薄膜材料工艺概述
材料学 09020109 江期鸣
摘要：强调了薄膜的概念，并对薄膜的性质及用途作了简要的概述。从物理方法、化学方法及溶胶-凝胶法等这几类方法概括了各种薄膜的基本制备方法。并重点介绍了溶胶-凝胶薄膜工艺和其存在的主要技术问题。
关键词：薄膜、特性、制备方法、溶胶-凝胶法
1 薄膜的定义
薄膜是一种薄而软的透明薄片。用塑料、胶粘剂、橡胶或其他材料制成。聚酯薄膜科学上的解释为：相对于三维块体材料，从一般意义上讲，所谓膜，是由原子，分子或离子沉积在基片表面形成的2维材料。例：光学薄膜、复合薄膜、超导薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等等。
而所谓镀膜，是指在一种材料上镀一层或多层金属、合金、金属间化合物、陶瓷或塑料膜。
镀层是在接近表面区域具有与整体材料不同的性质。通过镀层不仅可以改变性质(包括形变性质、固态性质与化学反应特性等泸江日语网)，还具有可以节约能耗、延长使用寿命、增加新用途等经济上的优点。将一种新材料通过一定工艺流程沉积到基底材料上，这被称作“沉积镀层”。另一种情况是改变表面成分，使表面层具有新性质，这称作“转化镀膜”，如果所发生的是化学反应，则称为化学转换镀层，第三种情况是通过熔融淬火改变表面性质，这也称为镀层。[1]
2 薄膜的性质及用途
近代技术对于材料多方面性能的要求，已远非单一种材料所能达到，镀层对于解决多性能材料具有很大的可能，在基底材料上进行镀层可以是一种金属、合金、化合物、陶瓷或塑料材料的单层或多层膜，通过镀层可以起到下列功能:
①i fuck you 装饰功能:如在各种消费品上的美观涂层;
② 光学功能:如激光光学(反射和透射)、建筑用半透明涂层、家庭用镜、汽车背视镜、反射与减反射涂层、光吸收涂层、选择性吸收器等;
③ 电学功能:如导电体、电接点、电绝缘体、太阳能电池等;
④ 机械功能:如润滑膜、耐蚀和抗蚀镀层、防扩散镀层、切削工具的硬质镀层;
⑤ 化学功能:如防蚀镀层、催化镀层、发动机叶片、轮叶、电池顶壳、海上装备。
日语幸运3 薄膜的制备方法
3.1物理气相沉积方法(PVD法)
物理气相沉积(PVD)是指通过蒸发或溅射等物理方法提供部分或全部的气相反应物,经过传输过程在基体上沉积成膜的制备方法。其基本过程有气相物质的提供、传输及其在基体上的沉积,按照气相物质产生的方式可大致分为:蒸发镀(真空蒸发和电子束蒸发)、溅射镀(真流溅射、射频溅射与离子束溅射)与离子镀。
近年来,人们以电阻加热,离子束,电子束及激光束等新兴能源为蒸发源,又将磁场引入电场作用为主的溅射技术,形成了各种高速、低温、高活性、低损伤的磁控溅射技术。如引入磁场的同时又引入了活性气体,产生了活性反应磁控技术(RMS)[2],采用等离子体辅助分子束外延
生长成膜,形成了等离子体分子束延生长(PA-MBE)[3]。此外,人们还研制了脉冲激光沉积[4]、磁控溅射脉冲激光沉积(MSPLD)[5]、离子化磁控溅射[6](Ion-ized magnetron sputtering)、真空等离子体喷涂(Vac-uum plasma spray process) [7]等制膜的高新技术。所以近来物理气相沉积法具体主要有以下几种：
3.1.1真空蒸发沉积
真空蒸发沉积是制备光学薄膜最常用的方法,目前也被广泛地用作制备光电子薄膜。它的基本原理是把被蒸发材料加热到蒸发温度,使之蒸发沉积到衬底上形成所需要的膜层。早期的做法是用电阻加热法(R法)来制备金属膜或介质膜,常用的不外乎ZnS,MgF2,Na3AlF6等极有限的几种材料,由于其机械性能较差,不耐磨、抗激光损伤强度低,所以严重地限制了它的使用,更无法满足激光器件(如耐磨擦、抗高功率等)的要求。
3.1.2溅射沉积
溅射法是用高能离子轰击靶材表面,使靶材表面的分子或原子喷射在衬底表面,以形成致密薄膜的过程。溅射沉积的薄膜致密度高,与衬底的粘附性好,薄膜的成分与靶材具有较好的一致
性。因此溅射镀膜技术已用于研究各种光学、光电子薄膜和硬质耐磨涂层,其中一些技术已经用于规模化生产。溅射法包括二极溅射、三极(或四极)溅射、磁控溅射、对向靶溅射和离子束辅助溅射等。
3.1.3分子束外延
分子束外延(MBE)是在真空蒸发的基础上发展起来的一种单晶薄膜的制备技术。MBE是把所需要外延的膜料放在喷射炉中,在10-8Pa量级的超高真空条件下使其加热蒸发,并将这些膜料组分的原子(或分子)按一定的比例喷射到加热的衬底上外延沉积成膜。MBE技术目前在固态微波器件、光电器件、超大规模集成电路、光通信和制备超晶格材料领域有着广阔的前景。
3.1.4脉冲激光沉积
脉冲激光沉积(PLD)是20世纪80年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。PLD是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材料表面,使靶材料表面产生高温及熔蚀,并进一步产生高温高压等离子体(T≥104 K),这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。
3.2化学气相沉积方法(CVD法)
化学气相沉积(CVD)是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给衬底,借助气相作用或在衬底表面上的化学反应生成薄膜的一种制备方法。它具有设备简单、绕射性好、膜组成控制性好等特点,比较适合于制备陶瓷薄膜。这类方法的实质为利用各种反应,选择适当的温度、气相组成、浓度及压强等参
数,可得到不同组分及性质的薄膜,理论上可任意控制薄膜的组成,能够实现以前没有的全新的结构与组成。近年来，CVD技术有了很大的发展,其主要表现在以下几种:
3.2.1金属有机化合物化学气相沉积
金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法是近二三十年来发展起来的一项薄膜材料制备技术, 该法是采用Ⅱ、Ⅲ族元素的有机化合物和Ⅵ、Ⅴ族元素的氢化物等作为生长源材料,据热分解反应在基片上进行气相外延,生长Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体及它们的多元固溶体薄层单层。几乎所有的Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料都可以用MOCVD技术制备。
3.2.2ville等离子体增强化学气相沉积
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是一种新的制膜技术, 这种方法是借助等离子体来使含有薄膜组成原子的气态物质发生相应的化学反应,而在基片上沉积薄膜的一种方法。特别适合于半导体薄膜和化合物薄膜的合成,被视为第二代薄膜技术。[8]
3.3酸蚀镀膜法
酸蚀镀膜法其原理是基于被镀物(一般是玻璃)中的硅酸盐如K2学习压力大SiO3、Na2SiO3、CaSiO3的水解,teeth从而在其表面上形成硅酸盐胶膜和碱金属氢氧化物。
3.4化学沉积镀膜法
化学沉积镀膜法是利用化学反应剂的相互作用在镀件表面获得薄膜的方法,如银、金、镍等金属反射膜;四级考试时间2021年6月硫化物薄膜,如硫化物光敏膜等。[9]
3.5溶胶-凝胶法(Sol-gel法)
溶胶-凝胶法是以金属醇盐或无机盐溶入合适的溶剂中形成镀膜用的溶液,将被镀物浸入溶液中,以一定的速度上引,在所要求的湿度和温度的气氛中,形成均匀的膜层,再经水解缩聚反应后形成膜层。
溶胶-凝胶工艺是六十年代发展起来的一种材料的制备方法。其基本过程是一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应,经过水解与缩聚过程,再经过干燥、烧结等后处理工序,最后制得所需的材料[10]。
采用溶胶-凝胶工艺制备氧化物薄膜的方法很多,yeah是什么意思如浸渍提拉法(dipping)、旋覆法(spinning)、喷涂法(spraying)以及简单的刷涂法(painting)等。
适当调节溶胶的粘度和表面张力,通过旋涂或浸渍方法将溶胶沉积在衬底上,得到湿膜。经过干燥,除去低沸点的溶剂,得到干膜。干膜中凝胶的三维网络仍然存在,膜中还有大量有机成分。将干膜在较高的温度下分解,使膜中的有机成分分解燃烧,就得到无机非晶薄膜。重复以上步骤,增加薄膜的厚度。如果要得到结晶的薄膜还必须将非晶薄膜在更高的温度下退火,依靠原子的扩散成核结晶。
尽管溶胶-凝胶薄膜工艺在许多领域获得了日益广泛的应用,目前这种工艺仍存在以下技术问题亟待解决。
1、薄膜对衬底的附着力较差。为增强附着力,首先要求衬底必须非常干净。实验发现,在衬底表面引进氢氧根或生成一层很薄的氧化层可以较为有效地增强薄膜对衬底的附着力。
名校课堂答案2、薄膜中存在一定的缺陷(如龟裂现象)。这一直是溶胶-凝胶工艺的致命弱点。一系列的改进措施已经被应用到干燥过程中的断裂现象中来,主要包括:制备具有更大气孔的凝胶(使具有更低的毛细管应力和更大的穿透率);陈化以提高凝胶的强度并提高气孔尺寸;使用化学添加剂降低表面能或提高气孔之间的扩散;超临界干燥以消除整个液体/气体界面能,由此防止断裂和减少收缩。
3、薄膜与衬底相互作用。这一点也是溶胶-愚人节用英语怎么说凝胶薄膜工艺的独有缺点。在溶胶-凝胶工艺中,只要首先在衬底上制备一层SiO2薄膜,然后再在SiO2薄膜上制备所要求的薄膜,就可以有效地抑制薄膜与衬底的反应。
4、所得薄膜厚度较薄,多次镀膜的周期太长。
5、溶胶-凝胶薄膜具有多孔状结构,这种结构对于要求高致密度的薄膜是一个缺陷。
4 结束语
科学的发展改变着传统薄膜的面貌,新技术、新材料的开发使得薄膜的应用也越来越广。薄膜的种类很多,膜的制备方法也多种多样。选择薄膜的制备方法时要根据实际情况,认真筛选制备方法,优化设计制备工艺。因此,薄膜材料工艺有待更加深入的研究。
参考文献：
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[5]Voevodin A A,Capano M A,Safriet A J,et al.Combined Magnetron Sputtering and puld lar depositon of carbides and diamond-like carbon films.Appl.Phys.Lett.,1996,69(2):188~190
