《纳米薄膜》PPT课件.ppt

无机纳米薄膜的制备,何桂丽,纳米材料概述,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。,纳米薄膜材料的制备方法,薄膜制备的物理方法 薄膜制备的化学方法,纳米薄膜材料的制备方法,一、薄膜制备的物理方法 物理气相沉积（PVD） 通过高温加热金属或化合物蒸发成气相，或者通过电子、离子、光子等荷能粒子的能量把金属或化合物靶溅射出相应的原子、离子、分子(气态)，在固体表面上沉积成固相膜，其中不涉及到物质的化学反应(分解或化合)。,由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出多种不同形式：,1.真空蒸发 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*1051*102Pa 低真空：1*102 1*10-1Pa 高真空：1*10-1 1*10-6Pa 超高真空：1*10-6Pa,真空蒸发沉积过程,（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。 真空蒸发系统 （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,几种重要的蒸发方法,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,2.溅射 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。,溅射的装置,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,3.离子束与离子助,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。,离子束与离子助的几种类型 （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,4.外延膜沉积技术 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）,分子束外延,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,分子束外延装置,二、薄膜制备的化学方法,热生长 化学气相沉积 电镀 化学镀 阳极反应沉积法 LB技术,1、热生长,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。,2、化学气相沉积（CVD）,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。 用于制备薄膜的化学气相沉积涉及三个基本过程： （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,化学气相沉积的优点,可以准确地控制薄膜的组分及掺杂水平； 可在复杂形状的基片上沉积成膜； 系统不需要昂贵的真空设备； 化学气相沉积的高沉积温度会大幅度改善晶体的结晶完整性； 可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料； 沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。,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,化学气相沉积还包括,激光化学气相沉积 光化学气相沉积 等离子体增强化学气沉积,电镀,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。,化学镀,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。,阳极反应沉积法,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。,LB技术,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