第一讲 薄膜与高新技术

1、第一讲薄膜与高新技术,薄膜的定义和特性薄膜与高新技术薄膜的分类,本讲内容,1.1薄膜的定义,薄膜的定义和特性,1.1薄膜的定义,薄膜thinfilm，layer,coating,foil当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时厚度定义：膜层无基片而能独立成形的厚度-薄膜厚度上限，与材料的力学性质相关功能定义：与具体研究的性能有关,薄膜的定义,1.1薄膜的定义,Langmuir-Blodgettfilms,SAMFET,Ref:Schon,etal.,natureVol.413,pp.7132001,Self-AssembleMonolayer,Others.,薄膜的特性,薄膜材料有

2、一个最为显著的优点:在保留基体材料原有特性的同时赋予其多种优良特性.,金属+陶瓷膜塑料+金属膜轻金属+超硬薄膜,既有刚性又耐磨,绝缘材料金属化(导电薄膜),实现汽车等的轻量化,正是由于这些特点，在工业上得到了广泛地应用,硬質耐摩陶磁薄膜,高靭性、高強度金属基体,高機能材料,这解决了许多难题,使以前矛盾的不可兼有的特性可以同存一体,薄膜的特性,用料少，经济方面考虑新的效应新的材料容易实现多层膜薄膜和基片的粘附性薄膜的内应力缺陷,1.薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond,2.新的效应某一维度很小、比表面积大例：极化效应、表面和界

3、面效应、限域效应、耦合效应,类金刚石薄膜最具工业应用前景最热门话题最具魅力的薄膜材料DLC(Diamondlikecarbon),特点,因其具有非晶质结构表面极其平滑摩擦系数很低(空气中约0.1)具有极好的润滑性高硬度(HV30005000)高耐磨性绝缘膜,金刚石,石墨,类金刚石薄膜(DLC),是工具、模具及摩擦运动零部件表面改性的理想材料,DLCcoatedamagneticthin-filmdisk,Thesurfaceofstretched(12%)videotapewithDLC-layerwithathicknessof30nm.,Thesurfaceofstretched(12%)

4、videotapewithoutDLC-layer.,PhotoluminescencespectraofaseriesofGaN/AlxGa1-xNdoubleheterostructures(DHs),Phy.RevB,57,R9435(1998),可以通过改变薄膜的厚度或者外加偏压来调节发光的波长,表面和界面效应：表面态和界面态改变缺陷能级上的电子分布影响光电过程,限域效应,出现亚能带，d较小时产生能隙,通过退火控制带隙,Science，306，1915（2004）,Tc(blacksoliddots)andthedensityofstates(redstars)asafunctiono

5、fPbfilmthickness,MgO/ZnO多层膜耦合效应,MgO1.0nm，ZnO层厚度分别为：0.75nm1.25nm2.0nm2.5nm,Appl.Phys.Lett.83,2010(2003),3.可以获得常态下不存在的非平衡和非化学计量比结构Diamond:工业合成,2000，5.5万大气压,CVD生长薄膜:常压，800度.MgxZn1-xO:体相中Mg的平衡固溶度为0.04,PLD法生长的薄膜中，x可01.a-Si1-xNx:H,4.容易实现多层膜,多功能薄膜：太阳能电池超晶格：GaAlAs/GaAs,5.通常存在大量的缺陷,ChemicalVaporDeposition(CV

6、D)Molecularbeamepitaxy(MBE)，MetalorganicChemicalVaporDeposition(MOCVD),溅射、蒸发、微波、热丝、sol-gel、电沉积,基板温度越低，点缺陷和空位密度越大,成核取向不一样,薄膜与高新技术,互联网与薄膜技术,采集、处理信息及通信网络设备中，都需要数量巨大的元器件、电子回路、集成电路等。而薄膜技术是制作这些元器件、电子回路、集成电路的基础。,互联网与薄膜技术,接近人类步行方式、能表现感情的机器人的实现，薄膜起着举足轻重的作用。,PDP等离子壁挂电视,制作PDP的关键是在对角线1m以上大尺寸玻璃板表面形成数以百万计的放电胞。,PD

7、P等离子壁挂电视,放电胞的节距一般为200400m，胞间障壁宽度为50m，高150m。汇流电极由透明导电膜作成，选址电极由Cr-Cu-Cr、Cr-Al、Ag膜作成。为保证电极寿命，需要在前玻璃基板表面涂敷MgO保护膜。要制作这些电极及各种膜层，显然离不开薄膜技术及微细加工技术。,发展迅猛的TFT-LCD,薄膜晶体管（TFT）与显示像素,一个像素的大小大致在数十微米，薄膜晶体管的特征尺寸一般为35m。制作TFT需要在玻璃基板上形成非晶硅或多晶硅半导体膜，还要形成源极、栅极、漏极，每个像素都要有共用电极和显示电极(ITO膜)。此外还需要产生RGB三原色的滤色膜等。所有这些都离不开薄膜技术和微细加工

8、技术。,发展迅猛的TFT-LCD,TFT-LCD制成品中的一个显示像素,近年来，TFT-LCD在提高辉度、增大视角、提高图像分辨率、响应速度及增大画面尺寸等方面都获得突破。作为平板显示器的代表，液晶显示器在便携类产品（包括手机、数码相机等)、笔记本电脑、监视器、家用电视及超大屏幕显示器等领域的应用正迅猛扩展。,生物计算机与薄膜技术,科技前沿课题之一：制作与人类大脑相近的记忆（存储）系统，实现人工智能。关于记忆，己由硅半导体等构成的存储器来实现。但到目前为止，还未达到具有创造能力和人工智能的水平。目前，科学工作者正通过小鼠及兔子的小脑等神经细胞的培养，以实现神经网络功能。进行这项研究，离不开薄膜

9、技术。,生物计算机与薄膜技术,若在平面上（阱中）培养，神经纤维会向四面八方伸出。在沟槽的位置，神经纤维会在沟槽中生长。这样，随着神经纤维沿沟槽生长，神经细胞之间实现接触、连接，进而形成回路网络。,利用薄膜技术在石英板上制作150m见方的阱（well）以及连接阱的10m深的沟槽，再在阱中放置大白鼠脑的海马神经细胞。,7天培养后，神经细胞的生长情况,生物计算机与薄膜技术,采用荧光显微镜对细胞、内的钙离子浓度进行了观察。发现细胞中标有位置的亮度，大致以10s左右为周期，发生周期性变化，说明细胞是有生命活动的。随着这种生物计算机技术研究的进展，实现相当高度的智能化已不是梦想。,正在进展中的人造大脑,4

10、Gb的集成电路需要在大约15cm见方的芯片上，制作40亿个三极管及其他元件，决定其最小加工尺寸的三极管栅长为01m。若将其扩大1万倍，相当于在150m见方，即足球场那么大的广场上，布置40亿个1mm见方的三极管，且其定位精度要保证在03mm以下，可以想象难度有多大。然而，采用薄膜技术就能胜任。,微机械使重症患者起死回生,由多种部件构成极微小型的微电子机械系统(microelectronicsmechanicalsystem，MEMS)：超微型马达加上各种各样的执行机构（传感器、流量计、泵、x、y、z三维方向的微动系统、计测器等）。,直径1mm，长2mm,中心转子直径50m，整体为0.1mm见方

11、,微机械使重症患者起死回生,利用薄膜技术等制作出各种各样的超小型手术微机械，将其置于微密封舱（capsule）中，送入血管及内脏中，靠外部监控导入患部，完成手术并返回。在微密封舱中，装有与外部通信联络、相当于人的眼睛和耳朵的传感器等，以及十分完善的手术系统。这为完成动脉硬化、脑血栓等手术开辟了光明的前景，这种微机械有望挽救重症患者的生命。,实现MEMS的薄膜与微细加工技术,小圆镜：背面电极加有正、负电压时，发生相应的左、右倾斜（静电驱动）。小圆镜的倾斜频率极快，可达每秒3000次。通过该镜可使激光等反射，对目标物表面进行快速扫描，进行表面计量等。激光加工机中也采用这种静电型二维扫描仪。,静电型

12、二维扫描仪：大小：1.3mml.3mm；中间小圆镜：直径500m。,实现MEMS的薄膜与微细加工技术,微型多反应器：在45mm28mm的小型匹配箱中，设置96个大小为2mm2mm，深0.5mm的小型生化反应器。各个反应器可以在室温到100C范围进行温度调节，总体上可以设定数百种反应条件。其温度监测采用的是薄膜温度传感器。这种小型反应器可广泛应用于生化反应研究。例如，为了解细胞分裂等生化反应的动态过程，可在透射光照射下进行在线观测。,实现MEMS的薄膜与微细加工技术,高精细喷墨打印机：可对数码相机等拍摄的照片等进行高分辨率打印，清晰光洁。关键是打印头：在每一毫米的长度上，大约分布有30个打印孔，

13、制作这种打印头离不开薄膜及超微细加工技术。墨汁由供墨口进入，由喷墨口喷出，并在纸上印刷。高质量印刷的关键是喷墨口的大小：直径大约为10m。,薄膜制作简介,薄膜制作简介,真空蒸镀法（evaporation）：将被蒸发材料（镀料）置于坩锅中，通过加热使镀料熔化蒸发，蒸发的镀料则以分子或原子状态飞出，沉积在温度相对较低的基板上，形成薄膜。,薄膜制作简介,在基板上加有负电压，这样，在薄膜沉积的同时伴随有加速离子的碰撞轰击。离子镀中镀料蒸气射入基板时所带的能量可以达到真空蒸镀时的数万倍，由此为改善膜层的各种特性提供了可能性。,离子镀（ionplating）：在坩锅和基板之间，通过不同方式（图中所示为直流

14、二极方式）产生等离子体，镀料蒸气通过该等离子体时被部分离化。,薄膜制作简介,薄膜制作简介,飞出的原子或分子沉积在与靶对向放置的基板上，形成薄膜。通常，由靶表面飞出的被溅射原子或分子的速度是蒸镀原子的50倍左右。,溅射镀膜法（sputtering）：利用气体放电等离子体中产生的离子（通常为氢离子），轰击镀料靶的表面，产生溅射现象，使靶表面的原子或分子被碰撞飞出。,薄膜制作简介,由于CVD利用的是基板表面发生的反应，反应气体也能浸透到深孔等内部，因此在表面形状复杂的工件上也能均匀成膜。,化学气相沉积法（chemicaIvapordeposition,CVD）：将含有欲成膜元素的气体，输运至被加热到

15、几百度高温的基板表面，通过热分解、氧化、还原、置换等化学反应，析出所需要的成分并沉积成薄膜。,原子的人工组装,薄膜技术的未来目标之一:在物体上所希望的位置，去除不需要的原子，或安装所希望的原子，通过原子的人工组装实现超高密度器件。,原子的人工组装,扫描隧道显微镜（scanningtunnellingmicroscope,STM）：可实现原子的人工组装,采用金属尖探针（tip），使其与样品接近到12nm的程度。这一距离是tip与样品原子的电子云相重叠的距离。在tip和样品之间施加微小电压，就能流过微小电流（nA级）。保持该电流一定，即保持tip表面与样品表面的距离一定，使tip在x、y、z方向移

16、动，即沿样品表面扫描。tip尖端按图中所示进行扫描，就可以探知表面原子的位置和排布。,原子的人工组装,扫描隧道显微镜（scanningtunnellingmicroscope,STM）：可实现原子的人工组装,tip和样品之间施加略高些的电压：在tip电场作用下，样品一侧的原子受tip吸引，脱离样品表面。若将tip向预定的场所移动，再施加相反方向的电压，则被移动的原子脱离tip尖端，落到所定的位置，由此实现单个原子的移动。,原子的人工组装,STM人工操作原子实例,碳纳米管和富勒烯,碳纳米管（carbonnano-tube,CNT）和富勒烯是纳米材料的典型,碳纳米管（CNT）和富勒烯,CNT的用途

17、广泛,替代铜线；生产超强度纤维：目前已知最强的纤维是蜘蛛丝，其强度是钢铁的5倍，由CNT制作的纤维堪与极强的蜘蛛丝相嫡美；制作“太空梯”的缆绳；在CNT上外加电压，其端部会发射电子。将数百万根CNT并排布置成平面状，可构成平板显示装置；可制作太阳能电池；CNT还有半导体特性，若能形成三极管及布线等，则有可能制成新的元器件。在计测系统中采用CNT，可提高系统的性能和计测精度。燃料电池的电极若采用CNT，其输出功率可提高20。,薄膜的分类,电学薄膜光学薄膜保护膜有机分子膜装饰用膜、包装膜,电学薄膜：半导体器件与集成电路中的导电材料与介质薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、Cu、多晶硅、硅化物、SiO

18、2、Si3N4、Al2O3超导薄膜：YBaCuO、BiSrCaCuO、TlBaCuO光电子器件中使用的功能薄膜：GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H、a-SiGe:H,a-SiC:H等晶态和非晶态薄膜,薄膜传感器：可燃性气体传感器SnO2、氧敏传感器ZrO2、热敏传感器Pt,Ni,SiC、离子敏传感器Si3N4,Ta2O5薄膜电阻、电容、阻容网络与混合集成电路，低电阻率：Ni-Cr，高电阻率:Cr-SiO、薄膜电容：Zn，Al薄膜太阳能电池:非晶硅、微晶硅、CuInSe2,CdTe,平板显示器件：液晶显示、等离子体显示、电致发光显示ITO透明电极，ZnS:Mn发光膜表面声波

19、器件薄膜：diamond、ZnO、Ta2O3、AlN表面声波元件磁记录薄膜与薄膜磁头：CoCrTa、CoCrNi、FeSiAl、巨磁阻材料静电复印材料：Se-Te、SeTeAs、a-Si,光学薄膜：减反射膜：相机、摄像机、投影仪、望远镜等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3，红外设备镜头上的ZnS，CeO2，SiO反射膜：太阳能接收器、镀膜反射镜、激光器用的高反射率膜分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上镀膜玻璃：建筑、汽车隔热光存储薄膜：光盘、唱片：Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo集成光学元件与光波导中的介质薄膜与半导体薄膜,保护膜：硬质膜：刀具、磨具表面的TiN，TiC，金刚石、C3

20、N4，c-BN耐腐蚀膜：非晶镍膜，不锈钢膜，抗热腐蚀的NiCrAlY等润滑膜：MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni，Au，Ag，Pb,薄膜材料研究现状新型半导体薄膜：GaN，SiC，ZnO，diamond，GeSi，a-Si:H改进工艺，降低成本，研究新的应用超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4，BCN纳米薄膜材料超晶格和量子阱薄膜无机光电薄膜材料：III-V，II-V,Spintronics薄膜、稀磁半导体薄膜ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn有机薄膜微电和光电材料（OLED）需要提高效率和可靠性High-K、Low-K材料更快的速度、更高的集成度、更低的能耗，含氟氧

21、化硅、HfO2、ZrO2高温超导和巨磁阻,薄膜材料可以赋予基体材料多种多样的物理、化学、光、电、磁等特性,这种具有各种特殊性质的薄膜材料常被称为功能薄膜材料。,力功能薄膜材料（超硬薄膜材料超润滑薄膜材料）磁功能薄膜材料（高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料）光功能薄膜材料（红外反射薄膜材料隐身薄膜材料）电功能薄膜材料（超导薄膜材料）,功能薄膜材料,功能薄膜材料,薄膜材料同时还是纳米材料的一个重要分支,是目前材料领域的一个异常活跃的研究方向.,纳米的含义nano10亿分之一1纳米10亿分之一米人头发的截面积50000纳米人类的眼睛(不借助其它仪器)可见的最小尺寸断面10000纳米10个H原子排列成一排1纳米,纳米薄膜材料,纳米科学-研究至少在一维方向上其尺度在1100纳米的分子和组织的基本原理纳米结构-至少在一维方向上其尺度在1100纳米的分子和组织组成的结构纳