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薄膜的定义

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薄膜

时间:2013-05-06来源:楷膜 点击:101833次

摘要:说起薄膜的历史,要追溯到一千多年以前,距今已经过了漫长的岁月, 而真正作为一门新型的薄膜科学与技术,还是近30年来的事情。

 说起薄膜的历史,要追溯到一千多年以前,距今已经过了漫长的岁月, 而真正作为一门新型的薄膜科学与技术,还是近30年来的事情。时至今曰 薄膜材料巳是材料学领域中的一个重要分支,它已涉及物理、化学、电子 学、冶金学等学科,有着十分广泛的应用,尤其是在国防、通讯、航空、航天、电子工业、光学工业等方面有着特殊的应用,它巳成为材料学中最为活 跃的领域之一,并逐步形成为一门独立的学科“薄膜学”。
薄膜材料可用各种单质元素及无机化合物或有机材料来制作膜,也可用 固体、液体或气体物质来合成。薄膜与块状物体一祥,可以是单晶、多晶、 微晶、纳米晶、多层膜、超晶格膜等。
在讨论薄膜材料之前,首先说明一下薄膜的定义,即什么是"薄膜” (thin film),多“薄”的膜才算薄膜?我们知道薄膜这个词是随着科学和技 术的发展而自然出现的,有时与类似的词汇“涂层”(coating)、“层”(lay¬er)、 “箔”(fbil)等有相同的意义,但有时又有些差别。人们常常是用厚度 对薄膜加以描写,通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的 一个大致的标准,规定其厚度约在lfim左右。随着科技工作的不断发展和 深人,簿膜领域也在不断扩展,不同应用领域对薄膜厚度有不同要求。所以 有时把厚度为几十微米的膜层也称为薄膜。从日常生活角度看,几十微米也 是非常薄的,这和薄膜这个词并不矛盾。
从表面科学的角度来说,它研究的范围通常是涉及材料表面几个至几十 个原子层,在这个范围内的原子和电子结构与块体内部有较大差别。若涉及 原子层数量更大一些,且表面和界面特性仍起重要作用的范围,通常是几个 纳米到几十个微米,这也就是薄膜物理所研究的范围。
从微电子器件的角度来说,随着高新技术的迅猛发展,要求微电子器件 的集成度越来越髙,管芯面积愈大,器件尺寸越来越小,其发展趋势如表2 -1-1所示,器件尺寸的缩小与发展年代呈指数关系。20世纪40年代的真 空器件是几十厘米大小,60年代的固体器件是毫米大小,80年代的超大规 模集成电路(VIH或ULSI)中的器件是微米大小,90年代V1SI为亚微米。 2000年的分子电子器件是纳米量级的。如此发展趋势要求研究亚微米和纳 米的薄膜制备技术和利用亚微米、纳米结构的薄膜制造各种功能器件。这类 薄膜包括单晶薄膜、微晶薄膜、小晶粒的多晶薄膜、纳米薄膜。非晶薄膜和 有机分芋膜。当制备分子器件时,尺寸还要缩小。这些器件的制造要求人们 懂得物理、化学、电子学和生物学等科学知识。这是科学技术发展的趋势, 因此我们必须适应这种发展形势,扩展我们的知识领域,加强学科的横向联 系。
薄膜的制备,绝不是将块体材料(如金属)压薄而成的,而是通过特殊 方法(如物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD)制备的。实际上在真空薄 膜沉积过程中,可以看成是原于量级的铸造工艺,它是将单个原子一个一个 地凝结在衬底表面上(通过成核与生长过程)形成薄膜。其原子结构类似于 它的块状形式,但也发生了很大的变化,不仅存在多晶、表面、界面结构缺 陷态及结构的无序性,而且还有薄膜同衬底的粘附性等问题。
从基本理论上看,现在人们往往把块状固体理论的结论硬往薄膜上套 用,这是不全面的,没有考虑到薄膜的结构特征。薄膜结构中的原子排列都 存在一定的无序性和一定的缺陷态,而块状固体理论是以原子周期性排列为 基本根据,电子在晶体内的运动是服从布洛赫定理的,它的电子迁移率很 大。但在薄膜材料中,由于无序性和薄膜缺陷态的存在,电子在晶体中将受 到晶格原子的散射,迁移率变小(除部分近单晶薄膜外),将使薄膜材料的 电学、光学、力学等性能受到很大影响。
薄膜材料科学与技术就是研究:
①如何使某一物质(可以是块状、液态等物质)能成为薄膜形状?就是 研究该材料的制备工艺(合成)技术;
②研究该薄膜具有哪些新的特性(包括光、热、电、磁力等方面),研 究这些特性的物理本质;
③如何把这些薄膜材料应用于各个领域,尤其是用于髙新科技领域。

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