【文章內(nèi)容簡介】 具有較高能量而質(zhì)量較小的離子在與物質(zhì)碰撞的過程中會發(fā)生散射現(xiàn)象，這 一相應(yīng)的過程被稱為盧瑟福散射。利用這一物理現(xiàn)象作為探測、分析薄膜材料的 化學(xué)成分的分布的方法，被稱為盧瑟福背散射技術(shù)。 如圖 (a)所示，由于離子能量很高而質(zhì)量又很小，因而它將具有一定的對物質(zhì)的穿 透能力，并且不會造成物質(zhì)本身的濺射。在穿透物質(zhì)的同時，高能離子與物質(zhì)間 的相互作用可以被分為不同的兩種情況： （ 1）高能離子在遠離原子核的地方通過，并以不斷激發(fā)原子周圍的電子的方式 消耗自身的能量。 （ 2）當(dāng)離子的運動軌跡接近了物質(zhì)的原子核時，它與后者之間將發(fā)生經(jīng)典的彈 性碰撞過程。 下圖是盧瑟福背散射分析所使用的裝置的示意圖。 返回 Solid State Laboratory Department of Electronic Engineering, CUHK 2MV Tandem Accelerator 2MV Tandem Accelerator Solid State Laboratory Department of Electronic Engineering, CUHK Analyser mag Ion Sources Accelerator tube Electrostatic quadruple triple lens External PIXE irradiation chamber Ionimplantation chamber Multipurpose irradiation chamber Incident ion Backscattered primary ion RBS/CRBS Bound (Auger) electrons AES Xray emission PIXE Displaced atoms Implantation Visible, UV photons Nuclear reactions ion, grays, neutrons NRA Secondary electrons Vacuum Solid 6 0 0 8 0 0 1 0 0 005 0 0 01 0 0 0 0SiAgCo C o27Ag73 C o75Ag25CountsC h a n n e lR BS S p e c tr a六、二次離子質(zhì)譜（ SIMS） 質(zhì)譜方法是利用電離后原子、分子或原子團質(zhì)量不同的特點分辨其化學(xué)構(gòu)成 的方法，相應(yīng)的分析儀器被稱為質(zhì)譜儀。利用質(zhì)譜儀可以直接對處于氣體狀態(tài)的 原子或分子進行分析。但對于固態(tài)物質(zhì)，就需要先用特定的手段將它變成可供分 析的離子狀態(tài)。二次離子質(zhì)譜就是利用離子濺射的手段，首先從固體的表面濺射 出二次離子，再對其進行質(zhì)量分析的儀器。 特點：具有極高的檢出極限，它可以檢測的元素相對含量甚至可以達到 106的低 水平，這是上面介紹過的各類成分分析方法所不能比擬的。 缺點：譜的分析比較復(fù)雜。 二次離子質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示， 它裝備有 Ar+、 O2以及 Cs+離子源，其能 量大致在 215keV之間。離子束轟擊樣品 后產(chǎn)生出的二次離子或離子團首先被引 入離子能量分析器，其結(jié)構(gòu)原理與前面 介紹過的靜電式俄歇電子能量分析器類似。 返回 第七章 薄膜材料及其應(yīng)用 第一節(jié) 耐磨及表面防護涂層 第二節(jié) 金剛石薄膜 第三節(jié) 集成電路及能帶工程 第四節(jié) 集成光學(xué)器件 第五節(jié) 磁記錄薄膜和光存儲薄膜 第六節(jié) 新型光電發(fā)射薄膜 AgBaO 第一節(jié) 耐磨及表面防護涂層 一、硬質(zhì)涂層 二、熱防護涂層 三、防腐涂層 一、硬質(zhì)涂層 常用于硬質(zhì)涂層的材料可按其材料類別被細分為陶瓷以及金屬間化合物兩類，而基底材料則是一些高強度、高韌性的合金材料。 特點： 都具有很高的硬度、熔點和彈性模量； 線膨脹系數(shù)較低； 斷裂韌性要低于常用的金屬材料。 第一個特點是采用硬質(zhì)涂層的原因，第二、三個特點的殘余熱應(yīng)力及與其密切 相關(guān)的涂層與基底間的附著力，涂層的疲勞及抗沖擊性能等。 涂層材料與基底材料線膨脹系數(shù)的差別將引起涂層及基底中產(chǎn)生很大的熱應(yīng) 力，嚴重時會導(dǎo)致涂層從基底表面脫落。 另一個衡量涂層抵搞溫度變化引起的應(yīng)力的指標(biāo)是熱沖擊抗力 ST，它與由溫度 差 ΔT 引起的熱流密度 TQd????與由線膨脹系數(shù)不匹配和溫度變化引起的熱應(yīng)力 σ之比有關(guān)，其具體表達式為 ( 1 )TQdSE????????其中， κ 為涂層材料的熱導(dǎo)率， d為涂層厚度， E和 v為涂層材料的楊氏模量和泊松比， Δα 為 涂層與襯底材料間線膨脹系數(shù)之差。 ST相當(dāng)于表面涂層中產(chǎn)生單位應(yīng)力時，相應(yīng)達到的熱流密度與涂層厚度和乘積。 ST的數(shù)值越大，則表示涂層受到一定大小的熱沖擊時產(chǎn)生的應(yīng)力也越小， 發(fā)生斷裂的傾向也越低。 氧化物陶瓷的熱導(dǎo)系數(shù) κ 大大低于其他材料，因而其 ST較低，最容易在溫度 變化的同時產(chǎn)生斷裂。 由于基底材料不同，可以采用的 CVD沉積溫度也有很大差別。 例如，沉積 TiN的不同方法就包括： （ 1）高溫法（ 8501200176。 C） 4 2 22 4 2 8T i C l N H T i N H C l? ? ? ?（ 2）中溫法（ 700850176。 C） 4 3 2 4( 5 / 2 ) ( , )TiCl CH CN H Ti C N CH CH Cl? ? ? ? ?（ 3）低溫法（ 300700176。 C） 4 2 2 32 2 7 2 8 2T i C l N H T i N H C l N H? ? ? ? ?其中，第三種方法需要以等離子體方法促進化學(xué)反應(yīng)的進行。 返回 二、熱防護涂層 提高高溫合金使用溫度，防止其在高溫氧化環(huán)境中產(chǎn)生性能退化的一個有效途徑是對其加以 熱防護涂層 。 這種熱防護涂層通常是由一層金屬涂層和一層氧化物熱防護層組成的復(fù)合涂層。 金屬涂層的一般的成分是 (Ni,Co,Fe)CrAlY， 作用： 在基底金屬與氧化物涂層之間提供一個過渡層，從而提高整個 熱防護層對基底材料的附著力。 金屬涂層的中稀土元素 Y還具有保護基底材料和涂層界面不被氧 化的重要作用。 氧化物熱防護層的主要組分是 ZrO2。 作用：具有低的熱導(dǎo)率，可以有效地降低高溫工作部件在關(guān)鍵部位的溫度， 從而達到提高材料的使用溫度的目的。 通常采用等離子噴涂的方法制備上述的熱防護復(fù)合涂層，涂層厚度為數(shù)百 微米。涂層后部件的使用溫度通?？梢赃_到 1300176。 C左右。 返回 三、防腐涂層 防腐涂層的種類可以依要求防護的材料和使用環(huán)境的不同有很大的差別。 （ 1）陽極防護性涂層。 Zn、 Al、 ZnAl、 AlMgRe合 金的涂層可以依靠自身較負的電極電位，提高 被涂層的鋼鐵材料抵抗各種大氣及海水條件侵 蝕的能力。這時，涂層本身作為陽極，保護了 作為陰極的鋼鐵基底，如圖所示。 （ 2）不銹鋼及各種鎳鉻合金涂層。不銹鋼表面會自然 形成一層致密的 Cr2O3保護膜，具有良好的耐腐 蝕性能和適當(dāng)?shù)膹姸取㈨g性、耐磨性和可加工性， 與鋼鐵材料基底的附著性好，因而常被噴涂于各種機械部件上，用以提高 其抗蝕性。 （ 3）陶瓷材料涂層。陶瓷材料一般均具有較好的抗腐蝕性能，還具有較好的耐 熱性能和耐磨性能，因而也可被用來制造耐蝕涂層。 （ 4）高分子材料涂層。高分子材料一般具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有適當(dāng) 的韌性和耐磨性能，因而也可以被用來制備金屬部件的防護涂層。 返回 第二節(jié) 金剛石薄膜 一、金剛石薄膜的制備技術(shù) 二、金剛石薄膜的應(yīng)用 一、金剛石薄膜的制備技術(shù) 合成金剛石薄膜的 CVD方法一般采用 1000176。 C以下的襯底溫度和低于 壓力條件，在這一溫度和壓力范圍內(nèi)，石墨是碳的穩(wěn)定相，而金剛石則是不穩(wěn)定 的。 下圖是目前使用最多的沉積金剛石薄膜的熱絲 CVD裝置示意圖。在襯底的上 方，裝有一根或數(shù)根被加熱至 2022176。 C左右高溫的導(dǎo)電金屬絲，它的作用是激活 流過它附近的由 H2和少量 CH4組成的工作