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1、中国石油大学(华东),气 相 沉 积 技 术,专业班级：材料物理081-3 开课单位：材料物理系 任课教师：韩 治 德,上次课主要内容回顾,高能束表面改性特点11 五种激光表面处理工艺11 三种高能束表面改性的特点比较 离子注入概念11 表面扩渗11、表面淬火热处理、高密度太阳能表面处理11、表面形变强化的概念,日常所见的器具,门把手,门把手,玩具,奖杯,精美的刀叉,精美的刀叉,气相沉积技术概述,薄膜制备技术之一，利用气相中发生的物理、化学过程，在材料表面形成具有特殊性能的金属或化合物覆层的工艺方法 薄膜在上一世纪得到了迅猛发展（前图） 思考的问题：膜有厚有薄，多厚算薄膜？薄膜有哪些特征？薄膜
2、有哪些种类？有哪些应用？是怎么制备出来的？,定义,一类用特殊方法获得的，依靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的二维材料，一般指厚度为 100nm25m的膜层,薄膜的特征,厚度：薄膜通常具有亚微米级至微米级的厚度,纳米晶多层膜,金刚石薄膜,金刚石薄膜刀具,透明金刚石薄膜,薄膜的特征,有基体支撑：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,手机贴膜,手机贴膜,塑料膜,薄膜的特征,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,金箔,一次性铝箔餐盒,钛箔,铝箔封口片,薄膜的特征,特殊的形成方式：依靠原子尺度粒子在另一固体表面生长而成
3、的二维材料,典型的TiO2薄膜扫描电镜图片,Al2O3薄膜表面形貌扫描电镜观察,薄膜的分类,膜的用途或功能：光、微电子、力学、信息存储、防护、装饰性 膜层的组成材料：金属、陶瓷、化合物、半导体、塑料及其他高分子薄膜 膜的晶体结构：单晶、多晶、纳米晶、非晶态、外延生长薄膜 厚度：纳米薄膜、微米薄膜、厚膜 薄膜组成结构：多层薄膜、梯度薄膜、复合薄膜,薄膜的应用,增透膜（透镜）和增反膜（高反射膜）,利用光在波膜上的干涉理论：当入射光射到介质膜表面时，改变介质膜的厚度，将会使入射光产生的两列反射相干光加强或是减弱,薄膜的应用,增透膜（透镜）,薄膜的应用,增反膜（高反射膜）,氦-氖激光器谐振腔全反射镜,
4、全反射镜 片,薄膜的应用,防电脑辐射眼镜片,防电脑辐射面罩,防电脑辐射面罩,防电脑辐射镜片,薄膜的应用,光敏电阻膜,光敏电阻,薄膜的应用,防激光致盲膜防激光致盲的镀膜眼镜,激光致盲枪,绿光源激光炫目器,薄膜的应用,其他功能膜：类金刚石膜、电极膜、磁记录膜、耐高温氧化膜等,类金刚石膜刀具,电极膜,磁记录材料用膜,薄膜制备方法,液相法,电 镀,化学镀,广义薄膜,气相法,化学气相沉积,物理气相沉积,真空蒸镀,溅射镀膜,离子镀膜,分子束外延,等离子体,定义：等离子体是指存在的时间和空间均超过某一临界值的电离气体 产生途径宇宙、天体、上层气体、放射线及同位素、X射线、粒子加速器、反应堆、场致电离、冲击波
5、、燃烧、激光、真空紫外光、发电等，在气相沉积中广泛采用的是气体放电产生等离子体。,等离子体特征,等离子体的存在具有特定的空间和时间限度（没有限度）；这种电离气体是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体（电中性原子、分子组成）；这种气体是一种导电流体，而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性（不导电流体）；有三种运动形式，热运动、在电磁场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动（做无规则的热运动）；粒子运动受到电磁场的影响和支配（不受影响）；富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基极具反应活性（相对较小）；新的聚集状态物质第四态（三态）。,各种气相沉积技术介绍,什
6、么是真空蒸镀？ 阿基米德与王冠、牛顿与万有引力、蒸汽浴与蒸镀 定义：简称蒸镀，是在真空条件下，用一定的方法加热镀膜材料（简称膜料）使之气化，并沉积在工件表面形成固态薄膜。,阿基米德所处时代出土的王冠碎片整理,真空蒸镀的原理,采用各种热能转换方式，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定能量（0.10.3eV）的粒子（原子、分子或原子团）； 气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动飞速传输到基体； 粒子沉积在基体表面上并凝聚成薄膜。传输到基体的蒸发粒子与基体碰撞后一部分被反射，另一部分被吸附在基体表面发生表面扩散，沉积粒子之间产生二维碰撞，形成团簇，有的在表面停留一段时间后再蒸发。粒子团簇与扩散粒子相碰撞，或
7、吸附单粒子，或放出单粒子，这过程反复进行，当粒子数超过某一临界值时就变为稳定核，再不断吸附其他粒子而逐步长大，最后与邻近稳定核合并，进而变成连续膜； 组成薄膜的原子重新排列或化学键合发生变化。 工艺类型,溅射镀膜,玻璃幕墙怎么做的？ 定义：利用溅射现象来达到制取各种薄膜的目的，即在真空室中利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击的气态粒子在基片（工件）上沉积的技术。 问题：为什么圆形靶材不是大面积被溅射掉，而只是局限于一圈呢？,真空离子镀膜,定义：离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物质或其反应产物沉积在基片上。,离子镀膜的特点,
8、裸露表面都可以镀上。离子镀膜过程中，由于部分材原子被电离成离子，它们将沿着电场的电力线运动，凡是电力线分布的地方，这些原子都有可能到达，而在离子镀中工件本身是阴极，因此，工件的各个表面（即使有沟槽）都可以镀上。 绕射能力强。由于离子镀要求的真空度不太高而是真空室中的粒子较多，从而粒子之间的相互碰撞，所以离子镀的绕射能力比较强。 附着能力强。离子镀过程中不仅存在着许多金属离子和高能金属原子，而且还存在着大量的氩离子和氩原子，它们共同轰击工件（阴极）表面，产生阴极溅射效应，这可以大大提高镀层的附着能力，使膜层的结合强度提高。 改善组织性能等。金属粒子的能量比较高，一般还使用副偏压，这些都有助于改善
9、膜层的组织性能。还可以利用离子镀获得各种化合物涂层。,离子镀膜的应用,首先，离子镀是各种刀具的保护神。可以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆等多种硬质膜。 其次，离子镀技术还是美化人民生活的得力工具。从我们手上带的手表表壳、表带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰作。颜色也是多种多样。 离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、润滑及电子工业的集成电路等中。,化学气相沉积,什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？,外延,外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生
10、长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。 外延分为气相外延、液相外延和分子束外延 气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过程。 液相外延是将溶质放入溶剂中，在一定温度下形成均匀溶液，然后将溶液缓慢冷却通过饱和点（液相线）时，有固体析出而进行结晶生长的方法。,分子束外延,（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是将真空蒸镀膜加以改进和提高而形成的一种成膜技术，它是在超高真空条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流，喷射到一定温度的基片表面，并在基片上外延成膜的技术。,分子束外延的特点,高真空生长，薄膜纯度高，并可实现组分和掺杂浓度的精确控制和迅速调整； 薄膜生长速率低，约为110m/h，相当于每秒生长一个单原子层，可以使膜层严格按照原子层逐层生长，将原子一个一个地在基体上进行沉积； 低温制取单晶薄膜； 易观察，易控制。因分子束外延技术采用了多种观察和分析测试仪器，可以实现薄膜生长过程的原位观察与控制，有利于薄膜的质量控制和进行科学研究； 分子束外延制膜技术特别有利于生长复杂剖面结构的，但生产时间长，表面缺陷密度大，设备价格昂贵，分析仪器易受蒸汽分子的污染等。,本次课小结,薄膜的定义11 薄膜的特征11 等离子体的概念和特征11 真空蒸镀的概念11 离子镀的概念和特点11 分子束外延的概念和特点11,
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