第一讲 薄膜与高新技术

第一讲薄膜与高新技术薄膜的定义和特性薄膜与高新技术薄膜的分类本讲内容1.1薄膜的定义薄膜的定义和特性1.1薄膜的定义薄膜—thinfilm，layer,coating,foil当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时厚度定义：膜层无基片而能独立成形的厚度---薄膜厚度上限，与材料的力学性质相关功能定义：与具体研究的性能有关薄膜的定义1.1薄膜的定义薄膜固体薄膜液体薄膜厚膜(1m)薄膜(1m)纳米薄膜本课程关注的仅是沉积在固体表面上的固态薄膜Langmuir-BlodgettfilmsSAMFETRef:Schon,etal.,natureVol.413,pp.7132001Self-AssembleMonolayerOthers…..薄膜的特性薄膜材料有一个最为显著的优点:在保留基体材料原有特性的同时赋予其多种优良特性.金属+陶瓷膜塑料+金属膜轻金属+超硬薄膜既有刚性又耐磨绝缘材料金属化(导电薄膜)实现汽车等的轻量化……正是由于这些特点，在工业上得到了广泛地应用硬質耐摩陶磁薄膜高靭性、高強度金属基体高機能材料这解决了许多难题,使以前矛盾的不可兼有的特性可以同存一体薄膜的特性用料少，经济方面考虑新的效应新的材料容易实现多层膜薄膜和基片的粘附性薄膜的内应力缺陷1.薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。例：金箔、饰品、太阳能电池，GaN，SiC，Diamond2.新的效应某一维度很小、比表面积大例：极化效应、表面和界面效应、限域效应、耦合效应类金刚石薄膜……………最具工业应用前景最热门话题最具魅力的薄膜材料DLC(Diamondlikecarbon)特点□因其具有非晶质结构表面极其平滑□摩擦系数很低(空气中约0.1)具有极好的润滑性□高硬度(HV3000～5000)高耐磨性□绝缘膜金刚石石墨类金刚石薄膜(DLC)是工具、模具及摩擦运动零部件表面改性的理想材料DLCcoatedamagneticthin-filmdiskLiquidlubricant1-2nmDLC10-30nmMagneticcoating25-75nmAl-Mg/10mNiPorGlass-ceramic0.78-1.3mmThesurfaceofstretched(12%)videotapewithDLC-layerwithathicknessof30nm.Thesurfaceofstretched(12%)videotapewithoutDLC-layer.PhotoluminescencespectraofaseriesofGaN/AlxGa1-xNdoubleheterostructures(DH’s),Phy.RevB,57,R9435(1998)可以通过改变薄膜的厚度或者外加偏压来调节发光的波长表面和界面效应：表面态和界面态改变缺陷能级上的电子分布影响光电过程()/1()1FEEkTFEe-10-8-6-4-202468100.00.20.40.60.81.0F(E)(E-EF)/kT限域效应dYxz22220()2xykkEEnm出现亚能带，d较小时产生能隙退火通过退火控制带隙Science，306，1915（2004）Tc(blacksoliddots)andthedensityofstates(redstars)asafunctionofPbfilmthicknessMgO/ZnO多层膜耦合效应MgO~1.0nm，ZnO层厚度分别为：(a)0.75nm(b)1.25nm(c)2.0nm(d)2.5nmAppl.Phys.Lett.83,2010(2003)3.可以获得常态下不存在的非平衡和非化学计量比结构Diamond:工业合成,2000℃，5.5万大气压,CVD生长薄膜:常压，800度.MgxZn1-xO:体相中Mg的平衡固溶度为0.04,PLD法生长的薄膜中，x可0~1.a-Si1-xNx:H4.容易实现多层膜多功能薄膜：太阳能电池超晶格：GaAlAs/GaAs5.通常存在大量的缺陷ChemicalVaporDeposition(CVD)Molecularbeamepitaxy(MBE)，MetalorganicChemicalVaporDeposition(MOCVD)溅射、蒸发、微波、热丝、sol-gel、电沉积基板温度越低，点缺陷和空位密度越大成核取向不一样薄膜与高新技术互联网与薄膜技术采集、处理信息及通信网络设备中，都需要数量巨大的元器件、电子回路、集成电路等。而薄膜技术是制作这些元器件、电子回路、集成电路的基础。互联网与薄膜技术接近人类步行方式、能表现感情的机器人的实现，薄膜起着举足轻重的作用。PDP－等离子壁挂电视制作PDP的关键是在对角线1m以上大尺寸玻璃板表面形成数以百万计的放电胞。PDP－等离子壁挂电视放电胞的节距一般为200~400m，胞间障壁宽度为50m，高150m。汇流电极由透明导电膜作成，选址电极由Cr-Cu-Cr、Cr-Al、Ag膜作成。为保证电极寿命，需要在前玻璃基板表面涂敷MgO保护膜。要制作这些电极及各种膜层，显然离不开薄膜技术及微细加工技术。发展迅猛的TFT-LCD薄膜晶体管（TFT）与显示像素一个像素的大小大致在数十微米，薄膜晶体管的特征尺寸一般为3~5m。制作TFT需要在玻璃基板上形成非晶硅或多晶硅半导体膜，还要形成源极、栅极、漏极，每个像素都要有共用电极和显示电极(ITO膜)。此外还需要产生RGB三原色的滤色膜等。所有这些都离不开薄膜技术和微细加工技术。发展迅猛的TFT-LCDTFT-LCD制成品中的一个显示像素近年来，TFT-LCD在提高辉度、增大视角、提高图像分辨率、响应速度及增大画面尺寸等方面都获得突破。作为平板显示器的代表，液晶显示器在便携类产品（包括手机、数码相机等)、笔记本电脑、监视器、家用电视及超大屏幕显示器等领域的应用正迅猛扩展。生物计算机与薄膜技术科技前沿课题之一：制作与人类大脑相近的记忆（存储）系统，实现人工智能。关于记忆，己由硅半导体等构成的存储器来实现。但到目前为止，还未达到具有创造能力和人工智能的水平。目前，科学工作者正通过小鼠及兔子的小脑等神经细胞的培养，以实现神经网络功能。进行这项研究，离不开薄膜技术。生物计算机与薄膜技术若在平面上（阱中）培养，神经纤维会向四面八方伸出。在沟槽的位置，神经纤维会在沟槽中生长。这样，随着神经纤维沿沟槽生长，神经细胞之间实现接触、连接，进而形成回路网络。利用薄膜技术在石英板上制作150m见方的阱（well）以及连接阱的10m深的沟槽，再在阱中放置大白鼠脑的海马神经细胞。7天培养后，神经细胞的生长情况生物计算机与薄膜技术采用荧光显微镜对细胞①、②、③、④内的钙离子浓度进行了观察。发现细胞中标有①－④位置的亮度，大致以10s左右为周期，发生周期性变化，说明细胞是有生命活动的。随着这种生物计算机技术研究的进展，实现相当高度的智能化已不是梦想。正在进展中的人造大脑4Gb的集成电路需要在大约1·5cm见方的芯片上，制作40亿个三极管及其他元件，决定其最小加工尺寸的三极管栅长为0·1m。若将其扩大1万倍，相当于在150m见方，即足球场那么大的广场上，布置40亿个1mm见方的三极管，且其定位精度要保证在0·3mm以下，可以想象难度有多大。然而，采用薄膜技术就能胜任。微机械使重症患者起死回生由多种部件构成极微小型的微电子机械系统(microelectronicsmechanicalsystem，MEMS)：超微型马达加上各种各样的执行机构（传感器、流量计、泵、x、y、z三维方向的微动系统、计测器等）。直径1mm，长2mm中心转子直径50m，整体为0.1mm见方微机械使重症患者起死回生利用薄膜技术等制作出各种各样的超小型手术微机械，将其置于微密封舱（capsule）中，送入血管及内脏中，靠外部监控导入患部，完成手术并返回。在微密封舱中，装有与外部通信联络、相当于人的眼睛和耳朵的传感器等，以及十分完善的手术系统。这为完成动脉硬化、脑血栓等手术开辟了光明的前景，这种微机械有望挽救重症患者的生命。实现MEMS的薄膜与微细加工技术小圆镜：背面电极加有正、负电压时，发生相应的左、右倾斜（静电驱动）。小圆镜的倾斜频率极快，可达每秒3000次。通过该镜可使激光等反射，对目标物表面进行快速扫描，进行表面计量等。激光加工机中也采用这种静电型二维扫描仪。静电型二维扫描仪：大小：1.3mml.3mm；中间小圆镜：直径500m。实现MEMS的薄膜与微细加工技术微型多反应器：在45mm28mm的小型匹配箱中，设置96个大小为2mm2mm，深0.5mm的小型生化反应器。各个反应器可以在室温到100C范围进行温度调节，总体上可以设定数百种反应条件。其温度监测采用的是薄膜温度传感器。这种小型反应器可广泛应用于生化反应研究。例如，为了解细胞分裂等生化反应的动态过程，可在透射光照射下进行在线观测。实现MEMS的薄膜与微细加工技术高精细喷墨打印机：可对数码相机等拍摄的照片等进行高分辨率打印，清晰光洁。关键是打印头：在每一毫米的长度上，大约分布有30个打印孔，制作这种打印头离不开薄膜及超微细加工技术。墨汁由供墨口进入，由喷墨口喷出，并在纸上印刷。高质量印刷的关键是喷墨口的大小：直径大约为10m。薄膜制作简介薄膜制作简介真空蒸镀法（evaporation）：将被蒸发材料（镀料）置于坩锅中，通过加热使镀料熔化蒸发，蒸发的镀料则以分子或原子状态飞出，沉积在温度相对较低的基板上，形成薄膜。薄膜制作简介在基板上加有负电压，这样，在薄膜沉积的同时伴随有加速离子的碰撞轰击。离子镀中镀料蒸气射入基板时所带的能量可以达到真空蒸镀时的数万倍，由此为改善膜层的各种特性提供了可能性。离子镀（ionplating）：在坩锅和基板之间，通过不同方式（图中所示为直流二极方式）产生等离子体，镀料蒸气通过该等离子体时被部分离化。薄膜制作简介薄膜制作简介飞出的原子或分子沉积在与靶对向放置的基板上，形成薄膜。通常，由靶表面飞出的被溅射原子或分子的速度是蒸镀原子的50倍左右。溅射镀膜法（sputtering）：利用气体放电等离子体中产生的离子（通常为氢离子），轰击镀料靶的表面，产生溅射现象，使靶表面的原子或分子被碰撞飞出。薄膜制作简介由于CVD利用的是基板表面发生的反应，反应气体也能浸透到深孔等内部，因此在表面形状复杂的工件上也能均匀成膜。化学气相沉积法（chemicaIvapordeposition,CVD）：将含有欲成膜元素的气体，输运至被加热到几百度高温的基板表面，通过热分解、氧化、还原、置换等化学反应，析出所需要的成分并沉积成薄膜。原子的人工组装薄膜技术的未来目标之一:在物体上所希望的位置，去除不需要的原子，或安装所希望的原子，通过原子的人工组装实现超高密度器件。原子的人工组装扫描隧道显微镜（scanningtunnellingmicroscope,STM）：————可实现原子的人工组装采用金属尖探针（tip），使其与样品接近到1~2nm的程度。这一距离是tip与样品原子的电子云相重叠的距离。在tip和样品之间施加微小电压，就能流过微小电流（nA级）。保持该电流一定，即保持tip表面与样品表面的距离一定，使tip在x、y、z方向移动，即沿样品表面扫描。tip尖端按图中所示进行扫描，就可以探知表面原子的位置和排布。原子的人工组装扫描隧道显微镜（scanningtunnellingmicroscope,STM）：————可实现原子的人工组装tip和样品之间施加略高些的电压：在tip电场作用下，样品一侧的原子受tip吸引，脱离样品表面。若将tip向预定的场所移动，再施加相反方向的电压，则被移动的原子脱离tip尖端，落到所定的位置，由此实现单个原子的移动。原子的人工组装STM人工操作原子实例碳纳米管和富勒烯碳纳米管（carbonnano-tube,CNT）和富勒烯是纳米材料的典型碳纳米