薄膜材料及制备方法概述.ppt

薄膜材料及制备概述,应用工程师 吴西 2015.03.03,目录,1）固体材料概述 分类、材料研究过程、结构与性能 2）薄膜材料的概念 概念、制备、衬底、附着力、内应力 3）薄膜材料的应用 结构性薄膜、功能性薄膜 4）总结,固态材料分类,按物理化学属性： 金属材料 有机高分子材料(C、H、O) 无机非金属材料（陶瓷） 不同类型材料所组成的复合材料,按照原子排布： 单晶 多晶 非晶 （玻璃）,按照性能用途： 结构材料 以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料； 功能材料 介电材料，压电材料，热电材料，磁性材料，光电材料，超导材料，隐身材料,材料,材料种类繁多,功能材料,光电材料 超导材料 热电材料 介电材料 磁性材料 透光和导光材料 发光材料 激光材料 红外材料,隐身材料 梯度功能材料 仿生材料 纳米材料 磁阻材料 磁形变储存器 非线性光学材料 光调制用材料 。,材料研究过程,材料科学技术发展的重点,材料的应用研究与开发： 材料的应用四要素： 性能表现（Perfermance） 使用寿命（Durability）及可靠性（Reliability） 环境适应性（Environmental compliance） 价格（Cost） 开发先进材料，发展高技术产业 信息功能材料：信息的产生、获取、 存储、转换、处理、显示 先进结构材料：耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗衰老、高强度、高韧性 能源材料：热电转换、储氢、电池 有机高分子材料：可再生、资源丰富、性能优异 生物材料：人的器官、骨骼、药物缓释 纳米材料：尺寸效应、量子效应 材料设计 科学仪器与测试装置,薄膜的结构影响薄膜的性能和使用,制造 结构 物性 通过结构控制,达到所需物性； 通过对物性得要求,设计合理结构,选择制造方法,从而制造出新材料。,结构控制,选择制造方法,规定物性,结构设计,材料的结构,晶胞结构,14种空间点阵形式： 1） 简单三斜（aP） 2） 简单单斜（mP） 3） C心单斜（mC） 4） 简单正交（aP） 5） C心正交（oC） 6） 体心正交（oI） 7） 面心正交（oF） 8） 简单六方（hP） 9） R心六方（hR） 10 ) 简单四方（tP） 11) 体心四方（tI） 12) 简单立方 (cP） 13) 体心立方 （cI） 14）面心立方 (cF）,材料的原子排布,透射电子显微镜(TEM),材料的晶格结构,X射线衍射仪(XRD),钙钛矿结构,ABO3钙钛矿晶胞,可以通过掺杂，电场，温度等因素使晶胞发生形变，进而调控材料的性能,变色材料,对NaxWO3进行掺杂，x从0到1，a=3.7845+0.0820x 晶格结构: 单斜 正交 四方 立方,颜色: 黄绿, 灰色, 蓝色, 深紫, 红色, 金色,压电材料,正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它形变时，内部就产生极化现象，同时在表面产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也可以随着改变。,逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,形状记忆合金,形状记忆合金：具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)。,形状记忆合金晶体结构变化模型,材料是信息社会的基石,目录,1）固体材料概述 分类、材料研究过程、结构与性能 2）薄膜材料的概念 概念、制备、衬底、附着力、内应力 3）薄膜材料的应用 结构性薄膜、功能性薄膜 4）总结,薄膜材料概念,三维材料：块材(Bulk) 低维材料：薄膜材料（2维）、纳米线 （1维）、量子点（0维）,薄膜：成形与基体之上,薄膜材料概念,附着于基片上： 固态基片（衬底、基底）上的固态薄膜 厚度：（0.1nm10000nm) 厚膜（厚度1um），薄膜（厚度1um） 太薄：材料间的扩散性能不稳 太厚：与体材料没什么区别 薄膜几乎都能在异质基体上生长 薄膜的生长一般对基体没有苛刻要求，但是特殊情况下基体需要精心选择如玻璃盘基硬盘,薄膜的XRD图线,应力与表面,薄膜制备方法,物理气相沉积 (PVD)原子分子的物理迁移 PLD，Megnetron Sputtering，ALD，MBE 化学气相沉积原子分子的化学反应 CVD，AMO-CVD 溶胶凝胶法 ,基底种类,基底又称：基片，衬底,陶瓷基底 金属基底 各种工具刀具件 玻璃基底 树脂基底 高分子基底 柔性基底,单晶硅,玻璃,晶圆,薄膜基底,科研用各种各样的基底,薄膜基底,科研用各种各样的基底,各种各样的镀膜,各种各样的镀膜,薄膜材料的力学,粘附力,内应力,结构应力,热应力,薄膜粘附力,薄膜界面的粘附力： 薄膜与衬底之间的结合力称为薄膜对衬底的界面粘附力。,（1）物理结合： 界面相互吸引；相互扩散；机械锁和； （2）化学结合： 界面两侧原子之间形成相互键合（化学键），分为离子 键、共价键和金属键。,薄膜界面的两种主要结合机理：,薄膜粘附力,薄膜的界面形态：,(a) 平界面 ( b) 形成化合物的界面 (c)合金的扩散界面 (d) 机械咬合界面,薄膜内应力,结构应力：晶格失配（长度，角度）引起的应力；生长过程产生的内部缺陷；,热应力：由于衬底与薄膜材料之间线膨胀系数的差别，在薄膜制备以后温度变化时在薄膜与衬底中产生的应力。,薄膜内应力会导致：薄膜卷曲，膜层断裂，导致失效,基底选择,衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏； 衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降； 材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。,基底的选择,超晶格材料,超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。 分类： 1.组分超晶格；2.掺杂超晶格；3.多维超晶格；4.应变超晶格 典型应用 量子井激光器（超窄线宽）,需要关注薄膜材料的什么性能？,薄膜材料的基本特性,力学特性,厚度 密度 附着力 内应力，应变 弹性模量 内耗 拉伸强度、抗弯强度 硬度 摩擦系数,热及温度特性,热膨胀系数 比热 热电效应 热导率 德拜特征温度 蒸汽压 熔点,光学特性,折射率 反射率、反射谱 透射率 吸收率（吸收谱） 光电效应,薄膜材料的基本特性,电磁特性,常规特性 半导体特性 介电特性 超导特性 磁学特性,饱和磁化强度 居里温度 磁化过程 导磁率 矫顽力 磁各向异性 磁致伸缩系数 矩形比 记录密度 磁-光效应 科尔效应 法拉第效应,电阻率 电导率 磁致电阻效应,n型及p型电导型 霍尔系数 载流子浓度 载流子迁移率 平均自由程,介电常数 绝缘破坏电压 压电系数 热释电系数,临界温度 临界磁场,目录,1）固体材料概述 分类、材料研究过程、结构与性能 2）薄膜材料的概念 概念、制备、衬底、附着力、内应力 3）薄膜材料的应用 结构性薄膜、功能性薄膜 4）总结,手机上的膜,手机屏幕：TFT薄膜三极管，TCO透明导电膜，硬度膜等 照相镜头：滤光膜，增透膜，CCD感光膜等 手机外壳：金属膜，复合膜，硬度膜等 手机内部：芯片，IC电极，半导体元件，绝缘膜，各种传感器；,薄膜材料的应用,表面改性 超硬膜用于切削工具 能量变换薄膜与器件 传感器 半导体器件 记录与存储 平板显示器 金刚石薄膜的应用 太阳能电池 发光器件 。,表面改性,表面改性：在保持块体材料固有特性（例如机械强度等）的优点的基础上，仅对表面进行加工处理，使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法，统称表面改性。 表面改性的目的：使结构材料功能化，一般是通过对结构材料进行表面处理赋予其新功能，如耐蚀、耐热、耐磨、耐氧化、光泽性、润滑性。 按大的领域，表面改性主要用于汽车、船舶、航空及航天、发电等能源相关的运动机械系统，以及相应的部件、装置等。 意义：表面改性不仅可以提高经济效益，而且对于节省资源、能源，开发材料新功能，提高可靠性，实现轻薄短小化都具有十分重要的意义。,表面改性,表面改性的应用概况（一）,表面改性,表面改性的应用概况（二）,超硬膜用于切削工具,TiC、CrC、TiN、TiCN、Al2O3薄膜特性：熔点高、硬度大、摩擦系数低、化学稳定性好，用于耐磨抗蚀的表面效果,超硬膜用于切削工具,超硬膜用于切削工具,发展趋势： 利用PVD和CVD法对高速钢刀具进行TiN镀层处理，是高速钢刀具的一场革命。 氮化钛镀层保证高速钢刀具能在更高的切削速度、更大的进给量下切削，并使刀具寿命延长。 据报道，一些发达国家的不重磨刀具中，30%50%是加涂耐磨镀层的。 一些专家曾预言，国外在今年内，TiN镀层刀具至少将占齿轮加工刀具市场的70%,为什么？ 把各种功能材料（3维），制备成为薄膜（2维）,薄膜材料优点,(1) 实现微电子器件和系统微型化的最有效的技术手段； (2) 薄膜材料尺寸减小到接近量子化运动的微观尺度，显示 出许多全新的物理现象； (3)薄膜材料可以将各种不同的材料复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系。,薄膜材料的优势,功能薄膜与器件,光电变换薄膜材料（太阳能电池） 光热变换薄膜材料（太阳能热水器） 光选择特性膜（滤光片，增透膜） 热电变换薄膜材料 热电子发射薄膜材料 固体电解质薄膜材料（燃料电池） 超导薄膜器件（超导带） 传感器（光电二极管，热电偶，温度、气体传感器） 半导体器件（储存器、逻辑元件、芯片，场效应管） 记录与存储（光盘、磁盘） 平板显示器（TCO、亮度，柔性屏）,相变温度的应力调制,NdNiO3块材的金属绝缘转变温度为200K,NdNiO3薄膜的-T图线 同种衬底， 不同取向： NdGaO3001 NdGaO3110 NdGaO3100,块材NdNiO3的-T图线,Materials Research Bulletin. 39,775(2004),X.K. Lian et al APL 103, 172110 (2013),所谓热电材料就是把热转变为电的材料，如温差电动势材料（如热电偶），热电导材料（如热敏电阻）,塞贝克效应-1823年 帕尔贴效应-1834年,热能,电能,电能,制冷,热电材料超晶格薄膜,热电材料超晶格薄膜,热电材料至今未能大规模应用。原因是热电材料的热电转换效率不理想，热电优值有待进一步提高,热电优值：Z=S2/,M. S. Dresselhaus. et al. Adv. Mater., 2007.19.1043,G.J. Snyder, et al. Nat. Mater., 2008.7.105,到目前为止，最好的体材料Bi0.5Sb1.5Te3，在室温300K具有ZT1。,ZT1, 10%的卡诺效率； ZT4, 30%的卡诺效率（冰箱）；ZT，100%的卡诺效率,热电材料超晶格薄膜,Bi2Te3/Sb2Te3 超晶格薄膜,R. Venkatasubramanian, et al. Phys. Rev. B, 2001.61.3091; Nature, 2001,413,597,超晶格薄膜在周期为4-6nm处具有最低热导。 实现最高的ZT2.4,智能变色窗,智能变色窗,薄膜太阳能电池,由于成本低、能耗低、工艺简单、柔性衬底的优势，在太阳能电池投资热潮中，硅薄膜电池成为热点中的热点。薄膜太阳能电池在未来510年内将以50%左右的年平均增长率增长，到2030年将占整体太阳能电池份额的30%以上。,相变存储器（PCRAM）技术是基于相变材料（主要为硫系化合物）在晶态（低阻态）和非晶态（高阻态）的可逆转变来实现数据的存储和擦写操作。,写操作（RESET）：施加较大电流脉冲；焦耳热使相变材料温度升高到融化温度（典型相变材料，约 600），淬火，1010 K/s, 成为非晶态；,晶化时间：10ns内完成,相变存储器,超导带材,超导带材,薄膜材料：第二代超导体YBa2Cu3O7-, Tc=90K （液氮温度：77K