F-5(性质)第二部分_薄膜物理与技术第四章

着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法§1.薄膜的力学性质主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦系数等着重学习：附着、应力、硬度一、薄膜的附着•定义：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。•重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。•附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。第二部分第4章薄膜的基本性质1、附着机理三种附着机理：•范德华力,化学键力,薄膜——基片间静电引力（1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生包括：定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相互作用力特点：•与静电引力相比，范德华力是短程力•与化学键相比，范德华力是长程力（2）化学键力：薄膜——基片之间形成化学键的结合力包括：离子键、共价键、金属键化学键力的产生机制：价电子发生转移，形成化学键•化学键力属短程力•化学键能1.2~11eV（3）薄膜——基片间的静电引力•须在界面两边积累空间电荷，或扩散的原子带有异号电荷才会有静电引力•静电引力形成的原因：薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发生电子转移。2、影响附着力的因素•膜料与基片的组合有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、衬底加温或制备过渡层。•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差•基片温度的影响温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间化合物温度过高——晶粒变粗会影响附着•溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好3、提高附着力的方法（1）严格清洗基片（2）蒸镀膜前真空中离子轰击处理（3）适当提高基片温度（4）制备中间过渡层（5）用溅射法（6）离子束轰击薄膜4、薄膜附着力的测量方法•拉张法•胶带剥离法•划痕法•超声波法二、薄膜的内应力1、物理意义（定义）薄膜内部任一截面单位面积所受的另一侧所施加的作用力称应力.外应力——薄膜受外力作用而产生的应力内应力——薄膜本身的原因所引起的应力2、内应力相关的实验现象（1）蒸发过程中自然升温引起的热应力可忽略（2）基片处室温制膜后剧冷或加热到某温度以上；基片加温制膜后冷却，引起的应有时不能忽略（3）化合物薄膜的应力比金属膜的应力小1~3数量级（4）小于500Å，内应力大些，大于1000Å后，应力较小（5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）3、内应力产生的原因（1）薄膜和基片热膨胀系数不同（2）结晶温度以下的冷却和热收缩（3）相变过程（液→固；非晶→结晶）（4）薄膜——基片晶格失配（5）小岛合并（6）杂质影响三、薄膜的硬度1、定义薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形变的能力。2、硬度的测量方法金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不同）。（1）硬度的几种名称•维氏（Vickers）硬度（136度）•库氏（Knoop）硬度（172.5度）•布氏（Brinell）硬度§2薄膜的电学性质着重研究：•电阻率ρ、电导率σ的大小•薄膜成份对ρ、σ的影响•掺杂、杂质、缺陷的影响•环境温度、热处理的影响•电场的影响一、不连续薄膜的导电性质•不连续膜：孤立小岛构成的薄膜1、三种典型研究实例——由ρ或σ与d、T、E的关系发现薄膜的某些电学现象（1）Rs-d关系：如图：膜厚d=10~100Å，Au膜Rs的变化可见：•Rs随膜厚增加而减小（10Å时达1013Ω）•70Å时，Rs突然大降——表明由不连续成为连续膜进一步研究ρ~T关系知：•连续薄膜具金属的温度特性（T上升，ρ上升）•不连续薄膜具半导体温度特性（T上升，ρ下降）（2）～关系：如图：不同膜厚Pt膜电导率——温度关系结果表明：•在250~300k范围内，lnσ与有很好的线性关系•T高时，σ也高；膜越薄，T对σ的影响越大揭示：导电机理与热激活有关ln～T1T1（3）Ni膜σ~的关系如图：不同T下，σ~的关系结果显示：•室温下，σ随E变化不明显•低温下，有明显变化•低温下σ~关系是非线性的说明：导电具有肖特基效应以上研究方法也可用于半导体膜、功能材料薄膜研究EEE2、不连续金属膜的特点（1）ρ很大，且随d变化显著（2）ρ与T有关，温度系数为负值（3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈非欧姆性导电（4）高电场下，有电子发射或光发射现象3、不连续膜的导电机理•由孤立小岛构成，却显一定导电能力•导电能力与温度有关暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关两种理论解释模型：（1）热电子发射模型小岛受热后，电子动能的垂直分量大于金属材料功函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一小岛俘获，产生电导。热电子发射产生的电导表达式如下；其中，h——普朗克常数；m——电子质量Φ——功函数；b——小岛间距（Å）K——玻尔兹曼常数；ε0——介电常数。]/)2(exp[340232KTtbebThkme（2）热激活隧道效应模型•金属小岛间产生势垒，电子能量低于势垒高度，据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。•电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。——只有热激活的电子才能克服库的作用力而穿过隧道，此模型导出的公式：KTWABKTBKTKTebBhmeexp)exp()sin(82123其中，b为小岛间距（Å）Φ---隧道区域内功函数平均值A=B=M——电子质量S为小岛间的有效间距热能r为发射电子的小岛的半径rsreW211402mhs24212A二、连续薄膜的电学性质•微观结构比不连续膜致密得多•微观缺陷比块材多1、连续薄膜导电性质的特点（1）ρ与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大（2）ρ随膜厚增大而减小，并趋于稳定值（3）薄膜的ρ大于块材的（4）ρ与制备工艺有关2、原因•薄膜内缺陷浓度大大超过块材的•表面散射效应§3薄膜的光学性质1、主要研究•透射率T，反射率R，吸收系数α，折射率n•光学带隙Eg•光致发光性质（PL）•电致发光2、薄膜光学性质的应用•透明导电膜（ITO、ZnO等）•减反射层（太阳电池）•红外窗口材料•发光器件（紫外、兰光、可见光）•单向可见玻璃•光学元件、波导元件等3、光学性质的研究手段•UV——可见光分析测试仪（T,R→n,α,Eg）•椭偏仪（可变频的）•PL参考文献：A.Ohtomo,APL72(1998)24664、薄膜光学性质中的一些实验规律•薄膜的折射率比块材的小•表明：结构比块材疏松•刚蒸发的薄膜的折射率可能比放置一些时后或老化后的小表明：刚制备的光学性质不够稳定老化或放置后光学密度变大•热处理可促使光学性质稳定化•工艺条件对薄膜的光学性质有影响