1、1,2019/6/22,薄膜物理与制备技术 (Thin films physics and prepare technologies),杨邦朝等,薄膜物理与技术,电子科技大学出版社 1994 陈国平 薄膜物理与技术，东南大学出版社，1993 郑伟涛 薄膜材料与薄膜技术 化学工业出版社出版社, 2004,教学内容和目标 主要讲述薄膜的基础知识及应用，真空技术基础，薄膜制备方法，形成机制和原理以及薄膜各项物理性能和分析方法等。通过本课程学习，使学生掌握薄膜基础知识，了解薄膜材料的制备技术及检测手段，为从事相关科研和生产工作奠定基础。,参考教材,2,2019/6/22,提纲 第一章 薄膜的基本概念及
2、应用 第二章 真空技术基础 第三章 薄膜的制备技术 实验 第四章 薄膜的形成和生长 第五章 薄膜的表征 第六章 常用的薄膜材料简介 实验 考试,薄膜物理与制备技术 (Thin films physics and prepare technologies),3,2019/6/22,第一章 薄膜的基本概念及应用,薄膜的研究背景 人类对自然的认识及加工技术的发展 米-毫米-微米-纳米,米(尺)年代 远古时代,14-18世纪的手工工场技术,4,2019/6/22,毫米(1/1000米)时代 18-19世纪 以蒸气机为代表的第一次工业革命,毫米技术导致20世纪初叶 一系列重大发现: 电子 电磁波 X-射
3、线 电灯 电话 真空管,世界上第一只 半导体晶体管 (1947年,贝尔 电话研究所),第一章 薄膜的基本概念及应用,5,2019/6/22,占地面积达170平方米，重达30吨, 有成千上万个电子管、二极管、电阻器等元件，电路的焊接点多达50万个, 耗电量超过174千瓦小时. 1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算，是手工计算的20万倍,莫克利,第一台电脑诞生在情人节,1946年2月14日，在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院, “埃尼阿克”(ENIAC)诞生.,第一章 薄膜的基本概念及应用,6,2019/6/22,微米(1/1000 000 米)技术 20世纪60年代至今 60年代开
4、始以硅半导体集成 技术为代表的第二次工业革命,0.5微米技术: 7.44x5.29平方毫米的硅片上制造了174569个CMOS晶体管 (1997年),第一章 薄膜的基本概念及应用,7,2019/6/22,1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore 预言集成电路产业的发展规律,集成电路的集成度每三年增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 倍,第一章 薄膜的基本概念及应用,8,2019/6/22,纳米(1/1000 000 000 米)技术 -21世纪的新课题,1纳米 = 1 亿分之一的头发丝1纳米 = 10 埃，进入原子尺度,目前，微电子工业加工精度已普遍进入纳米时代，纳米管、纳
5、米线、纳电子器件等成为新的研究热点。 正是对器件小型化的要求促使了薄膜技术的大发展。,第一章 薄膜的基本概念及应用,9,2019/6/22,从三维到二维、再到一维、零维,半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料,第一章 薄膜的基本概念及应用,10,2019/6/22,薄膜的基本概念 Concept of Thin Film,What is a “thin film“ ? 二维材料： thin = less than about one micron ( 10,000 Angstroms,1000 nm) film = layer of material on a sub
6、strate,第一章 薄膜的基本概念及应用,11,2019/6/22,“不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方，然后很惊人地慢慢扩展，直到抵达在下风处的水池边缘，布满了水池的那个区域，可能有半英亩（1英亩约为4000平方公尺）之广，而表面平滑的像面镜子。”薄膜科学的发展历史,薄膜科学的发展 History of thin Film,美国著名的科学家、作家兼政治家的富兰克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了这样的描述：,第一章 薄膜的基本概念及应用,12,2019/6/22,和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅短。在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的
7、化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分别由化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所产生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以薄膜来称呼。,薄膜科学的发展 History of thin Film,第一章 薄膜的基本概念及应用,13,2019/6/22,从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 我国对薄膜的制备与应用已经有一千多年的发展历史。从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地研究薄膜材料则起始于本世纪五十年代。 直到本世纪80年代, 薄膜科学才发展成为
8、一门相对独立的学科。 促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。,薄膜科学的发展 History of thin Film,第一章 薄膜的基本概念及应用,14,2019/6/22,等离子壁挂电视 Plasma Display Panel (PDP),1964年美国伊利诺斯大学就 成功研制出了等离子显示平板， 但那时等离子显示器为单色,A model relaxes in front of the Panasonic plasma HDTV screen at the Panasonic stand during
9、the recent CeBIT computer fair in Hanover, Germany.,现代薄膜技术的应用,15,2019/6/22,液晶显示 Liquid Crystal Display (LCD)、 STN（Super Twisted Nematic） TFT,薄膜的应用,16,2019/6/22,有机电致发光Organic Light Emitting Diode (OLED),1987年美国柯达公司的Tang和1990年英国剑桥大学 Burroughes分别推出有机和高分子电致发光材料及器件,电致发光有广泛的应用前景，比如它将代替液晶，成为下一代超薄显示器，具有其他超薄
10、显示器不可比拟的优点，比如主动发光，大视角，高亮度，低电压和节能等,三明治结构,薄膜的应用,17,2019/6/22,非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池是在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al).光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和铝引出，其结构可表示为glass/TCO/pin/Al，此外还有二硒化铜、铟、镓(CIGS)或碲化镉(CdTe）等多种薄膜太阳能电池，是当今产业热点，其生产过程中多处要用到薄膜技术,薄膜的应用,18,2019/6/22,在信息存贮技术中的应用,compact diskrec
11、ordable,Digital Video diskrecordable,薄膜的应用,19,2019/6/22,在日常生活中的应用,薄膜的应用,20,2019/6/22,The discovery of carbon nanotubes,Armchair (5,5)Zigzag (9,0)Chiral (10,5),Iijima, Nature (1991) Iijima et al., Nature (1993) Bethune et al., Nature (1993),The first TEM (Transmission Electron Microscope) image of mu
12、ltiwall carbon nanotubes:,薄膜的应用,21,2019/6/22,CNT is a next-generation display technology that its creators hope will deliver better picture quality than existing plasma and LCD TVs.,Carbon Nanotube Television (CNT),1995年，研究并证实了其优良的场发射性 1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长； 1998年，应用碳纳米管作电子管阴极； 1998年，使用碳纳米管制作室温工作
13、的场效应晶体管； 1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管； 2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。,薄膜的应用,22,2019/6/22,在微电子工业中的应用,集成电路制造的关键环节，要反复用到薄膜技术薄膜技术是微电子技术的基础，促进了器件的小型化晶体管在制造，器件的互连，金属导电薄膜，钝化膜以及封装等均须用到薄膜技术,薄膜的应用,23,2019/6/22,薄膜在当今和未来都拥有十分广泛的应用领域， 尤其是微电子和光电子领域。按功能和应用领域分类：,电子薄膜光学薄膜硬质薄膜、耐蚀薄、润滑薄膜装饰薄膜包装薄膜生物薄膜,薄膜的分类,第一章 薄膜的基本概念及
14、应用,24,2019/6/22,thermodynamics and kinetics,solid statephysics,electricity and magnetism,mechanics,Thin Film,涉及的物理内容,薄膜科学逐渐发展成为一门多学科交叉的边缘学科,growth kinetics,crystallography,conductivity - resistivity magnetic properties,optics,stresses in films friction and wear,第一章 薄膜的基本概念及应用,25,2019/6/22,蒸发镀膜技术溅射镀膜
15、技术离子镀膜技术化学气相沉积技术分子束外延技术LB技术Sol-Gel技术, 薄膜的制备技术,第一章 薄膜的基本概念及应用,总体可分为物理气相沉积和化学气相沉积， Sol-Gel，新的制备技术也在不断开发,26,2019/6/22,薄膜成长的过程、机理与影响因素 制备技术热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、DC溅镀、RF溅镀、反应溅镀、磁控溅射；化学气相镀膜技术常压CVD、低压CVD、等离子CVD、共振CVD； 薄膜生长材料匹配、应力层超晶格、低温生长、分子束外延 薄膜的表征技术-STM、TEM、 SEM、 XRD AFM,薄膜科学中的热点问题,第一章 薄膜的基本概念及应用,27,2019/6/
16、22,Scanning Tunneling Microscopy = STM,STM was first invented by Gerd Binning and Hienrich Rohrer in 1981 at IBM Laboratories. They could get images that were ten angstroms square!,薄膜表征技术的新进展,28,2019/6/22,Scanning Probe Microscope- NanoScope,STM images of Si surface,29,2019/6/22,The word IBM written
17、 with atoms deposited on a surface (from: IBM Research, Almaden).,The smallest advertisement in the word,Examples by STM: Manipulation of atoms,30,2019/6/22,Examples by STM: Manipulation of atoms,Atomic map of China,Carbon atoms on the surface of graphite,31,2019/6/22,Carbon60 on the Cu Surface,Molecular abacus,Co on the Pt Surface,5 nm,32,2019/6/22,Atomic Force Microscopy = AFM,观察薄膜表面形貌，精度可达纳米级,33,2019/6/22,Theory of AFM,34,2019/6/22,AFM image of Si (111) Height image Non-contact mode,35,2019/6/22,第二章 真空技术基础,其它薄膜表征技术：掠入射XRD，SEM，XPS，卢瑟福背散射等技术 希望同学们在课后认真阅读相关书籍资料，能够有所收获,
