薄膜材料工程学-最终版

1、周春根,薄膜材料工程学,课程主要章节,第一章：序论 第二章：真空技术基础 第三章：薄膜的物理气相沉积 溅射法 第四章：真空蒸发 第五章：薄膜的化学气相沉积 第六章：薄膜的力学性能 第七章：金属薄膜的电导 第八章：薄膜的形成和生长,1薄膜材料制备原理、技术及应用 2薄膜物理,主要参考书,第一章：序论,A:按材料原子的化学结合性质来分：金属材料，陶瓷材料，有机聚合物材料等。 B:按其应用形态来分：体材，板状，线状和膜状等类型的材料。,1材料的分类：,膜状材料分为：薄膜及厚膜材料,薄膜材料是相对于体材料而言，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性能与体材料性质完全不同的物质层。,2：

2、薄膜材料的定义,A:1850年M.Faraday发明了电镀制备薄膜的方法。 B:1852年W.Grove发现了辉光放电的溅射沉积薄膜方法。 C：T.A.Edison在19世纪末发明了通电导线使材料蒸发的物理蒸发制备薄膜的方法。,3：薄膜材料及技术的发展过程：,存在的问题:制备薄膜的真空系统和检测 技术差,所制备的薄膜重复性差。,4：薄膜材料科学迅速发展的原因：,A:薄膜技术是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。 B:构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。 C：薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。,5：薄膜材料的应用

3、:,（1） 薄膜材料的制备手段 （2） 薄膜材料的形核与生长理论 （3） 薄膜材料的表征技术 （4） 薄膜材料的体系、性能及应用,6薄膜材料科学的研究内容：,第二章 真空技术基础,2.1：真空的基本知识,2.1.1真空的定义：,在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气 体状态，均称为真空。,2.1.2真空度的单位,2.1：真空的基本知识,2.1：真空的基本知识,2.1.3真空区域的划分,根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域: 粗真空：11051102Pa. 分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁； 低真空： 11021101Pa.气体分子之间的流动逐渐从黏滞状态向分子状态

4、过渡； 高真空：11011106Pa.气体分子流动已为分子流，气体分子与容器器壁之间的碰撞为主； 超高真空： 1106Pa.气体分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞。,2.1.4固体对气体的吸附及气体的脱附,2.1：真空的基本知识,气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象。 吸附分为物理吸附和化学吸附,2.2：真空的获得,2.2.1真空设备的分类,真空泵属于气体传输泵，即通过将气体不断吸入并派出真空泵从而达到排气的目的；如：旋转式机械真空泵、油扩散泵、复合分子泵。 后四种真空泵属于气体捕获泵，是一种利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除，以达到所需真空度。如：分子筛吸附泵、钛升华泵、

5、溅射离子泵和低温泵。,2.2：真空的获得,凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，就称为机械泵。它是一种可以从大气压开始工作的典型真空泵，它即可单独使用，又可作为高真空泵或超高真空泵的前极泵(图2-1),2.2.2：旋片式机械真空泵,泵体主要由锭子、转子、 旋片、进气管和排气管等组成,图2-1 旋片泵结构示意图,2.2：真空的获得,2.2.3复合分子泵(图22),图2-2分子泵结构示意图,2.2：真空的获得,2.2.4低温泵(图23),图2-3低温泵结构示意图,第二节：真空的获得,极限真空度： 机械泵：10-1Pa 扩散泵：10-5Pa 分子泵：10-6Pa(10-8Pa) 低温泵：10

6、-7Pa(10-8Pa) 溅射离子泵：10-9Pa,2.3真空的测量：电阻真空计,电子真空计是热传导真空计的一种，它是利用测量真空中热丝的温度从而间接获得真空度的大小。其原理是低压强下气体的热传导与压强有关。,图2-4电阻真空计,电阻真空计的结构如图24所示，热丝电阻连接惠斯顿电桥，并作为电桥的一个臂。低压强下加热时，灯丝所产生的热量Q可以表示为： QQ1Q2,2.3真空的测量：电阻真空计,式中Q1是灯丝辐射的热量，与灯丝的温度有关； Q2是气体分子碰撞灯丝而带走的热量，大小与气体的压强有关。 当热丝温度恒定时，Q1是恒量，即热丝辐射的热量不变。 当真空系统的压强降低，即空间中气体分子数减小时

7、，Q2将随之降低,此时灯丝所产生的热量将相对增加，则灯丝的温度上升，灯丝的电阻 将增大，真空室的压强和灯丝电阻之间存在这样的关系P减小 R增大。 所以可以利用测量灯丝的电阻值来间接的确定压强。,第三章 薄膜的物理气相沉积 溅射法,溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。,3.1：辉光放电与等离子体,设有如图3.1那样的一个直流气体放电系统，电极之间由电动势为E的直流电源提供电

8、压V和电流I，并以电阻R作为限流电阻。系统中各电参数之间满足关系： V = E IR 使真空容器中氩气的压力保持为1 Pa，并逐步提高两个电极之间的电压。,3.1.1辉光放电,开始阶段：,当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频的同时，外电路转移给电子和离子的能量也在逐渐增加。电子碰撞开始导致气体分子电离，同时离子对阴极的碰撞也将产生二次电子发射，这些均导致产生出新的离子和电子，即碰撞过程导致离子和电子数目呈雪崩式的增加。这时，随着电流的迅速增加，电压的变化却不大。这种放电过程称为汤生放电（Townsend discharge）,电极之间几乎没有电

9、流通过，因为这时气体原子大多处于中性状态，只有极少量的原子受到了高能宇宙射线的激发产生了电离，它们在电场作用下作定向运动，在宏观上表现出很微弱的电流，如图曲线的开始阶段所示。,汤生放电,电晕放电,在汤生放电的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的光斑，因此，这一阶段称为电晕放电。,异常辉光放电,在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电路的电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。原因是这时的气体已被击穿，因而气体内阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来只集中于阴极的边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电离子的数目大大增加，在碰撞

10、过程中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。电流的继续增加将使得辉光区扩展到整个放电长度上，辉光亮度提高，电流增加的同时电压也开始上升。,3.1.2等离子体,3.1：辉光放电与等离子体,定义：,放电击穿之后具有一定导电能力的气体称为等离子体，它是一种由离子、电子以及中性原子和原子团组成，而宏观上对外呈现出电中性的物质存在形态。,在辉光放电等离子体中，电子的速度，能量远高于离子。 因此，电子不仅是等离子体导电过程中的主要载流子， 而且在粒子的相互碰撞、电离过程中起着重要的作用。,3.1.3 辉光放电中的碰撞过程,3.1：辉光放电与等离子体,等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体 放电

11、的主要微观机制。,（1）电离过程：e- + Ar = Ar+ +2e- （2）激发过程：e- + O2 = O2*+e- （3）分解过程：e- + CF4 = CF3*+ F* + e-,由于M2/M1 + M2近似等于1，而1/2 M1V12正是碰撞到电子的动能，因此非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移给其它质量较大的粒子，如离子或原子，引起其激发或电离。因此电子与其它粒子的非弹性碰撞过程是维持再次放电过程的主要机制。,对于运动着的粒子与静止的粒子之间的碰撞是弹性碰撞,3.2：溅射沉积装置,3.2.1直流溅射,直流溅射又称阴极溅射或二极溅射,3.2.2射频溅射,3.2：溅射沉积装置,射频溅射

12、的工作原理: 交流电源的频率低于50kHz时，气体放电情况与直流溅射唯一的差别是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换，导致溅射交替在两个电极上发生，得不到薄膜。 当频率超过50kHz以后，放电过程开始出现两个变化：,1 沉积速度比二极直流溅射要高 2 可以制备非金属材料膜,射频溅射的优点：,3.2：溅射沉积装置,3.2.2射频溅射,3.2.3 磁控溅射,3.2：溅射沉积装置,总的来说：上面讲到的两种溅射方法具有两个缺点 （1）薄膜的沉积速度较低 （2）溅射所需的工作气压较高。 这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可能性提高。磁控溅射技术就是在克服以上沉积速度低，工作气压高而发展起

13、来的一种沉积技术。,第四章 真空蒸发,4.1 真空蒸发沉积的物理原理,真空蒸发沉积过程由三个步骤组成： 蒸发源材料由凝聚相转变成气相； 在激发源与基片之间蒸发粒子的输运； 蒸发粒子到达基片后凝结，成核，长大及成膜。,。,真空蒸发 优点：操作容易，成膜速度快，效率高等特点； 缺点：结合力差，工艺重复性不好,4.1 真空蒸发沉积的物理原理,主要参数：,蒸发量：根据knudsen理论，在时间dt内，从表面A 蒸发的最大粒子数dN为,其中P是平衡压强，m为粒子质量， R为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。,沉积率： 蒸发粒子在基片上的沉积率则取决于蒸发源的几何尺寸，蒸发源相对基片的距离以及凝聚系数等因素。,

14、考虑蒸发源是一清洁、均匀发射的点源，基片为一个平面，由Knudsen余弦定律所确定的沉积率则随cos/r2而变化。（图4-1）,4.2 真空蒸发技术,真空蒸发系统一般由三个部分组成： 真空室 蒸发源或蒸发加热装置 放置基片及给基片加热装置,饱和蒸气压的概念：在一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡 过程中所呈现的压力称为该物质的饱和蒸气压。,4.2.1电阻加热蒸发,原理： 将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，通过电路中的电阻加热给待沉积材料提供蒸发热使其汽化。,支持加热材料：钨，钼，铊等。 具有高熔点低蒸气压的特点。如图(4-2),图4-2(a)和(b)中蒸发物直接置于丝状加热装置上，加热时蒸发物润湿

15、电阻丝，通过表面张力得到支撑。 图4-2(c)凹箔由钨,铊或钼的薄片制成，当只有少量的蒸发材料时最适合于使用这一蒸发源装置。钨，铊或钼变脆与蒸发材料发生反应等缺点。,支撑坩埚及材料与蒸发物反应； 难以获得足够高的温度使介电材料如Al2O3，Ta2O3，TiO2等蒸发； 蒸发率低； 加热时合金或化合物会分解。,电阻加热蒸发法的缺点：,4.2.2电子束蒸发,原理： 一束电子通过510KV的电场后被加速，最后聚集到待蒸发材料的表面，当电子束打到待蒸发材料表面时，电子会迅速失掉自己的能量，将能量传递给待蒸发材料使其熔化并蒸发。,电子束蒸发技术可以克服电阻蒸发存在许多致命的缺点， 如蒸发物与坩埚发生反应

16、，蒸发速率较低等。,由于与盛装待蒸发材料的坩埚相接触的蒸发材料在整个蒸发沉积过程中保持固体状态；,采用水冷坩埚,使蒸发材料与坩埚反应的可能性降到最低,目的,电子束蒸发系统中，电子束枪是其核心,在热阴极电子束发射类型的电子枪中，真空室压强一定限制在1.310-2Pa或者更低，这样才能合理控制电子束，保证阴极寿命,等离子体电子束蒸发系统：等离子体电子束枪：冷中空阴极枪和热中空阴极枪。,电子束蒸发装置中，靠近蒸发物有一个环状热阴极，电子束沿径向聚焦到待蒸发材料(如图4-4，4-5),另一种热阴极电子发射系统由自加速电子枪组成。电子枪具有一个开有狭缝的阳极，通过狭缝电子直接打向待蒸发物。如图4-6,在

17、这一装置中，电子束通过静电场和磁场聚焦，直径为几毫米的聚焦斑用于蒸发材料。电子枪在高压环境下运行，灵活方便，应用广泛。,4.2.3激光蒸发,原理： 在激光蒸发方法中，激光作为热源使待蒸镀材料蒸发。一般是激光源放置在真空室外部。激光束通过真空室窗口打到待蒸镀材料上使之蒸发，最后沉积在基片上。,激光蒸发技术的优点：,(1) 激光是清洁的，使来自热源的污染减少到最低； (2)由于激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，这样就会减少来自待蒸镀材料支撑物的污染； (3)通过使激光光束聚焦可获得高功率密度激光束，使高熔点材料也可以以较高的沉积速率被蒸发； (4)由于光束发射性较小，激光及其相关设备可以相距较

18、远，在放射性区域，这一特点十分诱人； (5)通过采用外部反射镜导引激光光束，很容易实现同时或者顺序多源蒸发。,第五章 薄膜的化学气相沉积,5.1 化学气相沉积所涉及的化学反应类型,定义： 利用气态的先驱反应物。通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术,化学气相沉积技术所涉及的化学反应类型可以划分为以下几类：,热解反应：,还原反应,氧化反应,化合反应,歧化反应,可逆反应：,5.2化学气相沉积过程的热力学,热力学的理论可以使我们预测特定反应或过程是否可以发生。 从这个角度上来讲，热力学理论是薄膜制备的有力工具。 要预测一个反应是否进行，就必须要知道这个反应的自由能变化。,一个反应表示为：,

19、其自由能的变化为：,由于每种反应物的自由能都可以表示为：,的形式,反应达到平衡时有：,又因：,根据（1）和（2）式有：,为物质实际活度与平衡活度之比。,又因为：,根据此式可以计算反应进行的方向。,热力学分析可以解决的主要问题： 化学反应的可能性 反应进行的条件，方向以及限度。 存在的问题： 它并不能预测反应进行的速度。 热力学分析的基础是化学平衡，但实际的过程是偏离平衡条件的。,化学反应的速度,当一个系统处于非平衡状态时，它就会在自由能下降趋势的驱使下力图趋于平衡。,右图示意的画出某一物从状态1到状态2的化学反应速度。,随着化学的进行，系统的自由能从初始的G1越过G ，变化至终态的G2,C1为

20、反应物的浓度；C2为反应产物的浓度；,当化学反应达到平衡时，r=0,5.3薄膜生长动力学,反应气体扩散通过界面层 气体分子在薄膜或衬底表面的吸附 原子的表面扩散，反应和溶入薄膜晶格之中 反应产物扩散离开衬底表面并通过界面层,薄膜生长过程：,Si在衬底上沉积生长的CVD过程，假定沉积条件满足 反应气体在X方向上通过CVD装置的流速不变 整个装置处于恒定温度条件下 垂直于X的Z方向上，装置的尺寸足够大，看作一个二维问题,5.3.1生长速度的一致性,设点(x,y)处的扩散通量矢量为,体积元内反应物浓度变化率为,最后得到的沉积速度为：,根据此式知，沉积速度见随着距离呈指数下降趋势,提高沉积均匀性采取的

21、措施 提高气体流速和装置的直径尺寸b 调整装置内温度分布，从而影响扩散系数D 的分布,5.3.2温度对沉积速度的影响,设在生长中的薄膜表面形成了界面层，其厚度为，Cg和Cs分别为反应物的原始浓度和其在衬底表面的浓度。扩散至衬底表面的反应物通量为,衬底表面消耗的反应物量为： Js=KsCs,平衡时两个通量应相等，即,当KsD/时，Cs0 扩散控制沉积过程,当KsD/时，Cs=Cg 表面反应控制沉积过程,反应导致的沉积速率为,低温时，R由衬底表面的反应速度(或Ks)控制，变化趋势受,影响。,在高温下，沉积速率受界面扩散系数D控制，随温度变化趋于缓慢,5.4化学气相沉积装置,CVD基本组成部分 反应

22、气体和载气的供给和计量装置 必要的加热和冷却系统 反应产物气体和排出装置,5.5 化学气相沉积的特点,在复杂形状的基体上可得到均匀镀层，具有良好的结合力 镀层的化学成分可以变化，从而获得梯度沉积物 涂层通常具有柱状晶结构 采用等离子或者激光辅助技术可降低化学反应温度 可获得混合涂层 化学气相沉积可在常压下沉积 可控制镀层的密度，纯度,第六章 薄膜的力学性能,薄膜的力学性能主要包括： 附着性能 内应力 弹性、强度和硬度。,6.1薄膜的附着性能,6.1.1附着类型,简单附着是在薄膜和基片间形成一个很清楚的界面，这种附着由两个接触角相互吸引而产生的。其附着能在数值上等于分开单位附着面所需要的功，这个

23、功为：,扩散附着是由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜与基片之间形成一个渐变界面(即在它们之间没有一个清楚的分界面)。 实现扩散附着的方法：基片加热，离子注入法，离子轰击等,6.1.1附着类型,通过中间层附着是通过在薄膜与基片间形成一个化合物中间层而产生附着,通过宏观效应以增强附着的最明显的例子，是机械锁合和双电层吸引。,6.1.1附着类型,双电层吸引是由于在薄膜与基片表面所形成的界面处产生的双电层，异向电荷间的相互吸引，产生双电层的原因是由于薄膜和基片两种材料的费米能级不同，因而在它们相互接触以后，它们之间要发生电子转移，在界面两边聚集起符号相反的电荷。薄膜与基片间单位面积的静电吸引能为,

24、6.1.2附着力的定义,定义：所谓附着力，是表示薄膜以多大的强度附着在基片上,分类： 基准附着力是指笔墨与基片完全接触时在界面处的结合力。这种结合力来源于离子键、共价键、金属键、氢键和范德华力等。 实际附着力是有试验求得的，也称为附着强度。实际附着力由力和能量两个量测定。力是指从基片剥离单位面积薄膜所需要的力。能量是指剥离单位面积薄膜所需要的的能量。即,6.1.3附着力的性质,按薄膜对基片的附着性质，有三种附着力：范德华力、化学键、和静电力。,范德华力是由于两个物体的原 子相互极化而产生的,定向力,诱导力,色散力,化学键力是指在薄膜和基片间 形成化学键后的结合力,离子键,共价键,金属键,6.1

25、.4影响附着力的因素,影响附着力的因素有很多，其中主要有： 材料的性质：对简单附着，用表面能量小的薄膜材料覆盖 在表面能量大的基体上，浸润行为。 基片表面的状态：污染层，结合力差。 基板温度：提高基板的温度，有利于薄膜和基片间的原子扩散。 沉积速度：氮化物沉积层减少，结构疏松，内应力大。 导致薄膜附着力变差。 沉积方式：溅射方式比蒸发方式制得的薄膜结合要好。 沉积气氛：主要发生在薄膜成长的初期，留一定量的氧气和水 蒸气，有利于中间层的生成，使附着力增强。,6.2薄膜的内应力,定义：薄膜内应力是在薄膜内部的任意截面上，由截面的一侧作用于另一侧的单位面积上的力，称为薄膜的内应力。,。,。,薄膜所承

26、受的应力,外应力：是外都对薄膜施加的力。 内应力：在薄膜制造过程中及其以 后，在薄膜内部自己产生的 应力。,内应力包括：,热应力：是由于薄膜和基片的热膨胀系 数不同而引起的。它是可逆的应 力。 本征应力：是来源于薄膜和晶格常数失 配，以及薄膜中的结构缺陷， 是不可逆应力。,6.2.1内应力的分类和起源,内应力的定义：,平均应力：,微分应力：,6.2.2热应力,若薄膜的弹性性质是线性的，则可应用胡克定律表达。,薄膜受到应力以后，要产生应变,应变,弹性形变,塑性形变,滞弹性形变,非线性形变,线性形变,若薄膜是线性弹性的各向同性薄膜， 在应力作用下，薄膜要发生应变。 在X轴和Y轴方向的应变分别为：,

27、若薄膜的应力,则得到：,若其温度T不同于薄膜沉积成的温度Td时，薄膜的热效应为：,将（4）带入（3）即可得出薄膜的热效应为：,综上，从（5）式中可以看出： 要消除薄膜中的热应力 最根本的方法就是选用热膨胀系数相同的薄膜材料和基片材料。 其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。,6.2.3本征应力,本征应力中包含有两部分，即：界面应力和生长应力。 生长应力的来源： 克努斯塔模型：应力来源于小岛的联合。 威尔库克模型：应力来源于薄膜形成过程中的退火作用、体积收缩等。 包依尔模型：应力来源于两相密度之差。 克罗克霍姆模型：应力来源于膜内的各个无序结构层的重排和收缩。 霍夫曼模型：应力来源于晶粒之

28、间的相互作用。,6.2.4弹性能,在薄膜发生弹性形变后，在其中必然储存着有弹性能。 若是弹性能过大，就会导致薄膜开裂，起泡，脱层，严重还能导致基片开裂。同时，需要控制薄膜中的弹性能。,对于厚度为 的薄膜，在其平面的一个方向上，单位面积 薄膜中的弹性能为：,假设薄膜中的内应力在其平面的两个方向上是各向同性的， 则薄膜中的弹性能总共为2Ee，,在薄膜发生断裂时，若其断面垂直于薄膜表面，其断裂后 形成两个新的表面，每个表面的表面能为Ef。因此， 薄膜断裂时的能量,，,称为薄膜发生断裂的临界能量。若薄膜的弹性能,薄膜将会断裂。,6.2.5影响内应力的因素,原材料、薄膜厚度、 薄膜热史。,影响因素,基片

29、情况,沉积过程,薄膜本身,基片材料本身的性质 基片表面状态：影响附着力、影响界面应力 基片温度：基片温度对薄膜的内应力影响很大。因为温度直接影响的吸附原子在基体表面的迁移能力，从而影响薄膜的结构、成分、晶粒尺寸、缺陷数量等。在基片温度较低时沉积的金属薄膜，其本征应力一般为张应力。随温度升高，张应力逐渐减小。,沉积方式、热源温度、 沉积速率、入射角和环境气氛。,6.2.6内应力x射线衍射测定法,用X射线衍射仪测量内应力，得到了广泛的应用。 该法测定薄膜内应力的装置如图所示 ：,其原理是：,算出薄膜的原子间距。,因为薄膜的内应力只在膜面方向，在垂直膜面的方向上内应力为零。因此在垂直膜面的方向上的应

30、变为：,从测得的原子间距d和标准谱给出的原子面间距d0，得出,第七章金属薄膜的电导,按成膜过程分类： 岛状薄膜 网状薄膜 连续薄膜,6.1岛状薄膜的电导,薄膜在形成过程中首先形成的是岛状结构，其岛状薄膜的示意图如下所示：,实际上，岛状薄膜是各种大小不同、形状各异的金属小岛无规则的分布在绝缘基片上形成的 。,主要表现在：岛状薄膜的电导在数值上比连续薄膜小若 干个数量级。 岛状薄膜的电导温度系数为正，其数值较 大。 岛状薄膜的伏安特性只有在低场强下符合 欧姆定律，在高场强下，则是非线性关系。,岛状薄膜的电导与连续薄膜的有着本质的区别。,热电子发射理论， 肖特基发射理论， 活化隧道理论， 允许态间隧

31、道理论和经基片和陷阱的隧道理论。,岛状薄膜的电导规律,6.1.1热电子发射理论,热电子发射理论的核心是： 温度升高时，金属中的电子动能增加。 当电子垂直与金属表面的速度分量增大到大于金属的逸出功时，电子逸出金属表面。 外加电场的作用主要是使电子定向流动。,金属中电荷密度与电子位能分布如下图所示。,图中,是电子在真空中的能级；,是绝对零度时金属的费米能级，,是电子位于正电荷上的级能，即绝对零能级。,从该图中可清楚的看出：,在金属中向表面运动的一个电子的速度分别是,假设,为垂直于金属表面的速度分量，,则电子逸出金属的条件是：,电子从金属中逸出，需要克服逸出功,在温度为T时，,经过一系列理论的推导，

32、得到热电子的发射电流密度为：,从上式可以看出，热电子发射理论能说明薄膜的电导温度系数为正，电阻温度系数为负。,。,但是，对于岛状金属薄膜来说，这个理论有不少严重的缺陷： （1）为引入外加电场的影响。 （2）为考虑位垒 与小岛尺寸即岛间距离的关系,该理论是在热电子发射理论的基础上产生的，给理论的实质是在电子逸出金属小岛表面，需要克服的位垒中，引入了镜像力和外加电场的影响。,6.1.2肖特基发射理论,得到岛状波膜的电导率为：,从上式可以看出， 在弱场强的作用下，因为 很小，岛状薄膜的 几乎与F无关，符合欧姆定律。 在强电场下，因为 较大，而有 这时薄膜的伏安特性曲线显著的偏离欧姆定律，这个结论也与

33、实际情况相符。,存在的问题： 为给出岛状薄膜电导对小岛尺寸及岛间距离的依从关系。 上式给出的电导率值也还远不能符合实际数值。,该理论认为，由于热活化的结果，电子从一个中性小岛移至另一个中性小岛，因而使原来中性的一些小岛带有电荷。在载电小岛和中性小岛间的电子传输则是一个隧道过程。,6.1.3活化隧道理论,这个理论是在1962年由纽盖保尔和维波首先提的，因此有时也称为钮-波理论,这个理论的本质是把载流子的热活化产生机理与隧道效应相互结合起来。,经过一系列的理论推导，得到岛状薄膜的电导率为：,从上式可看出， 活化隧道理论与肖特基发射理论类似，也可以说明岛状薄膜电导率与温度和外加场强的关系。 不同的是：它还能比较正确的说明电导率与小岛尺寸和岛间距离的关系。 存在问题： 认为电子了来自中性小岛，不能解释观察到的大电流。 把活化能和隧道位垒看作是互不相关的，各在不同阶段起作用，与实际情况存在偏差。,6.1.4连续薄膜的电导理论,设有一块薄膜如下图所示，其厚度为d（沿Z轴方向），d的大小为块状材料中电子平均自由程的数量级。,若电子的运动方向与X轴方向成一角度（如下图），则在Z轴方向有一个速度分量。因此，可能在沿X方向的距离小于 处，与薄膜的表面相碰撞。从而干扰了电子沿X轴方向的速度。影响到薄膜的电导率。显然，当薄膜的厚度越小这