spectroscopy, XPS)是利用 X 线源产生很强的 X 线轰击样品,从样品中激发出电子，并将其引入能量分析器，探测经过能量分析的电子，做出 X 线对能量的分布图。它可以用于区分非金属原子的化学状态和金属的氧化状态,所以又称为化学分析光电子能谱仪（Electron-Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA).3.1.2 俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析 13( Auger Electron Spectroscopy, AES) 是利用入射电子束使原子内层能级电离,产生无辐射俄歇跃迁。其原理是：当内层电缺位时出现一个空位，使整个原子体系处于不稳定的激发态,然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态，这个过程称为弛豫过程。弛豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。俄歇电子逃逸到真空中，用电子能谱仪在真空中对其进行探测,对探测结果进行分析便可确定组分。3.1.3 能量色散 X 线分析能量色散 X 线分析（Energy Dispersive X-Ray Analysis, EDAX)也称 EDX 或 EDS,主要应用于材料表面的微区成分分析 14。它的能量具有特征性，与入射辐射的能量无关。当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出,便产生 X线荧光,其能量等于两个能级之间的能量差。因此，X 线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。EDXA 工作时温度一般比较高，所以一般都在液氮的冷却下进行第 页， 共 页分析。3.2 表面结构分析物质结构分析最常用的方法是 X 线衍射分析 (X-Ray Diffraction, XRD) 15。X 线衍射分析是一种微米级的表层分析，通过对材料进行 X 线衍射，分析其衍射图谱，可获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构、形态等信息。目前 X 线衍射（包括散射）已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法，在金属中的应用主要有物相分析和点阵参数测定两个方面。3.3 表面形貌分析材料表面形貌包括表面宏观形貌和显微组织形貌。由于受光学显微镜分辨率的限制，表面形貌分析已大量使用现代化的分析手段。3.3.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜16(Scanning Electron Microscope, SEM)是当极细电子束在样品表面作光栅状扫描时,利用扫描产生的二次电子或背散射电子量来调制同步扫描的成像显像管电子枪的栅极而成像的，反映的是样品表面形貌。扫描电子显微镜的优点是景深大，样品制备简单,对于导电材料，可直接放入样品室进行分析，对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层。3.3.2 透射电子显微镜透射电子显微镜 17 (Transmission Electron Microscope, TEM)是一种用高能电子束作光源，用电磁透镜作放大镜的大型电子光学仪器，其工作原理类似于透镜的成像过程。因为电子束的穿透能力一般不高，所以对样品的厚度有严格的要求，必须把样品制成薄膜才能有比较理想的观测结果,从而进行显微组织的形貌分析或显微区域的结构分析。上面两种方法是实验室中常见的材料表面形貌的分析方法。分析结果生成二维的表面图像，若需要显示出三维的表面图像,则必须使用扫描探针显微镜（Scanning Probe-Microscope, SPM),如扫描隧道显微镜 18 ( Scanning Tunneling Microscope， STM)和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM)。第 页， 共 页3.3.3 扫描隧道显微镜STM 是以量子隧道效应为基础，根据针尖与样品间的距离和产生的隧道电流为指数性的依赖关系成像的，所以要求样品必须是导体或半导体。3.3.4 原子力显微镜AFM19-20是根据极细的悬臂下针尖接近样品表面时，检测样品与针尖之间的作用力（原子力）来观察表面形态的装置。其对非导体同样适用，弥补了扫描隧道显微镜的不足。中国科学院张嵛等 21在对石墨烯的研究中，用 AFM 在轻敲模式下对样品进行了表征，扫描范围为 10m10m,扫描频率为 1 Hz,标尺范围为 050 nm,分析尺度可以达到纳米级，这是扫面电镜不能达到的。总之,STM 与 AFM 都是以扫描探针显微技术为基础的，可以在大气中高倍率地观察材料的表面形貌。通过逐渐缩小扫描范围，可由宏观形貌的观察过渡到表面原子、分子的排列分析。4 总结本文从薄膜材料的分类，表面薄膜的制备，表面分析研究的仪器、方法，以及表面分析方法的应用等方面对材料的表面进行了阐述,为薄膜材料研究及其在新材料和新能源上的应用提供参考。第 页， 共 页参考文献1 郑伟涛.薄膜材料与薄膜技术M.2 版.北京: 化学工业出版社,2008.2 花银群，孙真真，陈瑞芳，等.多组分掺杂 ZnO 陶瓷薄膜的射频磁控溅射法制备及表征J.功能材料，2011,42(3) :444 -447.3 邓辉球，赵立华，黄雅清，等.准晶薄膜与涂层的制备、性能和应用J.功能材料,2001,32 (2): 115-117,120.4 李凌辉，熊胜明，申林，等.离子束溅射淀积光学薄膜的膜厚均匀性实验J.光电工程,2004,31(B12):67-69,72.5 靳艾平，陈文，朱泉蛲，等.TiO2-CeO2 离子储存电极薄膜的制备与性能研究J. 稀有金属，2007,31 (1) :72 -76.6 王海成.FeNi 纳米磁性薄膜的制备及其在传感器中的应用 J.金属世界,2011 (2) :77-79.7 Zu P, Tang Z K, Wong G K L, et al. Ultraviolet spontaneous and stimulated emissions from ZnO microcrystallite thin films at room temperature J . Solid State Communications, 1997,103 (4) 1459 -463.8 Singh A V, Mehra R M, Buthrath N, et al. Highly conductive and transparent aluminum-doped zino oxide thin films prepared by pulsed laser deposition in oxygen ambient J . Journal of Applied Physics, 2001,90 (11) 5661 -5665.9 Matsubera K, Fons P, Iwata K, et al. ZnO tansparent conducting films deposited by pulsed laser deposition for solar cell applications J . Thin Solid Films, 2003, 431 -432 (2) ：369 -372.10 Briggs D, Seah M P. Practical Surface Analysis M. New York:JohnWiley and Sons,2002.11 Walls J M. Methods of Surface Analysis M . Cambridge t Cambridge University Press, 1999.12 徐滨士,朱绍华.表面工程的理论与技术M. 北京：国防工业出版社 ,010.13 张以枕.真空镀膜技术M. 北京：冶金工业