【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 裝置： 工作室 分子束噴射源 超高真空系統(tǒng) 各種監(jiān)控儀器 將制備薄膜所需要的物質(zhì)和摻雜劑分別放入系統(tǒng)中若干噴射源的坩堝內(nèi)，加熱使物質(zhì)熔化產(chǎn)生相應(yīng)的分子束。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 /SPM/MOKE/M246。ssbauer Spectrometer VTSPM LED/AES M246。ssbauer Spectrometer MOKE MBE/EBE RHEED 分子束外延 MBE設(shè)備 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 王曉東， 2022年畢業(yè)，理學(xué)博士學(xué)位，讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎(jiǎng)學(xué)金。先后在日本神戶(hù)大學(xué)， 瑞典 Chalmer大學(xué)做博士后 ?，F(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成技術(shù)中心副研究員， 周大勇， 2022年畢業(yè)，理學(xué)碩士學(xué)位， 2022年畢業(yè)于荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)物理系，獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在 法國(guó)博士后 。 瀾清， 2022年畢業(yè)，理學(xué)碩士學(xué)位，后獲得北京大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)在 法國(guó)博士后 。 孔云川， 2022年畢業(yè)，理學(xué)碩士學(xué)位，讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎(jiǎng)學(xué)金。現(xiàn)在 美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位 。 徐曉華， 2022年秋季畢業(yè)，工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)在 美國(guó)Advanced Materials公司北京分公司工程師。 倪海橋， 2022年博士后出站。留在本課題組工作，現(xiàn)已評(píng)為副研究員。 龔政， 2022年春季畢業(yè)，理學(xué)博士學(xué)位， 讀研期間曾獲得中科院劉永齡獎(jiǎng) ?，F(xiàn)在 英國(guó) University of Strathclyde博士后 。 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所分子束外延課題組 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ⑥ 激光蒸發(fā)鍍膜 (laser ablation)裝置 使用高功率的激光束作為能量進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積的方法叫 激光沉積法 。 特點(diǎn)： 加熱溫度高、可避免坩堝污染、材料的蒸發(fā)速率高、蒸發(fā)過(guò)程容易控制等特點(diǎn)。 同時(shí)由于在蒸發(fā)過(guò)程中，高能激光光子將能量直接傳給被蒸發(fā)的原子， 因而激光蒸發(fā)法的粒子能量一般顯著高于其它的蒸發(fā)方法。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ? 在激光加熱方法中，需要采用特殊的窗口材料將 激光束 引入真空室中，并要使用透鏡或凹面鏡等將激光束聚焦至被蒸發(fā)材料上。針對(duì)不同波長(zhǎng)的激光束，需要選用 不同光譜透過(guò)特性的窗口和透鏡材料 。 ? 激光加熱方法特別適用于蒸發(fā)那些 成分比較復(fù)雜的合金或化合物材料 ，比如近年來(lái)研究較多的高溫超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7等。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 Laser Ablation薄膜沉積裝置 (or Laser deposition) 準(zhǔn)分子激光 (KrF、 248nm、25J/cm2) 蒸鍍只用于鍍制對(duì) 結(jié)合強(qiáng)度要求不高 的某些功能膜 ， 例如用作電極的導(dǎo)電膜 、 光學(xué)鏡頭用的增透膜等 。 蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí) ， 在保證合金成分這點(diǎn)上 ， 要比濺射困難得多 ， 但在鍍制純金屬時(shí) ， 蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速率快的優(yōu)勢(shì) 。 (3)蒸鍍用途 3． 濺射制膜 (Sputtering) 定義： 在真空室中 ， 利用荷能粒子轟擊靶材表面 ，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù) 。 濺射鍍膜有兩種： 離子束濺射： 在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面成膜。 （離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴，只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的薄膜時(shí)才采用離子束濺射。） 另一種是在真空室中，利用 低壓氣體放電現(xiàn)象 ，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒子堆積在基片上。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 優(yōu)點(diǎn)： ?靶材沉積在基片上時(shí)，不會(huì)造成任何化學(xué)變化或成分改變。 ?對(duì)于任何待鍍材料，只要能作成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射。（ 可將任何材料 沉積 在任何基材上 ） ?膜和基體表面間的黏著性比蒸鍍法好。 ?薄膜純度高，致密性好。 ①直流二級(jí)濺射 ②三級(jí)和四極濺射 ③射頻濺射 ④磁控濺射 ⑤合金膜的鍍制 ⑥化合物膜的鍍制 ⑦離子束濺射 濺射方法： 靶材為良導(dǎo)體的濺射 適合任何一類(lèi)靶材的濺射 沉積溫度低，沉積速率高 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 直流濺射沉積裝置示意圖 接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)。 帶正電的 Ar離子 加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)表面濺射 ，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。 ①直流二級(jí)濺射 抽真空 通 Ar氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ③射頻濺射 其 缺點(diǎn) 是大功率的射頻電源不僅價(jià)高，而且對(duì)于人身防護(hù)也成問(wèn)題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。 可以制取 從導(dǎo)體到絕緣體任意材料 的膜 ,可在大面積基片上沉積薄膜。 射頻 是指無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射范圍的頻率 ， 為了避免干擾電臺(tái)工作 ， 濺射專(zhuān)用頻率規(guī)定為 。 在射頻電源交變電場(chǎng)作用下 ， 氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩 ，并使氣體電離為等離子體 。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ④磁控濺射 具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。 高速 是指沉積速率快，低溫和低損傷 是指基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小。 在濺射過(guò)程中，由陰極發(fā)射出來(lái)的電子在電場(chǎng)的作用下具有向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但是，在垂直磁場(chǎng)的作用下，它的運(yùn)動(dòng)軌跡被其彎曲而重新返回靶面。束縛和延長(zhǎng)了電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高電子對(duì)工作氣體的電離效率和濺射沉積率 。 磁控濺射是應(yīng)用最廣泛的一種濺射沉積方法，其主要原因是這種方法的 沉積速率可以比其他濺射方法高出一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 這會(huì)使 電子到達(dá)陽(yáng)極前的行程大為延長(zhǎng) , 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷與原子發(fā)生碰撞 , 電離出大的離子。 離子在高壓電場(chǎng)加速作用下 , 與靶材撞擊并 釋放出能 ,導(dǎo)致靶材表面的原子吸收離子的動(dòng)能而 脫離原晶格束縛 , 呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片 ,并在基片上 沉積 形成薄膜。 磁控濺射系統(tǒng)在 真空室 充入 惰性氣體 , 作為氣體放電的載體 , 陰極靶材的下面放一強(qiáng)力 磁鐵 。 在高壓作用下原子電離成為離子和電子 , 產(chǎn)生等離子輝光放電 , 電子在加速飛向基片的過(guò)程中 , 受到 電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電作用力和磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的共同作用 正交電磁場(chǎng)作用 , 產(chǎn)生漂移 ,并做跳欄式的運(yùn)動(dòng)。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ZnO薄膜作為極好的透明電極材料，主要用作太陽(yáng)電池的窗口材料，對(duì)促進(jìn)廉價(jià)太陽(yáng)電池的發(fā)展具有重要意義。 磁控濺射法是目前（尤其是國(guó)內(nèi)）研究最多、最成熟的一種 ZnO薄膜制備方法 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 選用 Si(100)為襯底 , 清洗 SiO2層 －通過(guò)普通的半導(dǎo)體熱氧化工藝在 Si(100)基片上氧化而成 ,厚約 300nm（擴(kuò)散阻擋層也是熱絕緣層） Pt層和 TiOX層均由直流濺射法制備 ,厚度分別為 200nm和 20nm。 TiOX 膜 增加 Pt膜附著力的作用 。 隨后應(yīng)用射頻磁控濺射法在 Pt和 Si襯底上沉積 BST鈦酸鍶鋇 薄膜 . 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 在 Si 襯底上生長(zhǎng)的薄膜晶粒尺寸較大 ,結(jié)構(gòu)較致密 ,但仍出現(xiàn)了 少量尺寸較小的空洞 。 在 Pt/TiOX/SiO2 襯底上制備的 BST 薄膜晶粒更細(xì)小而均勻 ,表面沒(méi)有裂紋和空洞等缺陷 ,結(jié)構(gòu)更致密。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 (2)濺射制膜技術(shù)的應(yīng)用 ① 濺射制膜法適用性非常之廣。 ? 就薄膜的組成而言，單質(zhì)膜、合金膜、化合物膜均可制作。 ? 就薄膜材料的結(jié)構(gòu)而言，多晶膜、單晶膜、非晶膜都行。 ? 若從材料物性來(lái)看，可用于研制光、電、聲、磁或優(yōu)良力學(xué)性能的各類(lèi)功能材料膜。 ②高溫材料的低溫合成。 利用濺射技術(shù)可在較低溫度下制備許多高溫材料的薄膜。 如 TiN、 TiC、 B4C、BiC、 PbTi03及金剛石薄膜等。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 ③多層結(jié)構(gòu)的連續(xù)形成。 用濺射法容易制備化學(xué)組成按層變化的多層膜。具體做法大致有以下兩種。 a．變換放電氣體法。對(duì)于 同一種靶在不同的放電氣體中濺射 ，所得薄膜當(dāng)然不同。因而只需在濺射過(guò)程中變換放電氣體就能連續(xù)形成多層膜。 b．多靶輪換法。在同一個(gè)工作室內(nèi)安裝 2個(gè)以上的不同靶陰極 。有的是陽(yáng)極可以轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到與某個(gè)靶子相對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行濺射。也有的是安裝主、輔靶，以電路的通斷來(lái)控制靶子是否被濺射。 納米材料及納米工藝 第 三 章 納米薄膜材料 材料化學(xué) 系 基片（光學(xué)玻璃）座為一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的不銹鋼圓筒，在整個(gè)濺射過(guò)程中它一直在旋轉(zhuǎn)以避免樣品表面的溫升過(guò)高。 當(dāng)制備 Cu－高聚物（ PTFE）納米鑲嵌膜時(shí)， 交替 地驅(qū)動(dòng) PTFE 靶和銅靶，控制各個(gè)靶的濺射時(shí)間來(lái)調(diào)控銅粒子的密度與分布。 濺射法亦可用來(lái)制備銅－高聚物