《薄膜物理与技术》PPT课件.ppt

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1、薄膜的性质薄膜的性质薄膜的性质薄膜的性质 进进入入20世世纪纪以以来来薄薄膜膜技技术术无无论论在在学学术术上上还还是是在在实实际际应应用用中中都都取取得得了了丰丰硕硕的的成成果果。其其中中特特别别应应该该指指出出的的是是下下述述三个方面。三个方面。第第一一是是以以防防反反射射膜膜、干干涉涉滤滤波波器器等等为为代代表表的的光光学学薄薄膜膜的的研研究究开开发发及及其其应应用用。这这种种薄薄膜膜在在学学术术上上有有重重要要意意义义，同同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。第第二二是是在在集集成成电电路路（IC、LSI）等等电电子子工

2、工业业中中的的应应用用。一一个个显显著著成成果果是是外外延延薄薄膜膜生生长长。特特别别是是随随着着电电路路的的小小型型化化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。薄膜的性质薄膜的性质 第第三三是是对对材材料料科科学学的的贡贡献献。薄薄膜膜技技术术本本身身属属于于非非平平衡衡过过程程，与与通通常常的的材材料料的的热热平平衡衡制制备备法法相相比比，薄薄膜膜材材料料的的非非平平衡衡特特征征非非常常明明显显。虽虽然然这这种种非非平平衡衡过过程程也也有有缺缺点点，但但可可以以制制备备普普通通相相图图中中不不存存在在的的物物质质。这这些些都都是是很

3、很突突出出的优点。的优点。在在研研究究物物性性时时，发发现现物物体体的的大大小小会会对对物物性性产产生生影影响响。这这种种效效应应称称为为尺尺寸寸效效应应。在在粉粉末末、微微粒粒子子等等状状态态中中也也发发现有这种效应。现有这种效应。薄膜的性质薄膜的性质 熔点降低熔点降低 干涉效应干涉效应 表面散射表面散射 平面磁化各向异性平面磁化各向异性 表面能级表面能级 量子尺寸效应量子尺寸效应 对对于于薄薄膜膜来来说说在在厚厚度度这这一一特特定定方方向向上上，尺尺寸寸很很小小，而而且且在在厚厚度度方方向向上上由由于于表表面面、界界面面的的存存在在，使使物物质质的的连连续续性发生中断，由此对薄膜性质产生各

4、种各样的影响。性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。薄膜的性质薄膜的性质熔点降低熔点降低熔点降低熔点降低 熔点降低熔点降低熔点降低熔点降低 在在此此考考虑虑半半径径为为 的的固固体体球球。考考虑虑此此球球与与其其外外侧侧相相（液液体体）的的界界面面能能，求求块块体体(buk)材材料料熔熔点点 和和小小球球熔熔点点 之之间的关系。间的关系。设：固设：固-液相间的界面能为液相间的界面能为 固体的熔解热为固体的熔解热为 熔解过程中熵的变化熔解过程中熵的变化 固体的密度为固体的密度为薄膜的性质薄膜的性质熔点降低熔点降低熔点降低熔点降低 当当质质量量为为 的的物物质质熔熔化化变变为为液液体体球球

5、的的表表面面积积产产生生的的 变化变化 ，其热力学平衡关系式如下：，其热力学平衡关系式如下：对于体材料：对于体材料：将将 ，代入上式，得到代入上式，得到半径越小，半径越小，越低。越低。薄膜的性质薄膜的性质熔点降低熔点降低熔点降低熔点降低 以以Pb为例：为例：当当 时，时，当当 时，时，尽尽管管上上述述讨讨论论是是固固体体-液液体体系系统统，对对于于固固体体-气气体体系系统统仍仍有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。薄膜的性质薄膜的性质干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应 干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应 从从历历史史上上看看，在在与与薄薄膜膜尺尺寸寸效效应应相相关关的的性性质

6、质中中，最最早早开开始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。置置于于空空气气中中的的薄薄膜膜对对光光的的干干涉涉效效应应，可可根根据据斯斯奈奈尔尔折折射射定律和菲涅耳公式进行推导和计算。定律和菲涅耳公式进行推导和计算。但但是是，要要考考虑虑薄薄膜膜内内部部的的多多重重反反射射效效应应，其其计计算算结结果果是是相相当当复复杂杂的的，下下面面以以由由单单层层透透明明薄薄膜膜和和透透明明基基片片组组成成的的系系统统为为例例，给给出出垂垂直直入入射射时时反反射射率率的的公公式式，这这是是研研究究更更复复杂杂系系统统的基础。的基础。透射率可由反射率直接计算。透射率可由反射率直

7、接计算。薄膜的性质薄膜的性质干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应空气的折射率空气的折射率单层膜的折射率单层膜的折射率单层膜的膜厚单层膜的膜厚基片的折射率基片的折射率空气空气薄膜交界面的振幅反射率薄膜交界面的振幅反射率空气空气薄膜交界面的振幅透射率薄膜交界面的振幅透射率薄膜薄膜基片交界面的振幅反射率基片交界面的振幅反射率薄膜薄膜基片交界面的振幅透射率基片交界面的振幅透射率薄膜内光的位相变化薄膜内光的位相变化假设：假设：薄膜的性质薄膜的性质干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应 对特定波长的反射率为对特定波长的反射率为 与薄膜系统的折射率和薄膜内与薄膜系统的折射率和薄膜内相位的变化有关。相位的变化有关。相位

8、的变化为相位的变化为 ，由此可以确定薄膜厚度。，由此可以确定薄膜厚度。m为正整数为正整数在此条件下，有在此条件下，有反射停止条件反射停止条件薄膜的性质薄膜的性质干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应 布拉格反射器应用广泛。布拉格反射器应用广泛。原原理理：层层状状介介质质结结构构的的反反射射率率既既取取决决于于材材料料的的折折射射率率，又又取决于层状结构的周期性。取决于层状结构的周期性。当当 足够大时，反射率趋于足够大时，反射率趋于1 1。薄膜的性质薄膜的性质干涉效应干涉效应干涉效应干涉效应 增透膜，高反膜，干涉滤光膜等增透膜，高反膜，干涉滤光膜等薄膜的性质薄膜的性质表面散射表面散射表面散射表面散射

9、表面散射表面散射表面散射表面散射 研研究究薄薄膜膜表表面面对对电电子子输输运运影影响响的的最最完完整整的的理理论论是是Sondheimer建建立立的的，该该理理论论描描述述了了关关于于表表面面以以及及尺尺寸寸效效应应对电导的影响。对电导的影响。Sondheimer假假定定，在在和和表表面面相相碰碰撞撞的的电电子子中中，发发生生弹弹性性碰碰撞撞的的几几率率 （），发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞的的几几率率为为()。在在这这种种边边界界条条件件下下，求求解解关关于于电电子子分分布布的的波波耳耳兹兹曼曼方方程程，并计算出分布函数。并计算出分布函数。薄膜的性质薄膜的性质表面散射表面散射表面散射表面散射

10、在在线线性性响响应应范范围围，即即欧欧姆姆定定律律成成立立的的范范围围。电电子子散散射射的的弛弛豫豫时时间间 ，电电场场方方向向在在膜膜表表面面之之内内，并并取取电电场场的的方方向向为为 方方向，与膜表面垂直的方向为向，与膜表面垂直的方向为 方向，分布函数方向，分布函数 为：为：在在 方向的电流密度方向的电流密度 和分布函数之间的关系为和分布函数之间的关系为式式中中，e为为电电子子电电量量，m为为电电子子质质量量，h为为普普朗朗克克常常数数。积积分分范围是在速度空间的全部体积内进行。范围是在速度空间的全部体积内进行。薄膜的性质薄膜的性质表面散射表面散射表面散射表面散射式式中中 ，为为薄薄膜膜厚

11、厚度度，为为膜膜厚厚无无穷穷大大时时电电子子的的平平均均自由程。自由程。为膜厚无穷大时的电导率。为膜厚无穷大时的电导率。在在 的条件下，可以近似为的条件下，可以近似为 即即 和和1d之之间间近近似似直直线线关关系系。在在这这里里 是是至至关关重重要的，表面散射的效应反映在要的，表面散射的效应反映在 中。中。这这种种效效应应也也能能从从电电阻阻温温度度系系数数、霍霍耳耳系系数数、热热电电能能、电电流磁场效应反映出来。流磁场效应反映出来。薄膜的性质薄膜的性质平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性 平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性 铁铁磁磁性

12、性薄薄膜膜内内部部的的磁磁化化方方向向，一一般般都都位位于于膜膜面面之之内内。而而且且，在在膜膜面面内内都都有有一一个个确确定定的的磁磁化化方方向向。这这种种性性质质称称为为平面磁化各向异性。平面磁化各向异性。这这种种平平面面磁磁化化产产生生的的原原因因，是是由由于于退退滋滋场场引引起起的的静静磁磁能。能。设设自自发发磁磁化化的的大大小小为为 ，其其方方向向与与表表面面的的夹夹角角为为 ，则退磁场则退磁场 可由下式给出可由下式给出薄膜的性质薄膜的性质平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性退磁场产生的静磁能为退磁场产生的静磁能为 由于由于 时，时，最小；最小；时，时，最

13、大。所以位最大。所以位于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。于膜面之内的自发磁化是稳定的状态。磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内磁化轴指向某一方向的另外原因，一般认为是由薄膜内晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因晶粒的形状、内应力、磁致伸缩、以及沉积过程中磁场等因素所决定的。素所决定的。薄膜的性质薄膜的性质平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性平面磁化各向异性 薄薄膜膜中中的的磁磁畴畴不不能能完完全全是是单单一一的的，往往往往会会分分成成若若干干个个磁磁畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。畴。在磁畴与磁畴相交界的磁畴壁中，磁壁会逐渐地翻转。如

14、如果果薄薄膜膜的的厚厚度度小小，这这种种翻翻转转也也会会在在膜膜面面内内发发生生，这这种种磁畴壁称为奈尔畴壁磁畴壁称为奈尔畴壁(Neel wall)；如如果果膜膜层层很很厚厚，磁磁化化翻翻转转会会在在与与膜膜面面垂垂直直的的面面内内发发生生，这种磁踌壁称为布洛赫畴壁这种磁踌壁称为布洛赫畴壁(Bloch wall)。薄膜的性质薄膜的性质表面能级表面能级表面能级表面能级 表面能级表面能级表面能级表面能级 这这种种计计算算方方法法的的要要点点：在在固固体体内内部部，描描写写电电子子态态的的波波函函数数是是周周期期性性波波函函效效，而而在在固固体体外外侧侧，电电子子态态的的波波函函数数是是呈呈指指数数

15、衰衰减减的的，使使这这两两个个波波函函数数平平滑滑连连接接所所得得到到的的函函数数即即为表面电子态波函数。为表面电子态波函数。在在固固体体的的表表面面，原原子子周周期期排排列列的的连连续续性性发发生生中中断断。在在这这种种情情况况下下，电电于于波波函函数数的的周周期期性性当当然然也也要要受受到到影影响响，Tamm和和shockley把表面考虑在内计算了电子波函数。把表面考虑在内计算了电子波函数。薄膜的性质薄膜的性质表面能级表面能级表面能级表面能级 由由于于该该波波函函数数产产生生了了新新的的约约束束条条件件，因因此此，在在完完全全按按周周期期性性条条件件求求解解的的能能隙隙中中会会出出现现几几

16、个个电电子子态态能能级级，这这种种电电子态能级称为表面能级（表面电子态）。子态能级称为表面能级（表面电子态）。表表面面电电子子态态是是指指局局域域在在表表面面的的电电子子态态，其其能能量量位位于于体体材料能带的禁带中。材料能带的禁带中。由由于于固固体体中中的的电电子子相相互互作作用用极极为为复复杂杂，通通常常采采用用近近似似方方法法。具具体体计计算算常常采采用用固固体体物物理理中中的的研研究究单单电电子子能能带带的的方方法：法：近自由电子近似（近自由电子近似（NFE），），Shockley能级能级紧束缚近似（紧束缚近似（TBA），），Tamm能级能级徐亚伯著徐亚伯著.表面物理导论表面物理导论.

17、浙江大学出版社，浙江大学出版社，1992.Pp212-231薄膜的性质薄膜的性质表面能级表面能级表面能级表面能级 表表面面态态的的数数日日和和表表面面原原子子的的数数目目具具有有同同一一数数量量级级，象象薄薄膜膜这这种种表表面面影影响响大大的的固固体体，表表面面能能级级数数量量会会影影响响薄薄膜膜内内的的电电子子输输运运状状况况。特特别别是是在在半半导导体体等等载载流流子子少少的的物物质中，会产生很大的影响。质中，会产生很大的影响。薄膜的性质薄膜的性质量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 传导电子的德布罗意波长，在普通金属中是几个埃

18、，在传导电子的德布罗意波长，在普通金属中是几个埃，在金属铋（金属铋（Bi）中为几百埃。）中为几百埃。在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值。由此会对电子的输运现象运动相关的能量将取分立的数值。由此会对电子的输运现象产生影响，和德布罗意波的干涉相关连的效应一般称为量子产生影响，和德布罗意波的干涉相关连的效应一般称为量子尺寸效应（尺寸效应（quantum size effect）。）。薄膜的性质薄膜的性质量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 取取 ,轴轴在在薄薄膜膜面面内内，取取 轴轴与与膜膜面面垂垂直直，薄薄膜膜的的长度和宽度为长度和宽度为 和和 ，厚度为，厚度为 。可可把把这这种种薄薄膜膜看看成成是是对对电电子子起起束束缚缚作作用用的的扁扁平平的的盒盒子子形态，此盒中电子的波函数为形态，此盒中电子的波函数为式中，式中，薄膜厚度薄膜厚度