13.1.1 薄膜的定义和薄膜材料的特殊性能在线视频

好 我们讲第十章薄膜材料

及薄膜制备技术

那么第十章的重点

第一是薄膜的定义

和薄膜形成的必要条件

第二个讲薄膜制备当中的PVD法

第三讲薄膜制备中的CVD法

那么PVD法是物理气相沉积方法

CVD法是化学气相沉积方法

第四个讲薄膜的加工

第五讲薄膜材料的应用

那么首先讲第一个问题

就是薄膜的定义

和薄膜材料的特殊性能

那么什么叫薄膜

顾名思义从这个薄膜

这两个字当中

首先它是薄

什么叫薄

一般的来讲

把薄厚在1微米以下的叫薄膜

把1微米以上的

或者10微米以上叫厚薄

但是这个定义

我们以后还讲

它很不严格

但是总而言之薄膜第一个是薄

它要薄不能厚了

第二个是膜

什么叫膜

它是一个二维的

二维的

其中有一维的方向很薄

另外两维是无限延长的

另外这个薄

必须是连续的

不能上边有大量的气孔

大量的缺陷

大量的裂缝

这不能叫做薄膜

这是一般我们定义的

首先是薄而且是个膜

是材料的二维形态

这是一般这么讲

但是我们实际应用的薄膜

往往是就是说

它是什么

是自立的

一般我们平常说它的塑料膜

它是自立的

什么叫自立

就是说不要靠基体

它就自己存在着的

这叫自立的

我们所说的薄膜

是不自立的

注意是不自立的

我们说薄膜一般来讲

要沉积在或者是

或者是黏附在一个基体上面去

这是第一条

第二条

我们这个薄膜

你说多厚叫薄

多薄叫厚啊

多薄叫薄 多厚叫厚

你说是10微米

他说是20微米

也叫薄膜

这个很难说是不是

因为现在你膜

往厚的方向也发展

往薄的方向也发展

纳米多少

纳米多少埃

它只要是连续的

往往也说是薄膜

所以说

我们这里边讲的薄膜有两条

第一条它是不自立的

第二条是沉积上的

逐层沉积上的

沉积在什么上

沉积在机体上的

这个机体有金属机体

有玻璃机体

有陶瓷机体

有聚合物机体

沉积在机体上的

起作用

是这个材料的二维形式

它很薄

一般是这样来定义的

那么薄膜在高新技术产业

在工业界在我们日常生活当中

那么到处都可见

比方说我们戴的眼镜

有反光的

防划伤的 防指纹的

我们光盘 磁盘

我们ipone ipad

里边用的一些电子元器件

移动硬盘

一些刀具

表面

耐磨层

包括我们卷烟的那个盒的纸

包咸菜的那个塑料那个膜

里边有一层

这个金属的

或者是防腐蚀的

这些都是薄膜

应该说这个薄膜

从材料上来讲

涉及到各类

各样各类的材料

由于它很薄

由于薄膜非常薄

它就是说很少的材料

就会发出它的功能出来

所以在日常生活工业

和高新技术产业当中

用的是越来越多

用的越来越多

你比方说最近出现的

平板显示器

太阳能电池

LED固体照明

等等这些高新技术产业

用的也越来越多

那么薄膜

它有哪些特殊的性质

我们说它由于很薄

它会发挥它的二维材料的

很多特殊的性质

你比方说特殊的反射折射关系

是不是

那个电导过程当中

有表面的作用

使它的电导率发生变化

还有一些特殊的半导体性能

PN结等等这些

包括表面的耐磨耐腐蚀

等等这些

出现很多新的性质

在有些高新技术产业当中

比方说平板显示器

刚才讲的

太阳能电池和这个

LED发光二极管

薄膜是它实现的唯一的形式

没有薄膜这个形式

这些器件就根本就不可能实现

所以这个薄膜

用的是越来越多

我们刚才讲了

注意我再重复一遍

薄膜是物质的二维形态

我们这里边应用的薄膜

一般是不自立的

它要沉积在物质的表面上

那么我们说薄膜

定义薄膜

往往是沉积的方法

得到的这个二维材料

叫做薄膜

那么从这个方法上来讲

两大类

一大类是溶液当中

另外一大类

是气相沉积得到的

一类是液相沉积得到的

液相沉积得到

哪些

比方说溶胶凝胶法

可以得到

电镀化学镀可以得到

涂布方法可以得到

印刷方法可以得到

那么这种

一般得到的都是厚膜

厚重比较厚的厚膜

那么这两年用溶液的方法

得到薄膜或者厚膜的方法

用的是越来越多

比方太阳能电极的正极负极

是不是

还有一些个显示器当中的网格

等等

还有太阳能电池的

这个活性层

它这个厚膜的方法

用溶液的办法

刚才讲的溶胶凝胶镀法

或者是涂布法

还有印刷法

它工艺简单价格便宜

便于在大面积上快速的成膜

所以它有它的一定优势

那么第二种方法

就是源于气体的

这个沉积方法

源于气体的

广义上讲叫做气相沉积

其中

有物理气相沉积

和化学气相沉积

物理气相沉积

就是所说的叫做

physical vapor deposition

化学方法

化学气相沉积的方法

叫做chemical vapor deposition

那么物理方法有蒸镀法

有溅射法

那么化学方法

有热化学气相沉积

等离子体化学气相沉积

有机金属化学气相沉积

就是MOCVD

还有光化学气相沉积等等

那么在物理化学气相沉积法当中

分两大类

一大类是蒸镀法

一大类是溅射法

蒸镀法当中有各种各样的类型

溅射法当中有各种各样的类型

那么后边我们要分别

详细的讲述

我们这里边

先弄清楚了

就是说我们平常工业上

所用的薄膜

是两大种方法

一种是液相沉积的

液相的方法

一种是气相的方法

在很多高新技术当中

用的气相的方法比较多

气相方法比较多

那么干法

刚才不是讲了

在干法气相沉积的当中分两大类

一大类是蒸镀的办法

一大类是溅射的办法

蒸镀的办法

蒸镀的办法

就是说把你被蒸镀的材料

使它气化

使它气化

那一般来讲

就是加热到一定的温度

使它气化

加热到一定温度以后

它的蒸气压就高了

它一高了

它的蒸发源附近的这个原子

就多了

然后把它蒸发出去的原子

沉积在基片上

这叫蒸镀的办法

溅射的办法就是拿

带有一定能量的粒子

可以是原子 可以是离子

打这个靶

使靶上的原子被打出来

叫做溅射出来

使溅射出来的原子

沉积在机板上

把这种方法叫做溅射

把这种方法叫做溅射

这是干法成膜当中

两种重要的手段

注意都是在气相当中

第一种方法把蒸出来的东西

沉积在表面

第二种方法

把打下来的东西

沉积在表面上去

这两种方法各有优缺点

后边我们再讲述

湿法成膜技术

湿法成膜技术

刚才是干的了

现在是湿的

那么湿的是什么意思

就是在溶液当中

溶液当中

那么湿法成膜技术

刚才有很多

什么印刷什么溶胶凝胶什么这些

我们现在讲

就是典型的两种

对于金属成膜的办法

一种是化学镀

一种是电镀

左边这个图是电镀

它要通过外加电源

把被镀的金属极板加负极

那么溶液里边有离子

正离子会沉积在负极的极板上

注意负极的极板上

那么正极

它是不断的往里边补充

那个离子进去

这样它通过通电

就可以电镀

这种大量的应用

那汽车自行车

那个镀铬的那些都是这样子的

那么化学镀

它不是靠的

不是靠的外加电源

注意

它不是靠的外加电源

那么靠它的什么

化学自由能

它沉积在极板上去

沉积在极板上去

使它激活

激活了完了

靠它化学自由能

沉积在极板上去

注意这两者的区别是什么

就是说你要讲电镀

极板必须是导体

它必须导电

你不导电

它正离子沉积不上去

那么外电源负极

给它提供电子

那么正离子

它就靠电场的作用

就会有一定的速度

沉积在表面上去

它必须是导体

那么化学镀

被镀的极板不一定是导体

往往是非导体

那么一般的情况是这样

先通过化学镀

镀成一层很薄的

以多少埃 多少纳米

使它变成导体

完了以后再电镀

那么化学镀

它沉积速率很慢

不要外加电源

但是化学镀的

对环境的污染毒性比较大

那么电镀也是有污染的

它有

你要镀铬

有六价铬

现在六价铬它是被禁用的

被禁用的

那么电镀

它的速度比较快

附着力也比较好

那么化学镀

它就是不是导体也可以

进行化学镀

这是二者的区别

实际上

我们平常遇到各种各样的膜层

刚才我们已经讲了

各种各样的

那么从膜厚分布

这个图上给了

从膜厚怎么分布的

当然我觉得看这个图

主要还是你这些膜层

是怎么得到的

你有些平常一些个

很薄的

拿手敲手打

就可以金 银做成很薄的

那个薄出来

很薄的薄

多少纳米

多少微米多少纳米

都可以做出来

我上边讲了

一般把这种膜层

不涵盖在我们所讲的

这个薄膜范围之内

因为它是自立的

它可以自由存在

还有一些塑料薄膜

用吹塑的办法可以做的很薄

但是你比方说多少微米

那么我们现在讲的

也不是这种膜层

因为它也是什么

它也是可以自立的

你塑料包装袋什么的

都有的非常薄

它是自立的

它是自立的

我们一般不包括在这里边

我们现在所讲的薄膜

一个是液相沉积成的

一个是气相沉积型的

这种膜层一般来讲

都是不自立的

要沉积在一些个基体上边

再发挥作用

再发挥作用

好 那么我们谈到这个膜层

就有一个所谓的物理结合

和化学结合

也就是说你这个膜层

沉积在表面上

你要求附着力要好

要求附着力要好

那么它

既有物理结合又有化学结合

既有物理化学结合又有

什么叫物理结合

什么叫化学结合

我想物理结合和化学结合

从这么几个方面看

从这么几个方面看

首先是结合的化学键

化学键

化学结合一般它是什么

一次键所造成的

什么金属键离子键共价键

它是一次键造成的

物理结合往往是二次键

什么这个色散力

氢键什么等等这些

它是由二次键所结合的

那么结合强度不一样

结合强度不一样

这是第一条

第二条

物理结合不需要外边的激活

不需要外边的激活

化学结合

往往需要一定的激活能

也就是说它要实现化学结合

它要先克服一个势垒

才能下去

那么举例子来讲

你比方说拿一个火柴

这个火柴

相对于灰来讲

相对于烧成灰来讲

它肯定是自由能高的

那么从这个热力学来讲

它从火柴到灰

好像是应该必然发生的过程

因为自由能降低

但是不然

它不会发生

它为什么不会发生

你要想从火柴变到灰

必须得有一个激活的过程

什么叫激活的过程

你得划一下

你得划一下使它燃烧

使它燃烧

它就会变成灰

那么这个燃烧的过程

实现燃烧的过程就是激活

就是激活

你激活了以后

它就要氧化

一氧化就变成灰了

变成灰以后自由能就降低了

那么这样的过程

从动力学上

热力学上都是可以的

都是可以的

那么物理结合

往往不需要这种结合的过程

物理结合典型的是冬天

你们北方冬天

玻璃窗上结霜结露

这些都是物理结合

物理结合

它就不需要结合

不需要激活的过程

那么从这个

这个自由能曲线的变化

也可以看的很清楚

物理结合

它就是下来了

那么化学结合

它在过程当中

它先要克服一个势垒

然后下去

下去很深

它就是化学结合

我们刚才讲了

这个薄膜沉积

既需要物理结合

又需要化学结合

这物理结合当中

有机械的锚点

等等这些

扩散

这些都有

那么化学

就是讲化学结合

就是有一些反应

一些

一次键二次键

一次键

金属键共价键

和这个离子键在起作用