现代表面技术复习题教材

1、现代表面技术复习题答案第一章1，课程的性质、特点古老实用广泛发展” 。 2，课程的地位、重要性“重点发展的学科”第二章 表面科学的基本概念和理论1、按照膜层形成方式及其作用原理，表面技术可以分为哪些类型？(1) 原子沉积 (2)颗粒沉积 (3) 整体覆盖 (4)表面改性2、固体材料界面有哪三种？(1) 表面 -固体材料与气体或液体的分界面；(2) 晶界(或亚晶界 )-多晶材料内部成分、结构相同而取向不同的晶粒 (或亚晶 )之间的界面。(3) 相界 -固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。3、何谓清洁表面？何谓实际表面？ 清洁表面：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空解理、蒸发薄膜、场效应蒸

2、发、化学反 应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-6 Pa 10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。实际表面： 暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理(如切割、研 磨、抛光、清洁等) ，保持在常温和常压(也可能在低真空或者高温)下的表面。4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？ 从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。 达到该稳定状态的方式有两种：一是自行调整，表面原子排列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳 定态，因而使表面组分与材料内部不同。所以清洁表面

3、必然存在各种类型的表面缺陷。5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图。 表面弛豫：表面原子的上、下位移 (压缩或膨胀 )称为表面驰豫。 表面重构： 在平行于基底的表面上， 原子的平移对称性与体内显著不同， 原子位置作了较大 幅度的调整，这种表面结构称为重构 (或再构) 。缺列型重构 ：是表面周期性地缺失原子列 造成的超结构。重组型重构 ：并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方 式。6、什么是贝尔比层？它有什么特点 ?贝尔比 （Beilby） 层：金属在切割、 研磨和抛光时， 表面原子来不及回到平衡位置， 造成一定程度的晶格畸变， 深度可达几十微米。 这种晶格畸变是随深度变化的，

4、 而在最外层约 5nm-10nm 厚度可能会形 成一种非晶态层，该膜层就称为贝尔比 （Beilby） 层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。 贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。但是，在其它许多场 合，贝尔比层是有害的， 例如， 在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比 层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。第三章 电镀和化学镀1、何谓电化学位？写出其数学表达式并说明其用途。 位于真空的孤立相的电位（一）、外电位 把单位正电荷从无穷远处的真空中移至带电物体表面 为该点的外电位。外电位是紧靠带电物体表面处的电位，又称伏打（ （二

5、）、 表面电位任一表面层中， 由于界面上的短程力场（范德华力， 化并定向排列， 使表面层成为一层偶极子层。10-4 10-5 cm 处所作的电功 ,称Volta）电位，它是可以测量的。共价键力等） 引起原子或分子偶极单位正电荷穿越该层所做的电功称为表面电位P 的吉布斯自由能的变化为：mMnmj ,T,PM(np)nF (P)M(np)仿照化学位的定义，将 位。M（np） 称为电化学位。就是离子 Mn+在相 P 中的电化学。（三 ）、 内电位内电位指物体内部某一点的电位。 在数值 上等于单位正电荷由无穷远处移到带电物 体内时反抗电场力所作的功。+nF （P）。因此，将 1mol 的正离1mol

6、的 Mn+共携 Mn+带 nF库仑的电量，相应的电功为 子 Mn+ 移入相 P 时，相定义了电化学位后， 就可以象化学_ 反应式的平衡条件一样， 用下式来表达一个电极反应达到 平衡的条件 : 0jj j2、什么是绝对电位？ 写出数学表达式；简要说明为什么绝对电位无法测量？ 称为该电极系统的绝对电位。 e 表示电极反应处于平衡时该电极系统的绝对电位。（电极材料 ） （ sol ） e（电极材料 ） （sol ） ejje（电极材料 ）nF为了测量 Cu 电极与水溶液之间的内电位之差，就要用一个高灵敏度的高阻测量仪器，例如 电位差计或电阻输入很高的半导体电压表。 任何这种测量电位差的仪器都有两个输

7、入端。 个输入端用良电子导体材料做成的导线如 Cu 导线同 Cu 电极相连接。测量仪器的另一个输 入端就应当同另一个相， 即水溶液相连接。 现在的问题是怎样才能做到使测量仪器的一个输 入端同水溶液相连接？唯一的办法是用某一块金属 M 一端插入水溶液中，而在水溶液上面 的另一端则与一根导线，例如也是用 Cu 导线连接，然后这根导线接测量仪器的另一个输入 端。这个电位差 E 实际上是表示 Cu/水溶液和 M/ 水溶液两个电极系统所组成的原电池的电动势。 E （Cu）（sol） e （sol）M e （M ）（Cu） e3、何谓参比电极？何谓标准电极？ 选择一个电极系统来同被测电极系统组成原电池。

8、所选择的电极系统中， 电极反应必须保持 平衡，而且与该电极反应有关的反应物质的化学位应保持恒定。 这样的电极系统叫做参比电 极。以氢电极为标准电1极，并规定它在任何温度下电极电位为零。 电极反应为： 1H 2（101325Pa ） H aH 1 e2标准电极电位在水溶液中， 298K 时， 电极物质活度均为 1 时的电极电位， 称为标准电极 电位。它表示电极物质在进行电极反应时，相对于标准电极的得失电子的能力。4、何谓电池电动势？何谓电极电位？电极电位是指一待测电极与标准电极组成的电池的电动势。5、何谓过电位？何谓阳极极化？何谓阴极极化？过电位： 在一定电流密度下的电极电位与平衡电位平的差值，

9、 称为过电位， 即， 平（2）阳极极化和阴极极化由于电极上有净电流通过，电极电位显著地偏离未通净电流时 的起始电位的变化的现象称为极化。对于阳极电极电位和阴极电极电位偏离其平衡值 （未通净电流） 的现象， 分别称为阳极极化 和阴极极化。6、简要说明产生阳极极化和阴极极化的原因。（1）阳极活化极化。阳极过程是金属离子从基体转移到溶液中并形成水化离子的过程M en ne mH2OM enmH2One金属离子进入到溶液里的速度小于电子从阳极迁移到阴极的速度， 则阳极上就会有过多的带 正电的荷的金属离子的积累， 由此引起电极双电层上负电荷减少， 于是阳极电位就向正方向 移动，产生阳极极化。这种极化称为

10、活化极化或电化学极化。（2）阳极浓差极化。 在阳极过程中产生的金属离子首先进入阳极表面附近的 溶液 中，如果进入到溶液中的金属离子向远离阳极表面的溶液扩散缓慢时， 阳极附近的金属离子 浓度增加， 阻碍金属继续溶解， 必然使阳极电位往正方向移动，产生阳极极化。这种极化称 为浓差极化。浓差极化的过电位用 c 表示。（3）阳极电阻极化。在阳极过程中，由于某种机制在金属表面上形成了钝化膜，阳极过程 受到了阻碍， 使得金属的溶解速度显著降低， 此时阳极电位剧烈地向正方向移动， 由此引起 的极化称为电阻极化。其过电位用r 表示。（1）阴极活化极化阴极过程是接受电子的过程，即D ne （D ne）如果由阳极

11、迁移过来的电子过多， 由于某种原因阴极接受电子的物质与电子结合的速度 进行得很慢，使阴极积累了剩余电子，电子密度增高，结果使阴极电位向负方向移动， 产生 阴极极化。这种由于阴极过程或电化学过程进行得缓慢引起的极化称作阴极活化极化或电化 学极化，其过电位用 a 表示。（2）阴极浓差极化。阴极附近参与反应的物质或反应物扩散较慢引起的阴极过程受阻，造 成阴极电子堆积，使阴极电位向负方向移动，由此引起的极化为浓差极化，其过电位用 c 表示。7、试简述阴极极化对金属电沉积过程的有益和有害影响。 阴极极化对镀层起的良好作用可分为两方面： 第一、有利于得到结晶细致、光亮的镀层； 第二、有利于改善镀液的分散能

12、力，使镀层分布均匀阴极的浓差极化：往往降低沉积速度，造成镀层粗糙、烧焦等毛病，阴极极化太大时， 会 造成严重析氢、电流效率降低，影响镀层结合力，严重时，甚至造成起泡、起皮等缺陷。8、法拉第电解第一定律？法拉第电解第二定律？ 法拉第常数 F？1法拉第电解第一定律 电极上所形成产电解物的质量 W 与电流 I 和通电时间 t 成正比 W kIt=kQ 式中 k 为比例常数。2法拉第电解第二定律 （三种表述法）当通过各电解液的总电量 Q 相同时，在电极上析出（或溶解）的物质的质量 W 同各 物质的化学当量 C（即原子量 A 与原子价 Z 之比值， C=A/Z ）成正比。 W= kIt=kQ kC。A电

13、解第二定律也可表述为 :物质的电化学当量 k 同其化学当量 C 成正比，即： k C ZA 如通过的电量 Q 相同，则析出或溶解的不同物质的化学“克当量”数相等，即每一物质 Z 的数量变化除以化学当量 C 为一常数。法拉第常数( F)：每摩尔电子所携带的电荷。 F=(6.02214 1023) (1.602176 10-19)= 96485.3383 0.0083C/molW1W2W3W4C1C2C3C4常数（电量）9、简述采用次亚磷酸钠作为还原剂化学镀Ni-P 的反应机理？化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的表面上。其反应式为：NiCm2+ 十 R Ni 十 mC 十

14、OC 为络合剂、 m 为络合剂配位体数目， R 、O 分别为还原剂的还原态和氧化态。 上式分解为： 以次亚磷酸钠为还原剂反应机理：阴极反应：Ni 2十 H2PO2十 H2O H2PO3+ Ni 十 2H+阳极反应：R O 十 2e 10、什么是电偶腐蚀？ 由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀（ galvanic corrosion ），亦称 接触腐蚀或双金属腐蚀 。11、简要说明能斯特方程。第四章 金属的氧化、磷化及着色化学转化膜1、钢铁的表面发蓝（黑）处理的基本原理？钢铁的表面磷化处理的基本原理？钢铁的氧化， 亦称发蓝。 其实质是通过化学或电化学等方法， 在

15、其表面生成一层薄的氧化膜， 膜层厚度为 0.51.5m，膜的主要成分为 （Fe3O4） （即磁性氧化铁 ）。钢铁在磷化液 （某些酸式醋酸盐为主的 溶液 ）中处理，在表面沉积形成一层不溶于水的结晶 型磷酸盐转化膜的过程，称之为钢铁的磷化。2、铝合金的化学氧化与电化学氧化的区别3、画出铝合金阳极氧化的原理示意图4、根据铝（镁、钛、钽等）合金阳极氧化的原理图以及氧化处理所用的电解质溶液成分、 电流密度、电流波形、溶液温度、膜层性能特点、工件表面是否产生火花等，分别说明什么 是：（1）阳极氧化？（2）硬质氧化？（3）瓷质氧化？（4）等离子体电解液（或者微弧）氧化？（5）哪种处理方法的氧化膜硬度最高？普

16、通阳极氧化（硫酸、草酸、铬酸等阳极氧化）硬质阳极氧化1）溶液：获得硬质氧化膜溶液很多，如：硫酸、多种有机酸（ 如草酸、苹果酸、柠檬酸、丙二酸、磺基水杨酸 ）混合液。2）电源：电源则有交流电、直流电、交直流叠加、脉冲电流等。3）氧化条件：硬质阳极氧化处理条件为：高电流密度、低温、搅拌。电流密度为普通阳极 氧化的 23 倍。低温是为了抑制溶液对膜的溶解、通过搅拌降温。4）硬质氧化膜性质硬度铝合金上可达 HV 400 600，在纯铝上可达 HVl500 以上。在铝合金 中 ,LC4 合金最 易获得硬质氧化膜。耐磨件硬质阳极氧化膜，硬度高，耐磨性好。疲劳性能工件经硬质阳极氧化后、疲劳性能要下降。耐热件

17、硬质阳极氧化膜熔点达 2050，导热系数低至 67kw（mK） ，耐热性极好。在短时 间内经受 1500 2000 高温没问题。电绝缘性硬质阳极氧化膜电阻率大，经封闭处理（浸绝缘漆或石腊 ），击穿电压可达 2000V 。耐蚀性 耐大气腐蚀。结合强度 膜与基体结合强度高。瓷质阳极氧化：以钛盐 （或铬酐 ）为基础的溶液，可使抛光后的硬铝工件上获得均匀、光滑、 外观类似塑料或瓷釉的氧化膜，称之为瓷质阳极氧化。 瓷质氧化膜特点： 膜层致密，硬度较高，耐磨性、绝热性、绝缘性较好，耐蚀性优于硫酸阳极氧化膜； 膜层与基体结合强度高，可经受冲压加工；膜层不透明，可遮盖加工中缺陷，装饰效果好，对工件表面要求低；

18、 膜层吸附力好，可染成各种较深颜色。等离子微弧氧化硬度最高，氧化膜硬度最高 HV120020005、铝合金阳极氧化膜的着（染）色方法通常有哪几种？分别说明其优缺点。6、铝合金氧化膜的封孔方法有哪些？分别简要说明。封闭处理方法有多种：如沸水 （80 一 100 ）封孔、蒸气封扎、金属盐封孔、有机物封孔，涂 漆封孔和常温封孔等多种方法。第五章 表面涂覆技术1、何谓热喷涂？涂层的形成机理？涂层的结合机理？热喷涂涂层的应力状态？热喷涂技术： 是使用某种方式的热源， 使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态， 用高压气流将 其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。喷涂材料从进

19、入热源到形成涂层可以划分为以下四个阶段：（1）喷涂材料的熔化：粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部（2）熔化的喷涂材料的雾化：对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身 射流的作用下脱离线材端部， 并雾化成细小熔滴向前喷射； 在粉末喷涂时， 不存在粉末的细 化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。（3）粒子的飞行阶段：熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速。（ 4）粒子的喷涂阶段：具有一定速度和温度的粒子到达基材表面， 与基材发生强烈的碰撞。粒子在碰撞的瞬间撞击基体表面或撞击已经

20、形成的涂层， 把动能转化为热能后传给基体， 同时粒子在凹凸不平的表面发生变形， 形成扁平状粒子， 并且迅速凝固成涂层。 喷涂的粒子 不断飞向基材表面，产生碰撞 -变形 -冷凝的过程，变形粒子和基材之间及粒子和粒子之间相 互交叠在一起，形成涂层。涂层形成过程如下图所示。冲击 碰撞 变形凝固 -收缩热喷涂涂层形成过程示意图涂层的结合机理 涂层的结合包括涂层和基材的结合及涂层之间的结合。 前者的结合强度称为结合力， 后 者的结合强度称为内聚力。1）机械结合（主要结合方式） 熔融态的粒子撞击到基材表面，铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面 形成机械结合，又称为抛锚效应。2）物理结合 当高速运动

21、的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格 常数范围内时，产生范德华力，提高基体和涂层间的结合强度。3）扩散结合 当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温作用，基体 表面的原子得到足够的能量，使涂层与基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。4）冶金结合 当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应（如Ni/Al ）时，熔融态的粒子和局部熔化的基体之间发生“焊合”现象，产生“焊点” ，形成微 区冶金结合。1）热应力和 2）淬火应力2、举两个实例说明等离子体喷涂陶瓷涂层的应用。石油管道建设、航空航天工业、汽车制造、工程机械及船舶3. 涂

22、料的四个组成部分是什么？5.热喷涂涂层的应用通常有哪几类？1）在航空航天工业上的应用在机械工业中的应用在钢铁行业中应用在铁路行业中应用5）在生物医学工程上的应用6.热喷涂方法1）火焰喷涂？2）电弧喷涂？3）等离子体喷涂？4）超音速火焰喷涂？5）爆炸喷涂？6）冷喷涂？第六章 表面改性技术1、简要说明形变强化的原理和机理。基本原理是 : 通过机械手段 （滚压、内挤压和喷丸等 ）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变 硬化层，此形变硬化层的深度可达 （0.51.5）mm 。在此形变硬化层中产生两种变化： 是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大； 是形成了高的宏观残余压应力。机

23、理：滚压，内挤压，喷丸2、何谓表面热处理？ 是指仅对零部件表层加热、 冷却， 从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺， 基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。3、说明表面热处理的常用加热方法和冷却方法？ 一，感应加热表面淬火感应线圈通以交流电后， 感应线圈内即形成交流磁场。 置于感应线圈内的被加热零件引起感 应电动势， 所以零件内将产生闭合电流即涡流。 由于被加热的金属零件的电阻很小， 所以涡 电流很大，从而可迅速将零件加热。普通高频淬火、超高频冲击淬火和大功率高频脉冲淬火技术特性 双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火二，火焰加热表面淬火是应用氧 -乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随

24、后淬火冷却的工艺。三，接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火是利用触头 (铜滚轮或碳棒 )和工件间的接触电阻使工件表面加热， 并 依靠自身热传导来实现冷却淬火。四，浴炉加热表面淬火将工件浸入高温盐浴 ( 或金属浴 )中，短时加热，使表层达到规定淬火温度，然后激冷的方 法称为浴炉加热表面淬火。4、说明感应加热表明处理时的电流透入深度与硬化层深度的关系？ f 为电流频率( Hz)； 为材料的磁导率( H/m )； 为材料的电阻率(姆 .cm)565、何谓表面化学热处理？对某一工件进行渗C、N、(C，N)、B 等与渗金属 W、Mo 、Cr、V 、 Al 等的考虑依据是什么？区别何在？金属表面化学热

25、处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。金属表面化学热处理的目的(1) 提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到 (9501200)HV ；渗 硼可使金属表面硬度达到 (14002000)HV 等，因而工件表面具有极高的耐磨性。(2) 提高材料疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化，导致表层 产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。(3) 使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。(4) 提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。6、离子渗氮比普通气体渗氮速度快的原因是什么？ 离子渗氮速度快的三个原因： 表面活

26、化是加速渗氮的主要原因。粒子轰击将金属原子从试样表面轰击出来， 使其成为活性原子， 并且，由于高温活化， C、N、O 这类非金属元素也会从金属表面分离出来，使金属表面氧化物和碳化物还原，同 时也对表面产生了清洗作用； 提高表面氮浓度，加快氮向试样内部扩散。试样表面对轰击出来的 Fe和 N 结合形成的 FeN吸附，提高试样表面氮浓度， Fe还 有对 NH3 分解出氮的催化作用，也提高氮浓度； 阴极溅射产生表面脱碳，增加位错密度等，加速了氮向内部扩散的速度。7、简述离子注入表面改性的机理和特征？离子注入的原理：离子束和电子束基本类似，也是在真空条件下将离子源产生的离子束经过加速、聚焦、 使之作用在

27、材料表面。 所不同的是， 除离子与负电子的电荷相反带正电荷外， 主要是离子的 质量比电子要大千万倍。例如，氢离子的质量是电子的 7.2 万倍。由于质量较大，故在同样的电场中加速较慢，速度 较低。但一旦加速到较高速度时， 离子束比电子束具有更大的能量， 高速电子在撞击材料时， 质量小速度大， 动能几乎全部转化为热能， 使材料局部熔化、 气化。 它主要通过热效应完成。 而离子本身质量较大，惯性大，撞击材料时产生了溅射效应和注入效应，引起变形、分离、 破坏等机械作用和向基体材料扩散，形成化合物产生复合、激活的化学作用。离子注入的特征： 离子注入提供的新技术与现有的电子束和激光束等表面处强工艺不同，其

28、突出的特点是：(1) 离子注入法不同于任何热扩散方法，注入元素的种类、能量和剂量均可选择，可注入任 何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。(2) 离子注入一般在常温或低温下进行，但离子注入温度和注入后的温度可以任意控制，且 在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工 艺。(3) 可控性和重复性好。(4) 可获得两层或两层以上性能不同的复合材料，复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基 本不变。(5) 离子注入在表面产生压应力，可提高工件的疲劳性能。(6) 通常离子注入层的厚度不大于 1 m，离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的和有 内孔的零件不能进行离子注入

29、，设备造价高，所以应用还不广泛。8. 形变强化时形变硬化层中产生的两种变化？是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大； 是形成了高的宏观残余压应力。9. The rate of strain hardening at a given stress and strain:从而改变表层组织和性能而不改变成分的使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。10. 表面热处理与表面化学热处理的区别？ 表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却， 一种工艺金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，11. 根据含渗入元素的介质所处状态不同，化学热处理可分哪几类？(1) 固体法： 包括粉末填充法、膏

30、剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层(电镀层、喷镀层等 )扩散 (2) 液体法 ： 包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。(3) 气体法 ： 包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。(4) 等离子法 ： 离子束扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使表面成分、组织结构及性能发生改变的处理方法。12. 化学热处理常用的非金属和金属渗入元素有哪几种？碳，氮，硫，硼，硅， Al，W、Mo、Ta、V、Nb、Cr 铝，钨，钼，钽，钒，铌，铬 第七章 气相沉积技术1、物理气相沉积（ PVD ）与化学气相沉积（ CVD ）的异同点； 化学气相沉积是将含有组成薄膜的一种或几种化合物气体导 入反应

31、室， 使其在基体上通过 化学反应生成所需要的薄膜的一类薄膜制备方法 物理气相沉积是在真空条件下， 采用各种物理方法， 将固态的镀料转化为原子、 分子或离子 态的气相物质后，再沉积于基体表面从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。2、三种薄膜生长方式的内在原因？ 核生长型，层生长型，核 -层生长型 薄膜与衬底之间晶格常数不匹配， 因而随着沉积原子层的增加， 应变能逐渐增加， 为了松弛 这部分能量，薄膜以核生长型。在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时， 为了降低表面能， 薄膜力图将暴露的晶面改 变为低能面，因此薄膜生长到一定厚度后，有层生长变为核生长。三种方式初期层生长自由能较低，后期核生长自由能

32、较低。3、辉光放电的原理与应用？ 在真空室内安置两个电极，阴极为冷电极，通入压强为0.1Pa-10Pa的气体（通常为 Ar ）。当外加直流高压超过着火电压（起始放电电压）时，气体就被击穿，由绝缘体变成良好导体， 两极间电流突然上升， 电压下降， 此时两极间会出现明暗相间的光层。 这种气体的放电称为 辉光放电，放电产生等离子体。溅射所需要的轰击离子通常采用辉光放电获得。4、能画出真空蒸镀、溅射镀和离子镀三种基本的物理气相沉积方法的原理图。1-真空罩； 2-基片架和加热器； 3-基 片； 4-挡板； 5-蒸发源； 6-至抽空系 统图 7.1 真空蒸发镀膜设备示意图1-阴极屏蔽； 2-高压线； 3-

33、基片 （样品）；4-钟罩；5-阴极（靶）； 6-阳极；7-基片加热器； 8-氩气 入口； 9-加热电源； 10- 至真空1-阳极； 2-蒸发源； 3-进气口； 4- 辉光放电区； 5-阴极暗区； 6-基板 （阴极）； 7-绝缘支架； 8-直流电 源（ 15kV ）；9-真空室； 10-蒸发 电源； 11- 真空系统系统； 11-高压电源直流二极型离子镀示意图二极直流溅射镀膜装置5、能根据原理图分析讨论三种镀膜方法（工艺）的特点、影响因素、彼此的异同点、改进 （善）的工艺类型和应用实例等。电阻蒸发源，电子束蒸发源，激光束蒸发源 三级溅射，磁控溅射，射频溅射1、薄膜有哪些特征？举例说明薄膜的种类和

34、应用？ 薄膜材料具有如下四个主要特征：1. 厚度 薄膜通常具有亚微米级至微米级的厚度。 但是随着制备技术的发展和科学技术的要 求，薄膜厚度范围的内涵也在扩展， 如纳米级厚度的纳米薄膜和近毫米的厚金刚石膜也都被 称为薄膜。2. 有基底支撑 这里所讨论的薄膜是一类依附于固体表面并得到其支撑而存在，并具有与支 撑固体不同结构和性能的二维材料。3. 特殊的结构和性能 由于形成方式的不同，薄膜材料与块体材料具有不同的微结构和性能。例如，块体金属 材料，如 Au 、Al 、Ti 等，通过特殊的压力加工可以形成厚度为微米级甚至更薄的“薄膜” 状。但我们并不把这种材料称为“薄膜”而是称为“箔” ，如金箔，铝箔

35、，钛箔等。因为尽 管它们的厚度与薄膜相当，但它们的微结构和性能却更接近块体材料。4. 特殊的形成方式 薄膜是依靠原子尺度的粒子在另一固体表面生长而成的二维材料，因而通常具有一些特 殊的微结构和性能特征，例如，薄膜内部存在空位、孔隙、位错等缺陷，还会产生很大的内 应力，以及与基体材料结合所形成的界面结合等。1、薄膜的种类 薄膜材料种类繁多，按薄膜本身的特征，可以对其作如下主要分类： 以材料种类划分：有金属、合金、陶瓷、半导体、化合物、高分子材料薄膜等。 以晶体结构划分：有单晶、多晶、纳米晶、非晶以及各种外延生长薄膜。 以厚度划分：有纳米薄膜、微米薄膜和厚膜等以薄膜组成结构划分 ： 多层膜：有由两

36、种或两种以上材料组成的多层薄膜，尤其是以纳米量级 交替生长形成的纳 米多层膜（也称超晶格） 。纳米多层膜有许多物理和力学性能的特异效应而成为目前薄膜研 究的热点之一。梯度膜 : 薄膜的化学成分在厚度方向上逐步变化的梯度薄膜 ; 复合膜：由多相材料组成的具有不同微结构特征的复合薄膜等。薄膜的应用 非常广泛， 按用途大致可分为光学薄膜、微电子学薄膜、 光电子学薄膜、 集成光 学薄膜、防护功能薄膜等六大类。2、物理气相沉积（ PVD ）按沉积薄膜气相物质的生成方式和特征主要可以分为哪几种？（1） 真空蒸镀 镀材以热蒸发原子或分子的形式沉积成膜。（2） 溅射镀膜 镀材以溅射原子或分子的形式沉积成膜。（

37、 3） 离子镀膜 镀材以离子和高能量的原子或分子的形式沉积成膜。在三种 PVD 基本镀膜方法中，气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各 不相同，由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。3、画出示意图说明真空蒸发镀膜的基本原理。真空蒸镀常用的蒸发源有哪些？ 电阻蒸发源，电子束蒸发源，激光蒸发源4、画出示意图说明溅射镀膜的基本原理。工件和靶材的极性？ 靶材：阴极 工件：阳极5、画出示意图说明离子镀膜的基本原理。工件和靶材的极性？离子镀的两个必要条件是什 么？ 靶材：阳极 工件：阴极1.是要在基片前方形成一个气体放电的空间；2. 是要将镀料气化后的粒子（原子、分子及其团簇）引入气体放电空间并使其部

38、分离化。6、简要说明真空蒸镀的入射原子与基片就可能出现哪几种相互作用？（1）反射 入射原子没有将其能量释放，又重新回到空间。（2）物理吸附 入射原子将能量转移给基片而停留在基片上， 并由范德瓦耳斯力与基 片保持较弱的 结合，因而也容易因解吸附而重新返回空间。（3）化学吸附入射原子由物理吸附可进一步转为化学吸附， 其本质是入射原子与基片表面原子形成了 电子共有的化学键。 化学吸附常需要克服能垒， 同样， 解化学吸附也比解物理吸附需要更高 的能量。（4）吸附原子的迁移及与同类原子的缔合 吸附于基片表面的原子仍具有一定的能量，因而是不稳定的，它们可以解吸附，也可 以克服能量势垒在基片上移动， 并寻找势垒更低的位置。 在基片表面上移动的同类原子相遇 时会缔合成原子团，这样有利于体系能量的降低。7、图示说明薄膜的生长有几种类型？分别简要说明每种生长类型的产生机理。a. 核生长型 b. 层生长型c. 层核生长型图 7.5 薄膜生长的三种类型8、什么叫做分子束外延？什么叫做同质外延？什么叫做异质外延？ 在超高真空中 （气压 5m），有时硬质薄膜会自动从基片上剥落。T-基片温度； Tm- 薄膜的熔点。结构因素：溅射粒子的能量（1）溅射电压；真空室气体的压强；靶和基片的距离；（2）基片（工件）温度 基片温度对溅射粒子的