第九章 薄膜的性质

1、精选课件薄膜的性质薄膜的性质精选课件薄膜的性质薄膜的性质 进入进入20世纪以来薄膜技术无论在学术上还是在实际世纪以来薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。其中特别应该指出的是下述应用中都取得了丰硕的成果。其中特别应该指出的是下述三个方面。三个方面。 第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。这种薄膜在学术上有重要意义，同的研究开发及其应用。这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。 第二是在集成电路（第二是在集成电路

2、（IC、LSI）等电子工业中的应用。等电子工业中的应用。一个显著成果是外延薄膜生长。特别是随着电路的小型化，一个显著成果是外延薄膜生长。特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。虽然这种非平衡过程也有缺点，的非平衡特征非常明显。虽然这种非平衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物

3、质。这些都是很突出但可以制备普通相图中不存在的物质。这些都是很突出的优点。的优点。 在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。这种效应称为尺寸效应。在粉末、微粒子等状态中也发这种效应称为尺寸效应。在粉末、微粒子等状态中也发现有这种效应。现有这种效应。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 熔点降低熔点降低 干涉效应干涉效应 表面散射表面散射 平面磁化各向异性平面磁化各向异性 表面能级表面能级量子尺寸效应量子尺寸效应 对于薄膜来说在厚度这一特定方向上，尺寸很小，对于薄膜来说在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续而

4、且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 在此考虑半径为在此考虑半径为 的固体球。考虑此球与其外侧相（液的固体球。考虑此球与其外侧相（液体）的界面能，求块体体）的界面能，求块体(buk)材料熔点材料熔点 和小球熔点和小球熔点 之之间的关系。间的关系。rmTsT设：固设：固-液相间的界面能为液相间的界面能为 固体的熔解热为固体的熔解热为 熔解过程中熵的变化熔解过程中熵的变化 固体的密度为固体的密度为LS精选课件薄膜的性质薄膜的性质 当质量为当质量为 的物质熔化变为液体球

5、的表面积产生的的物质熔化变为液体球的表面积产生的 变化变化 ，其热力学平衡关系式如下：，其热力学平衡关系式如下：dWdA0sLdWTSdWdA 对于体材料：对于体材料：0mLdWTSdW 将将 ， 代入上式，得到代入上式，得到mSL T2dAdWr20msmTTTLr半径越小，半径越小， 越低。越低。msTTsT精选课件薄膜的性质薄膜的性质 以以Pb为例：为例：233 erg/cm1.1 kcal/molL 311.3 g/cm当当 时，时，710 cmr150 KmsTT当当 时，时，610 cmr15 KmsTT 尽管上述讨论是固体尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体液体系统，对于固体-

6、气体系统仍气体系统仍有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。 置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根据斯奈尔折射置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根据斯奈尔折射定律和菲涅耳公式进行推导和计算。定律和菲涅耳公式进行推导和计算。 但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是相当复杂的，下面以由单层透明薄膜和透明基片组成的系统相当复杂的，下

7、面以由单层透明薄膜和透明基片组成的系统为例，给出为例，给出垂直入射垂直入射时反射率的公式，这是研究更复杂系统时反射率的公式，这是研究更复杂系统的基础。的基础。 透射率可由反射率直接计算。透射率可由反射率直接计算。精选课件薄膜的性质薄膜的性质空气的折射率空气的折射率单层膜的折射率单层膜的折射率单层膜的膜厚单层膜的膜厚基片的折射率基片的折射率空气空气薄膜交界面的振幅反射率薄膜交界面的振幅反射率空气空气薄膜交界面的振幅透射率薄膜交界面的振幅透射率薄膜薄膜基片交界面的振幅反射率基片交界面的振幅反射率薄膜薄膜基片交界面的振幅透射率基片交界面的振幅透射率薄膜内光的位相变化薄膜内光的位相变化假设：假设：0n

8、ndsn1r1t2r2t精选课件薄膜的性质薄膜的性质 对特定波长的反射率为对特定波长的反射率为 与薄膜系统的折射率和薄膜内与薄膜系统的折射率和薄膜内相位的变化有关。相位的变化有关。 相位的变化为相位的变化为 ，由此可以确定薄膜厚度。，由此可以确定薄膜厚度。R222ssnnRnn4/nd4(21)ndm42ndmm为正整数为正整数在此条件下，有在此条件下，有20sRnn反射停止条件反射停止条件精选课件薄膜的性质薄膜的性质 布拉格反射器应用广泛。布拉格反射器应用广泛。 原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又取决于层状结构的周期性。取决于

9、层状结构的周期性。22213221311NlNlnnnnRnnnn1n2n3nln当当 足够大时，反射率趋于足够大时，反射率趋于1 1。N精选课件薄膜的性质薄膜的性质 增透膜，高反膜，干涉滤光膜等增透膜，高反膜，干涉滤光膜等精选课件薄膜的性质薄膜的性质 研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是Sondheimer建立的，该理论描述了关于表面以及尺寸效应建立的，该理论描述了关于表面以及尺寸效应对电导的影响。对电导的影响。 Sondheimer假定，在和表面相碰撞的电子中，发生弹假定，在和表面相碰撞的电子中，发生弹性碰撞的几率性碰撞的几率 （ ），发生非

10、弹性碰撞的几率为，发生非弹性碰撞的几率为( )。在这种边界条件下，求解关于电子分布的波耳兹在这种边界条件下，求解关于电子分布的波耳兹曼方程，并计算出分布函数。曼方程，并计算出分布函数。p01p1p精选课件薄膜的性质薄膜的性质 在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的弛豫时间弛豫时间 ，电场方向在膜表面之内，并取电场的方向为，电场方向在膜表面之内，并取电场的方向为 方方向，与膜表面垂直的方向为向，与膜表面垂直的方向为 方向，分布函数方向，分布函数 为：为： 在在 方向的电流密度方向的电流密度 和分布函数之间的关系为和分布函数之间的关系为0

11、xz( ,)xf z vxxj3( )2xxvmjzev dvh式中，式中，e为电子电量，为电子电量，m为电子质量，为电子质量，h为普朗克常数。积分为普朗克常数。积分范围是在速度空间的全部体积内进行。范围是在速度空间的全部体积内进行。2363 (1)11121sskkpkedsssps 精选课件薄膜的性质薄膜的性质式中式中 ， 为薄膜厚度，为薄膜厚度， 为膜厚无穷大时电子的平均为膜厚无穷大时电子的平均自由程。自由程。 为膜厚无穷大时的电导率。为膜厚无穷大时的电导率。kd ldl 在在 的条件下，可以近似为的条件下，可以近似为1k3(1)3(1)1188p lpkd 即即 和和1d之间近似直线关

12、系。在这里之间近似直线关系。在这里 是至关重是至关重要的，表面散射的效应反映在要的，表面散射的效应反映在 中。中。 这种效应也能从电阻温度系数、霍耳系数、热电能、电这种效应也能从电阻温度系数、霍耳系数、热电能、电流磁场效应反映出来。流磁场效应反映出来。1p p精选课件薄膜的性质薄膜的性质sindsHI 铁磁性薄膜内部的磁化方向，一般都位于膜面之内。铁磁性薄膜内部的磁化方向，一般都位于膜面之内。而且，在膜面内都有一个确定的磁化方向。这种性质称为而且，在膜面内都有一个确定的磁化方向。这种性质称为平面磁化各向异性。平面磁化各向异性。 这种平面磁化产生的原因，是由于退滋场引起的静磁这种平面磁化产生的原

13、因，是由于退滋场引起的静磁能。能。 设自发磁化的大小为设自发磁化的大小为 ，其方向与表面的夹角为其方向与表面的夹角为 ，则退磁场则退磁场 可由下式给出可由下式给出sIdH精选课件薄膜的性质薄膜的性质退磁场产生的静磁能为退磁场产生的静磁能为22200sin22sdsEHI 由于由于 时，时， 最小；最小； 时，时， 最大。所以位最大。所以位于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。 磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程

14、中磁场等因素所决定的。素所决定的。0sE/2sE精选课件薄膜的性质薄膜的性质 薄膜中的磁畴不能完全是单一的，往往会分成若干个磁薄膜中的磁畴不能完全是单一的，往往会分成若干个磁畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。 如果薄膜的厚度小，这种翻转也会在膜面内发生，这种如果薄膜的厚度小，这种翻转也会在膜面内发生，这种磁畴壁称为奈尔畴壁磁畴壁称为奈尔畴壁(Neel wall)； 如果膜层很厚，磁化翻转会在与膜面垂直的面内发生，如果膜层很厚，磁化翻转会在与膜面垂直的面内发生，这种磁踌壁称为布洛赫畴壁这种磁踌壁称为布洛赫畴壁(Bloch wa

15、ll)。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 这种计算方法的要点：在固体内部，描写电子态的波这种计算方法的要点：在固体内部，描写电子态的波函数是周期性波函效，而在固体外侧，电子态的波函数是函数是周期性波函效，而在固体外侧，电子态的波函数是呈指数衰减的，使这两个波函数平滑连接所得到的函数即呈指数衰减的，使这两个波函数平滑连接所得到的函数即为表面电子态波函数。为表面电子态波函数。 在固体的表面，原子周期排列的连续性发生中断。在在固体的表面，原子周期排列的连续性发生中断。在这种情况下，电于波函数的周期性当然也要受到影响，这种情况下，电于波函数的周期性当然也要受到影响，Tamm和和shockley把表面考虑在

16、内计算了电子波函数。把表面考虑在内计算了电子波函数。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 由于该波函数产生了新的约束条件，因此，在完全按由于该波函数产生了新的约束条件，因此，在完全按周期性条件求解的能隙中会出现几个电子态能级，这种电周期性条件求解的能隙中会出现几个电子态能级，这种电子态能级称为表面能级（表面电子态）。子态能级称为表面能级（表面电子态）。 表面电子态是指局域在表面的电子态，其能量位于体表面电子态是指局域在表面的电子态，其能量位于体材料能带的禁带中。材料能带的禁带中。 由于固体中的电子相互作用极为复杂，通常采用近似由于固体中的电子相互作用极为复杂，通常采用近似方法。具体计算常采用固体物理中

17、的研究单电子能带的方方法。具体计算常采用固体物理中的研究单电子能带的方法：法：近自由电子近似（近自由电子近似（NFE），），Shockley能级能级紧束缚近似（紧束缚近似（TBA），），Tamm能级能级徐亚伯著徐亚伯著. 表面物理导论表面物理导论. 浙江大学出版社，浙江大学出版社，1992. Pp212-231精选课件薄膜的性质薄膜的性质 表面态的数日和表面原子的数目具有同一数量级，表面态的数日和表面原子的数目具有同一数量级，象薄膜这种表面影响大的固体，表面能级数量会影响薄象薄膜这种表面影响大的固体，表面能级数量会影响薄膜内的电子输运状况。特别是在半导体等载流子少的物膜内的电子输运状况。特别是在半导体等载流子少的物质中，会产生很大的影响。质中，会产生很大的影响。精选课件薄膜的性质薄膜的性质 传导电子的德布罗意波长，在普通金属中是几个埃，在传导电子的德布罗意波长，在普通金属中是几个埃，在金属铋（金属铋（ Bi ）中为几百埃。）中为几百埃。 在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值。由此会对电子的输运现象运动相关的能量将取分立的数值。由此会对电子的输运现象产生影响，和德布罗意波的干涉相关连的效应一般称为量子产生影响，和德布罗意波的干涉相关连的效应一