《材料的制备方法》PPT课件

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1、材 料 的 制 备 方 法 按 照 物 质 的 结 晶 状 态 来 划 分 ： 单晶态 多晶态 非晶态按 照 物 质 的 尺 寸 来 划 分 ： 体材料 薄膜材料 单 晶 材 料 的 制 备 方 法 直 拉 法 区 熔 法 布 里 奇 曼 法 熔炼（合金） 电弧，感应线圈，激光束烧结（氧化物） 多 晶 材 料 的 制 备 方 法 特 点 ：电 弧 是 气 体 的 一 种 弧 光 放 电 。 呈 现 弧 状 白 光 并 产 生 高 温 的 气 体 放 电现 象 。无 论 在 稀 薄 气 体 、 金 属 蒸 气 或 大 气 中 ， 当 电 源 功 率 较 大 ， 能 提 供 足够 大 的 电 流

2、（ 几 安 到 几 十 安 ） ， 使 气 体 击 穿 ， 发 出 强 烈 光 辉 ， 产 生高 温 （ 几 千 到 上 万 度 ） ， 这 种 气 体 自 持 放 电 的 形 式 就 是 弧 光 放 电 。通 常 产 生 弧 光 放 电 的 方 法 是 使 两 电 极 接 触 后 随 即 分 开 ， 因 短 路 发 热 ，使 阴 极 表 面 温 度 陡 增 ， 产 生 热 电 子 发 射 。 热 电 子 发 射 使 碰 撞 电 离及 阴 极 的 二 次 电 子 发 射 急 剧 增 加 ， 从 而 使 两 极 间 的 气 体 具 有 良 好 的导 电 性 。 弧 光 放 电 的 特 征 是 电

3、 压 不 高 ， 电 流 增 大 的 两 极 间 电 压 反 而下 降 ， 有 强 烈 光 辉 。 电弧炉 电 弧 炉 即 是 用 这 种 原 理 熔 炼 金 属 的 工 业 炉 .在 真 空 环 境 下 的 电 弧 炉 就 是 真 空 电 弧 炉 .真 空电 弧 熔 炼 采 用 大 电 流 低 电 压 ， 属 于 短 弧 操 作 ， 。一 般 电 弧 电 压 为 22 65V， 对 应 弧 长 为 2050mm 感应炉加 热 线 圈 通 入 变频 电 流 产 生 的 磁力 线 集 中 在 被 加热 物 上 ， 由 电 磁的 感 应 作 用 ， 产生 涡 旋 电 流 ， 将被 加 热 物 加

4、热 用 交 流 电 流 流 向 被 卷 曲 成 环 状 的 导 体 （ 通 常 为 铜 管 ） ， 由此 产 生 磁 束 ， 将 金 属 放 置 其 中 ， 磁 束 就 会 贯 通 金 属 体 ， 在与 磁 束 自 缴 的 方 向 产 生 涡 电 流 （ 旋 转 电 流 ） ， 于 是 感 应 电流 在 涡 电 流 的 影 响 下 产 生 发 热 ， 用 这 样 的 加 热 方 式 就 是 感应 加 热 。感 应 加 热 时 在 距 离 感 应 线 圈 越 近 ， 产 生 的 涡 流 越 大 ， 引起 的 热 效 应 了 越 大 。 感 应 线 圈 是 一 般 用 一 圈 或 数 圈 的 铜

5、管 来 做 ， 一 般 采 用 水冷 的 方 式 对 线 圈 进 行 冷 却 。 快 淬 的 方 法 （ 甩 带 ）在 高 真 空 条 件 下 将 熔融 态 金 属 或 合 金 喷 射到 高 速 旋 转 的 铜 辊 上快 速 冷 却 以 得 到 非 晶态 亚 稳 材 料 薄 带 。 非 晶 材 料 的 制 备 方 法 薄 膜 的 制 备 方 法物 理 气 相 沉 积利 用 物 质 的 某 种 物 理 过 程 来 实 现 物 质 原 子 从 源 物 质到 薄 膜 的 可 控 制 转 移 的 过 程化 学 气 相 沉 积利 用 气 态 的 先 驱 物 ， 通 过 原 子 、 分 子 间 化 学 反

6、 应 的途 径 生 成 固 态 薄 膜 的 技 术 物 理 气 相 沉 积蒸 发 法利 用 物 质 的 热 蒸 发 现 象特 点 ： 较 高 的 沉 积 速 度 ， 相 对 较 高 的 真 空 度溅 射 法利 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 预 被 溅 射 的 物 质 做 成 的 靶 电 极 。 在 离 子能 量 合 适 的 情 况 下 ， 入 射 出 来 的 原 子 带 有 一 定 的 动 能 ，并 且 会 沿 着 一 定 的 方 向 射 向 衬 底 ， 从 而 实 现 薄 膜 的 沉 积特 点 ： 在 沉

7、 积 多 元 合 金 薄 膜 时 化 学 成 分 容 易 控 制 、 沉 积层 对 衬 底 的 附 着 力 较 好 蒸 发 法在 较 高 的 真 空 度 条 件 下 ， 不 仅 蒸 发 出 来 的 物 质 原 子 或 分 子具 有 较 长 的 平 均 自 由 程 ， 可 以 直 接 沉 积 到 衬 底 表 面 上 ， 而且 还 可 以 确 保 所 制 备 的 薄 膜 具 有 较 高 的 纯 净 程 度 蒸 发 装 置 的 分 类 ： 电 阻 式 蒸 发 装 置 电 子 束 蒸 发 装 置 电 弧 蒸 发 装 置 激 光 蒸 发 装 置 空 心 阴 极 蒸 发 装 置 电 阻 式 蒸 发 装 置

8、特 点 ：电 阻 加 热 材 料 一 般 均 为 一 些 难 熔 金 属 ， 如 W、Ta、 Mo设 备 简 单来 自 坩 埚 、 加 热 元 件 以 及 各 种 支 撑 部 件 的 可 能的 污 染加 热 的 功 率 或 加 热 的 温 度 也 有 一 定 的 限 制 电 子 束 蒸 发 装 置工 作 原 理 ：被 加 热 的 物 质 被 放 置 于 水冷 的 坩 埚 中 ， 电 子 束 只 轰击 到 其 中 很 少 的 一 部 份 物质 ， 而 其 余 的 大 部 分 物 质在 坩 埚 的 冷 却 作 用 下 一 直处 于 很 低 的 温 度 ， 即 后 者实 际 上 变 为 了 被 蒸

9、发 物 质的 污 染 电 弧 蒸 发 装 置工 作 原 理 ：在 电 弧 蒸 发 壮 装 置 中 ， 使用 欲 蒸 发 的 材 料 制 成 放 电的 电 极 。 在 薄 膜 沉 积 时 ，依 靠 调 节 真 空 室 内 电 极 间距 的 方 法 来 点 燃 电 弧 ， 而瞬 间 的 高 温 电 弧 将 使 电 极端 部 产 生 蒸 发 从 而 实 现 物质 的 沉 积 。 控 制 电 弧 的 点燃 次 数 或 时 间 就 可 以 沉 积出 一 定 厚 度 的 薄 膜 激 光 蒸 发 装 置工 作 原 理 ： 使 用 高 功 率 的 激 光 束 作 为 能 源 进 行 薄 膜 的 蒸 发 沉 积

10、 空 心 阴 极 蒸 发 装 置工 作 原 理 ： 在 中 空 金 属 Ta管 制 成 的 阴极 和 被 蒸 发 物 质 制 成 的 阳 极之 间 加 上 一 定 幅 度 的 电 压 ，并 在 Ta管 内 通 入 少 量 的 Ar气时 ， 可 在 阴 阳 两 极 之 间 产 生放 电 现 象 。 这 时 ， Ar离 子 的轰 击 会 使 Ta管 的 温 度 升 高 并维 持 在 2000K以 上 的 高 温 下 ，从 而 能 够 发 射 出 大 量 的 热 电子 。 将 热 电 子 束 从 Ta管 内 轰 击 阳 极 ， 即 可 导 致 物 质 的 热蒸 发 ， 并 在 衬 底 上 沉 积 出

11、 薄膜 溅 射 法 溅 射 法 沉 积薄 膜 的 过 程中 ， 离 子 的产 生 过 程 和等 离 子 体 的产 生 或 气 体的 放 电 现 象密 切 相 关 溅 射 装 置 的 分 类 ： 直 流 溅 射 装 置 射 频 溅 射 装 置 磁 控 溅 射 装 置 反 应 溅 射 装 置 直 流 溅 射 装 置特 点 ：设 备 较 为 简 单不 能 独 立 地 控 制 各 个 工 艺 参 数使 用 的 气 体 压 力 也 较 高 （ 10Pa） ， 溅 射 速 度 较 低 ， 这不 利 于 减 少 气 氛 中 的 杂 质 对 薄 膜 的 污 染 以 及 溅 射 效 率的 提 高 ， 因 此 目

12、 前 直 流 溅 射 方 法 已 较 少 采 用溅 射 导 电 性 较 差 的 非 金 属 靶 材 ， 需 要 提 高 直 流 溅 射 电源 的 电 压 ， 以 弥 补 靶 材 导 电 性 不 足 而 引 起 的 电 压 降 ，因 此 这 种 方 法 不 适 用 于 导 电 性 很 差 的 非 金 属 材 料 的 溅射 射 频 溅 射 装 置特 点 ：交 流 电 源 的 频 率 低 于 50kHz， 通 常 使 用 频 率 区 间为 5-30kHz适 用 于 各 种 金 属 和 非 金 属 材 料 的 溅 射 磁 控 溅 射 装 置磁 控 溅 射 的 特 点 ：在 溅 射 装 置 中 引 入

13、磁 场 ， 既 可 以 降 低 溅 射 过 程的 气 体 压 力 也 可 以 在 同 样 的 电 流 和 气 压 的 条 件 下显 著 提 高 溅 射 的 效 率 和 沉 积 的 速 率溅 射 法 的 缺 点 ：溅 射 方 法 沉 积 薄 膜 的 沉 积 速 率 较 低溅 射 所 需 要 的 工 作 气 压 较 高 ， 否 则 电 子 的 平 均自 由 程 太 长 ， 放 电 现 象 不 易 维 持 反 应 溅 射 装 置化 合 物 是 在 原 子 沉 积 的 过 程 中 ， 由 溅 射 原 子 与 活 性 气体 分 子 在 衬 底 表 面 发 生 化 学 反 应 而 形 成在 通 入 Ar气 的 同 时 通 入 相 应 的 活 性 气 体 ， 从 而 抑 制 化合 物 的 分 解 倾 向 ， 另 一 方 面 ， 也 可 以 采 用 纯 金 属 作 为溅 射 靶 材 ， 但 在 工 作 气 体 中 混 入 适 量 的 活 性 气 体 ， 例如 O 2、 N2、 NH3、 CH4、 H2S等 ， 使 金 属 原 子 与 活 性 气 体在 建 设 沉 积 的 同 时 生 成 所 需 的 化 合 物 。