材料物理薄膜物理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料材料(cilio)物理薄膜物理物理薄膜物理第一頁(yè)，共67頁(yè)。Dimension 材料(cilio)的維度 (one dimension)第1頁(yè)/共66頁(yè)第二頁(yè)，共67頁(yè)。On a farm第2頁(yè)/共66頁(yè)第三頁(yè)，共67頁(yè)。信息信息(xnx)存存儲(chǔ)技術(shù)儲(chǔ)技術(shù)第3頁(yè)/共66頁(yè)第四頁(yè)，共67頁(yè)。但作為一門(mén)科學(xué)與技術(shù)但作為一門(mén)科學(xué)與技術(shù)(jsh)(jsh)，是在近，是在近3030年信年信息時(shí)代到來(lái)之后息時(shí)代到來(lái)之后信息信息(xnx)顯顯示技術(shù)示技術(shù)第4頁(yè)/共66頁(yè)第五頁(yè)，共67頁(yè)。計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)第5頁(yè)/共66頁(yè)第六頁(yè)，共67頁(yè)。日常生活日常生活第6頁(yè)/共66頁(yè)第七頁(yè)，共67頁(yè)。 1

2、m基片基片電、磁、聲、光電、磁、聲、光生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用工程應(yīng)用基片：薄膜的基片：薄膜的承載體承載體(zit)，如，如Si電電 極極過(guò)渡層過(guò)渡層襯底襯底：基片與電極基片與電極、過(guò)渡層的總稱(chēng)，、過(guò)渡層的總稱(chēng)，如如Pt/Ti/Si。襯底襯底第7頁(yè)/共66頁(yè)第八頁(yè)，共67頁(yè)。6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第8頁(yè)/共66頁(yè)第九頁(yè)，共67頁(yè)。Langmuir-Blodgett films6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第9頁(yè)/共66頁(yè)第十頁(yè)，共67頁(yè)。 6.1 薄膜的定義(dngy)Langmuir-Blodgett film第10頁(yè)/共66頁(yè)第十一頁(yè)，共67頁(yè)。 LB 膜是一種

3、超薄有序膜膜是一種超薄有序膜; LB膜技術(shù)是一種可以在分子水平上精確膜技術(shù)是一種可以在分子水平上精確(jngqu)控制薄膜控制薄膜厚度的制膜技術(shù)。厚度的制膜技術(shù)。 單分子膜的研究開(kāi)始于單分子膜的研究開(kāi)始于18世紀(jì)，世紀(jì)，B. Franklin 將一匙油滴在半英畝的池塘水面將一匙油滴在半英畝的池塘水面上鋪展開(kāi)上鋪展開(kāi);1890年年 第一次提出單分子膜概念第一次提出單分子膜概念;二十世紀(jì)二三十年代，美國(guó)科學(xué)家二十世紀(jì)二三十年代，美國(guó)科學(xué)家 I. Langmuir 系統(tǒng)研究了單分子膜的性質(zhì)而系統(tǒng)研究了單分子膜的性質(zhì)而建立了完整的單分子膜理論建立了完整的單分子膜理論(lln) 。及其學(xué)生。及其學(xué)生 一

4、起建立了一種單分子膜的制備一起建立了一種單分子膜的制備技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上 ;上世紀(jì)六十年代，德國(guó)科學(xué)家首先意識(shí)到運(yùn)上世紀(jì)六十年代，德國(guó)科學(xué)家首先意識(shí)到運(yùn) 用用LB膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子功能的組裝膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子功能的組裝并構(gòu)成分子的有序系統(tǒng)。并構(gòu)成分子的有序系統(tǒng)。 6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第11頁(yè)/共66頁(yè)第十二頁(yè)，共67頁(yè)。6.1 LB膜膜 利用分子表面活性在水氣界面上形成凝結(jié)膜利用分子表面活性在水氣界面上形成凝結(jié)膜，并將該膜逐次轉(zhuǎn)移，并將該膜逐次轉(zhuǎn)移(zhuny)到固體基板上，形成到固體基板上，形成單層或多層類(lèi)

5、晶薄膜的一種制膜方法。單層或多層類(lèi)晶薄膜的一種制膜方法。一、定義(dngy)： 這是一種由某些有機(jī)大分子定向排列組成(z chn)的單分子層或多分子層薄膜，其制備原理與其它成膜技術(shù)截然不同。第12頁(yè)/共66頁(yè)第十三頁(yè)，共67頁(yè)。18世紀(jì)，美國(guó)政治家于倫敦：把一匙油世紀(jì)，美國(guó)政治家于倫敦：把一匙油(2ml)滴在半英畝的滴在半英畝的池塘水面上，觀(guān)察到平鋪的油膜。池塘水面上，觀(guān)察到平鋪的油膜。1890年，第一次提出單分子膜概念，研究了表面張力的規(guī)律年，第一次提出單分子膜概念，研究了表面張力的規(guī)律，成功估算油膜厚度在，成功估算油膜厚度在1020之間。之間。1891年年APockels設(shè)計(jì)了一個(gè)水槽，用

6、一個(gè)金屬障片來(lái)壓縮設(shè)計(jì)了一個(gè)水槽，用一個(gè)金屬障片來(lái)壓縮控制膜面積，并指出在膜面積達(dá)到一定值時(shí)油膜表面張力變控制膜面積，并指出在膜面積達(dá)到一定值時(shí)油膜表面張力變化很小這表明水面上的分子恰好彼此壓緊，這點(diǎn)稱(chēng)為化很小這表明水面上的分子恰好彼此壓緊，這點(diǎn)稱(chēng)為Pockels點(diǎn)。點(diǎn)。1917年，改進(jìn)了年，改進(jìn)了Pockels槽，可以精確槽，可以精確(jngqu)測(cè)定分子的尺測(cè)定分子的尺寸和取向，了解分子之間的相互排列和作用。提出有關(guān)氣液寸和取向，了解分子之間的相互排列和作用。提出有關(guān)氣液界面的吸附理論，奠定了單分子層的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)在稱(chēng)單分界面的吸附理論，奠定了單分子層的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)在稱(chēng)單分子層為子層為L(zhǎng)a

7、ngmuir膜。他的出色工作終于在膜。他的出色工作終于在1932年獲得了諾貝年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。爾獎(jiǎng)。第13頁(yè)/共66頁(yè)第十四頁(yè)，共67頁(yè)。1935年將年將Langmuir膜轉(zhuǎn)移到固體襯底上，成功地制備膜轉(zhuǎn)移到固體襯底上，成功地制備(zhbi)出出第一個(gè)單分子層積累的多層膜，即第一個(gè)單分子層積累的多層膜，即LB膜。膜。第14頁(yè)/共66頁(yè)第十五頁(yè)，共67頁(yè)。 LB膜制備膜制備(zhbi)裝置示意圖裝置示意圖第15頁(yè)/共66頁(yè)第十六頁(yè)，共67頁(yè)。第16頁(yè)/共66頁(yè)第十七頁(yè)，共67頁(yè)。 X型型LB膜中每層分子的親油基都指向基片表面膜中每層分子的親油基都指向基片表面(biomin)。Y型膜中成膜分子的親

8、水基與親水基相連，親油基與親油基相連。型膜中成膜分子的親水基與親水基相連，親油基與親油基相連。Z型膜與型膜與x型相反，成膜分子的親水基都指向基片表面型相反，成膜分子的親水基都指向基片表面(biomin)。疏水基板疏水基板親水基板親水基板第17頁(yè)/共66頁(yè)第十八頁(yè)，共67頁(yè)。LB膜的優(yōu)點(diǎn)膜的優(yōu)點(diǎn)(yudin)：1）在）在LB膜中成膜分子是有序定向排列的，這也是膜中成膜分子是有序定向排列的，這也是LB膜的一個(gè)膜的一個(gè)重要特點(diǎn)重要特點(diǎn)2）可以用）可以用LB技術(shù)成膜的分子材料有一定的廣泛性。許多有機(jī)功技術(shù)成膜的分子材料有一定的廣泛性。許多有機(jī)功能能(gngnng)分子和生物分子以及高分子材料可以直接成

9、膜。分子和生物分子以及高分子材料可以直接成膜。3）LB膜由單分子層組成。它的厚度取決于分子的尺寸和分子的膜由單分子層組成。它的厚度取決于分子的尺寸和分子的層數(shù)?？刂品肿拥膶訑?shù)可方便地得到所需的膜厚（從幾層數(shù)?？刂品肿拥膶訑?shù)可方便地得到所需的膜厚（從幾nm至幾至幾百百nm范圍內(nèi)變化）范圍內(nèi)變化）5）制膜設(shè)備比較簡(jiǎn)單，操作方便。）制膜設(shè)備比較簡(jiǎn)單，操作方便。第18頁(yè)/共66頁(yè)第十九頁(yè)，共67頁(yè)。LB膜的主要膜的主要(zhyo)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1）成膜效率低）成膜效率低2）由于）由于LB膜為有機(jī)膜，因此它包含有機(jī)材料的膜為有機(jī)膜，因此它包含有機(jī)材料的弱點(diǎn)，例如：弱點(diǎn)，例如：LB膜的耐高溫性能較差、機(jī)械強(qiáng)

10、膜的耐高溫性能較差、機(jī)械強(qiáng)度低等。度低等。3）由于）由于LB膜厚度小，在膜的表征手段方面遇到膜厚度小，在膜的表征手段方面遇到了較大了較大(jio d)的困難的困難第19頁(yè)/共66頁(yè)第二十頁(yè)，共67頁(yè)。LB膜的應(yīng)用膜的應(yīng)用(yngyng) LB技術(shù)可以通過(guò)把一些具有特定功能的技術(shù)可以通過(guò)把一些具有特定功能的有機(jī)分子或生物分子有序定向化，使之形成有機(jī)分子或生物分子有序定向化，使之形成具有某一特殊功能的超薄膜，如有機(jī)絕緣膜具有某一特殊功能的超薄膜，如有機(jī)絕緣膜、非線(xiàn)性光學(xué)膜、光電薄膜、二維有機(jī)導(dǎo)電、非線(xiàn)性光學(xué)膜、光電薄膜、二維有機(jī)導(dǎo)電膜等。目前膜等。目前LB膜已在膜已在MIS結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)的場(chǎng)

11、效應(yīng)器件、電致發(fā)光、集成、電致發(fā)光、集成(j chn)光路及生物傳感光路及生物傳感器方面得到良好的使用結(jié)果。器方面得到良好的使用結(jié)果。第20頁(yè)/共66頁(yè)第二十一頁(yè)，共67頁(yè)。SAMs是利用固體(gt)表面在稀溶液中吸附活性物質(zhì)而形成的有序分子組織，其基本原理是通過(guò)固液界面間的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，在基片上形成化學(xué)鍵連接的、取向緊密排列的二維有序單層膜。6.1 薄膜的定義薄膜的定義(dngy)第21頁(yè)/共66頁(yè)第二十二頁(yè)，共67頁(yè)。 6.1 薄膜的定義(dngy)Self-Assemble Monolayersource表示(biosh)源極，drain表示(biosh)漏極，gate表示(bio

12、sh)門(mén)，oxide表示(biosh)用于門(mén)和基底絕緣的薄層介電質(zhì) 第22頁(yè)/共66頁(yè)第二十三頁(yè)，共67頁(yè)。6.1 薄膜的定義(dngy)第23頁(yè)/共66頁(yè)第二十四頁(yè)，共67頁(yè)。 本研究以結(jié)晶成核理論為依據(jù)，借助基板本研究以結(jié)晶成核理論為依據(jù)，借助基板表面與溶液表面與溶液(rngy)及其中的團(tuán)簇，核，均一及其中的團(tuán)簇，核，均一粒子等的界面相互作用，通過(guò)模擬生物礦物質(zhì)粒子等的界面相互作用，通過(guò)模擬生物礦物質(zhì)，生物結(jié)晶等的生長(zhǎng)過(guò)程，利用項(xiàng)目組已經(jīng)成，生物結(jié)晶等的生長(zhǎng)過(guò)程，利用項(xiàng)目組已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)的飽和溶液功開(kāi)發(fā)的飽和溶液(rngy)體系在紙，聚合物體系在紙，聚合物等各種柔性基板上位相（區(qū)域）選擇性生

13、長(zhǎng)結(jié)等各種柔性基板上位相（區(qū)域）選擇性生長(zhǎng)結(jié)晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探討具有不同晶性良好的透明功能陶瓷薄膜。探討具有不同表面官能團(tuán)的柔性基體與反應(yīng)溶液表面官能團(tuán)的柔性基體與反應(yīng)溶液(rngy)之之間的相互作用，模擬生物礦化原理，利用表面間的相互作用，模擬生物礦化原理，利用表面-界面相互作用，在某一功能團(tuán)表面選擇成核與界面相互作用，在某一功能團(tuán)表面選擇成核與生長(zhǎng)，直接由液相一步實(shí)現(xiàn)薄膜的精確位置選生長(zhǎng)，直接由液相一步實(shí)現(xiàn)薄膜的精確位置選擇制備，獲得微米擇制備，獲得微米/納米尺度的顯微圖案。研究納米尺度的顯微圖案。研究在不均一，過(guò)飽和的液相環(huán)境下位置、薄膜生在不均一，過(guò)飽和的液相環(huán)境下位置、薄

14、膜生長(zhǎng)機(jī)理、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及其與薄膜表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)機(jī)理、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及其與薄膜表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)/界面結(jié)合狀態(tài)的關(guān)系，為研究不同溶液界面結(jié)合狀態(tài)的關(guān)系，為研究不同溶液(rngy)體系提供理論依據(jù)。本技術(shù)有望開(kāi)拓體系提供理論依據(jù)。本技術(shù)有望開(kāi)拓柔性顯示器，柔性太陽(yáng)電池，生物芯片與生物柔性顯示器，柔性太陽(yáng)電池，生物芯片與生物傳感器等的新的制備技術(shù)。傳感器等的新的制備技術(shù)。6.1 薄膜的定義(dngy)基于液相反應(yīng)自組裝制備透明柔性功能陶瓷薄膜及其生長(zhǎng)機(jī)理的研究基于液相反應(yīng)自組裝制備透明柔性功能陶瓷薄膜及其生長(zhǎng)機(jī)理的研究國(guó)家自然科學(xué)基金第24頁(yè)/共66頁(yè)第二十五頁(yè)，共67頁(yè)。界面界面第25頁(yè)/共66頁(yè)第二十六頁(yè)

15、，共67頁(yè)。 當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)(linx)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)(linx)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致納米粒子磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀(guān)特性有著顯著不同 Kubo采用一電子模型求得金屬納米晶粒的能級(jí)間距為：NEf34式中：Ef為費(fèi)米勢(shì)能，N為粒子中的總電子數(shù)。小尺寸效應(yīng)第26頁(yè)/共66頁(yè)第二十七頁(yè)，共67頁(yè)。 比如，當(dāng)尺寸減小到數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)納米時(shí)，原來(lái)是良導(dǎo)體(dot)的金屬會(huì)變成絕緣體，原為典型共價(jià)鍵無(wú)極性的絕緣體其電阻大大下降甚至成為導(dǎo)體(d

16、ot)，原為型的半導(dǎo)體(dot)可能變?yōu)樾汀?第27頁(yè)/共66頁(yè)第二十八頁(yè)，共67頁(yè)。 在兩塊金屬（或半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）之間夾一層厚度約為的極薄絕緣層，構(gòu)成一個(gè)稱(chēng)為“結(jié)”的元件。設(shè)電子開(kāi)始處在左邊的金屬中，可認(rèn)為電子是自由的，在金屬中的勢(shì)能(shnng)為零。由于電子不易通過(guò)絕緣層，因此絕緣層就像一個(gè)勢(shì)的壁壘(勢(shì)壘)。勢(shì)場(chǎng)方程 這種在粒子總能量低于勢(shì)壘的情況下，粒子能穿過(guò)勢(shì)壁甚至穿透一定寬度的勢(shì)壘而逃逸出來(lái)的現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)。第28頁(yè)/共66頁(yè)第二十九頁(yè)，共67頁(yè)。l 在表面，原子周期性中斷，產(chǎn)生的表面能級(jí)、表面態(tài)數(shù)目與表面原子數(shù)有同一量級(jí)，對(duì)于半導(dǎo)體等載流子少的物質(zhì)將產(chǎn)生較大影響； l

17、在蒸鍍法中，各種元素的蒸氣壓不同，濺射過(guò)程中各元素濺射速率不同，所以一般較難精確控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化學(xué)計(jì)量比的成分。一些對(duì)成分要求較嚴(yán)格的應(yīng)用中，例如，化合物半導(dǎo)體用于制備薄膜晶體管就會(huì)受到限制。l同時(shí)，由沉積生長(zhǎng)過(guò)程所決定，薄膜內(nèi)一般存在大量的缺陷，如位錯(cuò)、空位等，其密度常與大變形冷加工的金屬中的缺陷密度相當(dāng)，基片的溫度越低，沉積的薄膜中缺陷密度越大，其中用離子鍍和濺射方法制備的薄膜缺陷密度最大。l在薄膜沉積過(guò)程中的工作氣體也常常混入薄膜。很多薄膜材料都不宜進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚匀毕莶灰紫?。這些缺陷對(duì)材料的電學(xué)、磁學(xué)等很多性能都有影響，例如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等會(huì)使電阻增大，制備的合金

18、薄膜的磁性遠(yuǎn)低于塊體材料。l薄膜材料一般都沉積在不同材料的基片，由于熱膨脹系數(shù)不同，沉積后冷卻過(guò)程容易發(fā)生(fshng)剝離。第29頁(yè)/共66頁(yè)第三十頁(yè)，共67頁(yè)。 可采用分子束外延（MBE）方法制備具有原子尺度(chd)周期性的所謂超晶格結(jié)構(gòu)的多層膜。 例如用這種機(jī)理，已制成GaAs-AlGaAs超晶格高電子遷移率晶體管（HEMT）和多量子阱（MQW）型激光二極管等。 超晶格材料是兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米超晶格材料是兩種不同組元以幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米的薄層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的多層膜。的薄層交替生長(zhǎng)并保持嚴(yán)格周期性的多層膜。特定形式的層狀精細(xì)復(fù)合材料。特定形式的層狀精細(xì)復(fù)合材料

19、。第30頁(yè)/共66頁(yè)第三十一頁(yè)，共67頁(yè)。 兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎?lèi)型不同的極薄的薄膜交兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎?lèi)型不同的極薄的薄膜交替地疊合在一起而形成的多周期結(jié)構(gòu)。這種周期結(jié)構(gòu)的勢(shì)阱區(qū)替地疊合在一起而形成的多周期結(jié)構(gòu)。這種周期結(jié)構(gòu)的勢(shì)阱區(qū)厚度小于電子平均自由程，勢(shì)壘區(qū)足夠窄，以致相鄰勢(shì)阱中的厚度小于電子平均自由程，勢(shì)壘區(qū)足夠窄，以致相鄰勢(shì)阱中的電子波函數(shù)能夠互相耦合。電子波函數(shù)能夠互相耦合。 按其所含的組分?jǐn)?shù)目可以分為只含一種組分的摻雜超晶格；按其所含的組分?jǐn)?shù)目可以分為只含一種組分的摻雜超晶格；含兩種組分的組分超晶格和含有兩種以上組分的復(fù)型超晶格。含兩種組分的組分超晶格和含有兩種

20、以上組分的復(fù)型超晶格。根據(jù)組分材料根據(jù)組分材料(cilio)之間的晶格匹配情況可分為晶格匹配的超之間的晶格匹配情況可分為晶格匹配的超晶格和失配的應(yīng)變層超晶格。此外還有所謂短周期超晶格和一晶格和失配的應(yīng)變層超晶格。此外還有所謂短周期超晶格和一維、零維超晶體，以及由不同特征的超晶格組合在一起的，具維、零維超晶體，以及由不同特征的超晶格組合在一起的，具有更為復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的混合型超晶格。有更為復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的混合型超晶格。 耦合就是指兩個(gè)實(shí)體相互依賴(lài)于對(duì)方的一個(gè)量度。 第31頁(yè)/共66頁(yè)第三十二頁(yè)，共67頁(yè)。6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第32頁(yè)/共66頁(yè)第三十三頁(yè)，共67頁(yè)。第33頁(yè)/共66

21、頁(yè)第三十四頁(yè)，共67頁(yè)。2.新的效應(yīng) 某一維度很小、比表面(biomin)積大 例：極化效應(yīng)、表面(biomin)和界面效應(yīng)、限域效應(yīng)、耦合效應(yīng)第34頁(yè)/共66頁(yè)第三十五頁(yè)，共67頁(yè)。DLC coated a magnetic thin-film diskLiquid lubricant 1-2 nmDLC 10-30 nmMagnetic coating 25-75 nmAl-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mmThe surface of stretched (12%) video tape with DLC-layer with a thick

22、ness of 30 nm.The surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer.diamond like carbon 第35頁(yè)/共66頁(yè)第三十六頁(yè)，共67頁(yè)。photoluminescence spectra of a series of GaN/AlxGa1-xN double heterostructures (DHs) 可以通過(guò)改變薄膜可以通過(guò)改變薄膜的厚度或者的厚度或者(huzh)外加偏壓外加偏壓來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光的波長(zhǎng)6.3 薄膜的特性薄膜的特性(txng)第36頁(yè)/共66頁(yè)第三十七頁(yè)，共67頁(yè)。改變?nèi)毕菽?/p>

23、級(jí)上的電子(dinz)分布影響光電過(guò)程()/1( )1FE EkTF Ee-10-8-6-4-202468100.00.20.40.60.81.0 F(E)(E-EF)/kT表面(biomin)和界面效應(yīng)：表面(biomin)態(tài)和界面態(tài)第37頁(yè)/共66頁(yè)第三十八頁(yè)，共67頁(yè)。表面(biomin)和界面效應(yīng)：表面(biomin)態(tài)和界面態(tài)導(dǎo)帶表面能級(jí)價(jià)帶晶體外晶體內(nèi)距離晶體表面晶體表面(biomin)的的能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)帶價(jià)帶費(fèi)米(fi m)能級(jí)施主能級(jí)電子n型半導(dǎo)體的表面能級(jí)型半導(dǎo)體的表面能級(jí)第38頁(yè)/共66頁(yè)第三十九頁(yè)，共67頁(yè)。半導(dǎo)體異質(zhì)(y zh)界面二維電子氣第39頁(yè)/共66頁(yè)第四

24、十頁(yè)，共67頁(yè)。量子(lingz)霍爾效應(yīng)第40頁(yè)/共66頁(yè)第四十一頁(yè)，共67頁(yè)。限域效應(yīng)(xioyng)dYxz22220()2xykkEE nm出現(xiàn)亞能帶，d較小時(shí)(xiosh)產(chǎn)生能隙第41頁(yè)/共66頁(yè)第四十二頁(yè)，共67頁(yè)。退火通過(guò)(tnggu)退火控制帶隙第42頁(yè)/共66頁(yè)第四十三頁(yè)，共67頁(yè)。222)(hmED二維體系(tx)中的電子態(tài)密度32/12/3328)(hEmED第43頁(yè)/共66頁(yè)第四十四頁(yè)，共67頁(yè)。Tc (black solid dots) and the density of states (red stars) as a function of Pb film th

25、ickness第44頁(yè)/共66頁(yè)第四十五頁(yè)，共67頁(yè)。耦合效應(yīng)耦合效應(yīng)(xioyng)ZnO層厚度(hud)分別為(a) 0.75 nm, (b) 1.25 nm, (c) 2.0 nm, (d) 2.5 nm MgO/ZnO 多層膜。第45頁(yè)/共66頁(yè)第四十六頁(yè)，共67頁(yè)。MgxZn1-xO: 體相中Mg的平衡固溶度(rn d)為0.04, PLD法生長(zhǎng)的薄膜中，x可01。a-Si1-xNx:H3.可以獲得常態(tài)下不存在的非平衡可以獲得常態(tài)下不存在的非平衡(pnghng)和非化學(xué)和非化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)計(jì)量比結(jié)構(gòu)Diamond: 工業(yè)工業(yè)(gngy)合成合成, 2000，萬(wàn)大氣壓，萬(wàn)大氣壓, CVD

26、生長(zhǎng)薄膜生長(zhǎng)薄膜:常壓，常壓，800 第46頁(yè)/共66頁(yè)第四十七頁(yè)，共67頁(yè)。4.容易(rngy)實(shí)現(xiàn)多層膜功能薄膜：太陽(yáng)能電池(dinch) 超晶格：GaAlAs/GaAs第47頁(yè)/共66頁(yè)第四十八頁(yè)，共67頁(yè)。靜電力: s為界面(jiin)上出現(xiàn)的電荷密度， e0為真空中的介電常數(shù)?；U(kuò)散(kusn)考慮(kol)表面能浸潤(rùn)5.薄膜和基片的粘附性范德瓦耳斯力：r為分子間距，a為分子的極化率，I為分子的離化能第48頁(yè)/共66頁(yè)第四十九頁(yè)，共67頁(yè)。6.薄膜的內(nèi)應(yīng)力晶格常數(shù)失配晶格常數(shù)失配(sh pi)，熱膨脹系數(shù)失配，熱膨脹系數(shù)失配(sh pi) 壓應(yīng)壓應(yīng)力、張應(yīng)力力、張應(yīng)力本征應(yīng)力: 由于

27、薄膜中缺陷的存在(cnzi)非本征應(yīng)力：由于和薄膜的附著22dUEs應(yīng)變(yngbin)能：厚度d，彈性模量E，內(nèi)應(yīng)力s可以估算膜厚 SiC/Si第49頁(yè)/共66頁(yè)第五十頁(yè)，共67頁(yè)。7.通常存在(cnzi)大量的缺陷Chemical Vapor Deposition (CVD)Molecular beam epitaxy (MBE)，Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)濺射、蒸發(fā)、微波(wib)、熱絲、sol-gel、電沉積基板溫度越低，點(diǎn)缺陷和空位(kn wi)密度越大成核取向不一樣第50頁(yè)/共66頁(yè)第五十一頁(yè)，共67頁(yè)。第51頁(yè)/共

28、66頁(yè)第五十二頁(yè)，共67頁(yè)。（1）半導(dǎo)體器件與集成電路中的導(dǎo)電材料與 介質(zhì)(jizh)薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2,Si3N4，Al2O3（2）超導(dǎo)薄膜 YBaCuO，BiSrCaCuO， TlBaCuO等高溫超導(dǎo)材料（3）光電子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜電學(xué)薄膜第52頁(yè)/共66頁(yè)第五十三頁(yè)，共67頁(yè)。（4）薄膜傳感器 可燃性氣體傳感器SnO2， 氧敏傳感器ZrO2, 熱敏傳感器Pt, Ni, SiC, 離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5（5）

29、薄膜電阻、電容、阻容網(wǎng)絡(luò)(wnglu)與混合集成 電路，低電阻率：Ni-Cr， 高電阻率:Cr-SiO, 薄膜電容：Zn，Al（6）薄膜太陽(yáng)能電池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe電學(xué)薄膜第53頁(yè)/共66頁(yè)第五十四頁(yè)，共67頁(yè)。（7）平板顯示器件： 液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯 示ITO透明電極，ZnS:Mn發(fā)光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件(yunjin)（9）磁記錄薄膜與薄膜磁頭，CoCrTa、 CoCrNi，F(xiàn)eSiAl、巨磁阻材料（10）靜電復(fù)印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si電學(xué)薄膜第54頁(yè)/共66頁(yè)第五十五頁(yè)，共67頁(yè)。（1）減反射膜：相機(jī)、攝像機(jī)、

30、投影儀、望遠(yuǎn)鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 紅外設(shè)備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO（2）反射膜：太陽(yáng)能接收器、鍍膜反射鏡、激光器用的高反射率膜（3）分光鏡和濾波片：如彩色擴(kuò)印設(shè)備上（4）鍍膜玻璃：建筑、汽車(chē)隔熱( r)（5）光存儲(chǔ)薄膜：光盤(pán)、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光學(xué)元件與光波導(dǎo)中的介質(zhì)與半導(dǎo)體薄膜光學(xué)薄膜第55頁(yè)/共66頁(yè)第五十六頁(yè)，共67頁(yè)。（1）硬質(zhì)膜，刀具、磨具表面的TiN，TiC， 金剛石、C3N4，c-BN（2）耐腐蝕(fsh)膜，非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗 熱腐蝕(fsh)的NiCrAlY等（3）潤(rùn)滑膜 MoS2，MoS2-Au，Mo

31、S2-Ni， Au，Ag，Pb保護(hù)膜第56頁(yè)/共66頁(yè)第五十七頁(yè)，共67頁(yè)。（1）新型半導(dǎo)體薄膜：GaN，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改進(jìn)工藝，降低成本，研究(ynji)新的應(yīng)用（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）納米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）無(wú)機(jī)光電薄膜材料：III-V，II-V6.5 薄膜材料(cilio)研究現(xiàn)狀I(lǐng)IIA: B, Al, Ga, In, TlIVA: C, Si, Ge, Sn, PbVA: N, P, As, Sb, BiIIB: Zn, Cd第57頁(yè)/共66頁(yè)第五十八頁(yè)，共67頁(yè)。（6）Spin

32、tronics薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（7）有機(jī)薄膜微電和光電材料（）有機(jī)薄膜微電和光電材料（OLED) 需要需要(xyo)提高效率和可靠性提高效率和可靠性（8）High-K、Low-K材料材料更快的速度、更快的速度、 更高的集成度、更低的能耗，含氟氧更高的集成度、更低的能耗，含氟氧 化硅、化硅、HfO2、ZrO2 （9）高溫超導(dǎo)和巨磁阻）高溫超導(dǎo)和巨磁阻1.4 薄膜材料研究(ynji)現(xiàn)狀Spin Transport Electronics OrganicLight-Emitting Diode 自旋(z xun)電子學(xué) 第58頁(yè)/

33、共66頁(yè)第五十九頁(yè)，共67頁(yè)。1.4 薄膜材料(cilio)研究現(xiàn)狀自旋(z xun)電子學(xué) 由于二氧化硅（SiO2）具有易制Manufacturability，且能減少厚度以持續(xù)改善晶體管效能,當(dāng)英特爾導(dǎo)入65納米制造工藝時(shí)，雖已全力將二氧化硅閘極電介質(zhì)厚度降低至納米，相當(dāng)于5層原子，但由于晶體管縮至原子大小的尺寸時(shí)，耗電和散熱亦會(huì)同時(shí)增加，產(chǎn)生電流浪費(fèi)和不必要的熱能，因此若繼續(xù)采用目前材料，進(jìn)一步減少厚度，閘極電介質(zhì)的漏電情況勢(shì)將會(huì)明顯攀升，令縮小晶體管技術(shù)遭遇極限。 為解決此關(guān)鍵問(wèn)題，英特爾正規(guī)劃改用較厚的High-K材料(鉿hafnium元素為基礎(chǔ)的物質(zhì)）作為閘極電介質(zhì)，取代(qdi)

34、沿用至今已超過(guò)40年的二氧化硅，此舉也成功使漏電量降低10倍以上。第59頁(yè)/共66頁(yè)第六十頁(yè)，共67頁(yè)。6.6 透明透明(tumng)導(dǎo)電氧化物薄膜導(dǎo)電氧化物薄膜 TCO包括包括In、Sb、Zn和和Cd的氧化物及其復(fù)合的氧化物及其復(fù)合(fh)多元氧化物薄膜材料多元氧化物薄膜材料。Transparent Conductive Oxide 1907年 Badeker首次制成了CdO透明導(dǎo)電薄膜;1950年 前后(qinhu)出現(xiàn)了SnO2基和In2O3基薄膜。1980年 ZnO基薄膜 目前研究較多的是ITO（In2O3:Sn）、ATO（SnO2:Sb）和AZO(ZnO:Al)。 開(kāi)發(fā)了Zn2SnO

35、4、In4Sn3O12、MgIn2O4、CdIn2O4等多元透明氧化物薄膜材料。第60頁(yè)/共66頁(yè)第六十一頁(yè)，共67頁(yè)。TCO薄膜 （1）對(duì)可見(jiàn)光（=380780nm）的光透射率高；（2）電導(dǎo)率高。 可見(jiàn)光的平均透過(guò)可見(jiàn)光的平均透過(guò)(tu u)率率Tavg 80%，電阻率，電阻率在在10-3cm以下的薄膜才能成為透明導(dǎo)電膜。以下的薄膜才能成為透明導(dǎo)電膜。 透明就意味著材料的能帶隙寬度(kund)大（Eg3eV）而自由電子少；另一方面，電導(dǎo)率高的材料又往往自由電子多而不透明。 SnO2 基薄膜基薄膜 ZnO 基薄膜基薄膜 In2O3 基薄膜基薄膜第61頁(yè)/共66頁(yè)第六十二頁(yè)，共67頁(yè)。SnO2

36、基薄膜基薄膜 SnO2 ( Tin oxide ,簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)TO) 是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度，其禁帶寬度Eg = 3. 6eV，n 型半導(dǎo)體。本征型半導(dǎo)體。本征SnO2 薄膜薄膜導(dǎo)電性很差，因而得到廣泛應(yīng)用的是摻雜的導(dǎo)電性很差，因而得到廣泛應(yīng)用的是摻雜的SnO2 薄膜。薄膜。對(duì)于對(duì)于SnO2 來(lái)說(shuō)，五價(jià)元素來(lái)說(shuō)，五價(jià)元素(如如Sb、As 或或F 元素元素) 的摻雜均的摻雜均能在其禁帶中形成淺施主能級(jí)，從而大大改善薄膜的導(dǎo)電能在其禁帶中形成淺施主能級(jí)，從而大大改善薄膜的導(dǎo)電性能。目前性能。目前(mqin)研究最多、應(yīng)用最廣的是摻氟二氧化研究最多、應(yīng)用最廣的是摻氟二氧

37、化錫錫(SnO2：F) 薄膜和摻銻二氧化錫薄膜和摻銻二氧化錫( SnO2 ：Sb ,簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)ATO) 薄膜。薄膜。第62頁(yè)/共66頁(yè)第六十三頁(yè)，共67頁(yè)。ITO薄膜材料薄膜材料(cilio) 錫摻雜的錫摻雜的In2O3 (tin-doped indium oxide ,簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)ITO) 薄膜具薄膜具有透明性好、電阻率低、易蝕刻和易低溫制備等優(yōu)點(diǎn)，一直是有透明性好、電阻率低、易蝕刻和易低溫制備等優(yōu)點(diǎn)，一直是平板顯示器領(lǐng)域中使用的平板顯示器領(lǐng)域中使用的TCO 薄膜的首選材料。薄膜的首選材料。 ITO 薄膜具有復(fù)雜的立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，由于在薄膜具有復(fù)雜的立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，由于在In2O3 形成形成過(guò)程中

38、沒(méi)有構(gòu)成完整的理想化學(xué)配比結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中缺少氧過(guò)程中沒(méi)有構(gòu)成完整的理想化學(xué)配比結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中缺少氧原子原子(氧空位氧空位) ，因此存在過(guò)剩的自由電子，表現(xiàn)出一定的電子，因此存在過(guò)剩的自由電子，表現(xiàn)出一定的電子導(dǎo)電性。導(dǎo)電性。 同時(shí)，如果利用高價(jià)的陽(yáng)離子如同時(shí)，如果利用高價(jià)的陽(yáng)離子如Sn 摻雜在摻雜在In2O3 晶格中代晶格中代替替In3+ 的位置，則會(huì)增加自由導(dǎo)電電子的濃度，進(jìn)而提高的位置，則會(huì)增加自由導(dǎo)電電子的濃度，進(jìn)而提高(t go)In2O3 的導(dǎo)電性。在的導(dǎo)電性。在ITO 薄膜中薄膜中, Sn 一般以一般以Sn2+ 或或Sn4+ 的的形式存在，由于形式存在，由于In 在在In2O3 中是中是+ 3 價(jià)價(jià), Sn4+ 的存在將提供的存在將提供1 個(gè)個(gè)電子到導(dǎo)帶電子到導(dǎo)帶,相反相反Sn2+ 的存在將降低導(dǎo)帶中電子的密度。的存在將降低導(dǎo)帶中電子的密度。