薄膜的性质课件.PPT

薄膜的性质 薄膜的性质 进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。其中特别应该指出的是下述三个方面。 第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。 第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。一个显著成果是外延薄膜生长。特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。 薄膜的性质 第三是对材料科学的贡献。薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。虽然这种非平衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物质。这些都是很突出的优点。 在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。这种效应称为尺寸效应。在粉末、微粒子等状态中也发现有这种效应。 薄膜的性质 ★ 熔点降低 ★ 干涉效应 ★ 表面散射 ★ 平面磁化各向异性 ★ 表面能级 ★ 量子尺寸效应 对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。 薄膜的性质——熔点降低 ★ 熔点降低 在此考虑半径为 的固体球。考虑此球与其外侧相（液体）的界面能，求块体(buk)材料熔点 和小球熔点 之间的关系。 设：固-液相间的界面能为 固体的熔解热为 熔解过程中熵的变化 固体的密度为 薄膜的性质——熔点降低 当质量为 的物质熔化变为液体．球的表面积产生的 变化 ，其热力学平衡关系式如下： 对于体材料： 将 ， 代入上式，得到 半径越小， 越低。 薄膜的性质——熔点降低 以Pb为例： 当 时， 当 时， 尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。 薄膜的性质——干涉效应 ★ 干涉效应 从历史上看，在与薄膜尺寸效应相关的性质中，最早开始研究的性质是薄膜对光的干涉效应。 置于空气中的薄膜对光的干涉效应，可根据斯奈尔折射定律和菲涅耳公式进行推导和计算。 但是，要考虑薄膜内部的多重反射效应，其计算结果是相当复杂的，下面以由单层透明薄膜和透明基片组成的系统为例，给出垂直入射时反射率的公式，这是研究更复杂系统的基础。 透射率可由反射率直接计算。 薄膜的性质——干涉效应 空气的折射率 单层膜的折射率 单层膜的膜厚 基片的折射率 空气—薄膜交界面的振幅反射率 空气—薄膜交界面的振幅透射率 薄膜—基片交界面的振幅反射率 薄膜—基片交界面的振幅透射率 薄膜内光的位相变化 假设： 薄膜的性质——干涉效应 对特定波长的反射率为 与薄膜系统的折射率和薄膜内相位的变化有关。 相位的变化为 ，由此可以确定薄膜厚度。 m为正整数 在此条件下，有 反射停止条件 薄膜的性质——干涉效应 布拉格反射器应用广泛。 原理：层状介质结构的反射率既取决于材料的折射率，又取决于层状结构的周期性。 当 足够大时，反射率趋于1。 薄膜的性质——干涉效应 增透膜，高反膜，干涉滤光膜等 薄膜的性质——表面散射 ★ 表面散射 研究薄膜表面对电子输运影响的最完整的理论是Sondheimer建立的，该理论描述了关于表面以及尺寸效应对电导的影响。 Sondheimer假定，在和表面相碰撞的电子中，发生弹性碰撞的几率 （ ），发生非弹性碰撞的几率为( )。在这种边界条件下，求解关于电子分布的波耳兹曼方程，并计算出分布函数。 薄膜的性质——表面散射 在线性响应范围，即欧姆定律成立的范围。电子散射的弛豫时间 ，电场方向在膜表面之内，并取电场的方向为 方向，与膜表面垂直的方向为 方向，分布函数 为： 在 方向的电流密度 和分布函数之间的关系为 式中，e为