化学气相沉积法ppt课件.ppt

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1、2、化学气相沉积法、化学气相沉积法(CVD) 3、溶胶凝胶法、溶胶凝胶法定义定义：利用：利用气相反应气相反应，在，在高温高温、等离子等离子或或激光激光辅辅助等条件下控制反应气压、气流速率、基片材助等条件下控制反应气压、气流速率、基片材料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核料温度等因素，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过生长过程；或者通过薄膜后处理薄膜后处理，控制非晶薄，控制非晶薄膜的晶化过程，从而获得纳米结构的薄膜材料。膜的晶化过程，从而获得纳米结构的薄膜材料。分类分类：常压、低压、等离子体辅助常压、低压、等离子体辅助气相沉积等。气相沉积等。应用应用：在制备：在制备半导体、氧化物、

2、氮化物、碳化物半导体、氧化物、氮化物、碳化物纳米薄膜材料中得到广泛应用。纳米薄膜材料中得到广泛应用。反应温度反应温度：大约为：大约为9002000，它取决于沉积，它取决于沉积物的特性。物的特性。中温中温CVD(MTCVD)：典型反应温度大约为典型反应温度大约为500800，它通常是通过金属有机化，它通常是通过金属有机化合物在较低温度的分解来实现的，所以又合物在较低温度的分解来实现的，所以又称称金属有机化合物金属有机化合物CVD(MOCVD)。 等离子体增强等离子体增强CVD（PECVD）与激光与激光CVD(LCVD)：气相化学反应由于等离子：气相化学反应由于等离子体的产生或激光的辐照得以激活，

3、也可以体的产生或激光的辐照得以激活，也可以把反应温度降低。把反应温度降低。 （1）CVD的化学反应和特点的化学反应和特点 (A)化学反应化学反应 CVD是通过一个或多个化学反应得以实现的。是通过一个或多个化学反应得以实现的。 水解反应水解反应2AlCl3(g) +3H2OAl2O3(s)+6HCl(g) 复合反应复合反应。 包含了上述一种或几种基本反应。包含了上述一种或几种基本反应。例例：在沉积难熔的碳化物或氮化物时，就包括热：在沉积难熔的碳化物或氮化物时，就包括热分解和还原反应分解和还原反应CVD反应体系应满足的条件：反应体系应满足的条件： (a)在沉积温度下在沉积温度下反应物应保证足够的压

4、力反应物应保证足够的压力，以，以适当的速度适当的速度引入反应室。引入反应室。 (b)除需要的沉积物外，其他反应产物应是除需要的沉积物外，其他反应产物应是挥发挥发性的性的。 (c)沉积薄膜本身必须具有足够的蒸汽压沉积薄膜本身必须具有足够的蒸汽压，保证，保证沉积反应过程始终在受热的基片上进行，而沉积反应过程始终在受热的基片上进行，而基基片的蒸汽压必须足够低片的蒸汽压必须足够低。(B)CVD的特点的特点 温度温度：中温或高温；：中温或高温；反应物状态反应物状态：气态；：气态；反反应应：气相化学反应；：气相化学反应；产物产物：固体。：固体。 压力压力：大气压：大气压(常压常压)或者低于大气压下或者低于

5、大气压下(低压低压)进行沉积。一般来说进行沉积。一般来说低压低压效果要好些。效果要好些。 等离子和激光辅助技术等离子和激光辅助技术：可以显著地促进化：可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。学反应，使沉积可在较低的温度下进行。 沉积层的化学成分沉积层的化学成分可以改变，容易获得功能可以改变，容易获得功能梯度膜或者得到混合膜。梯度膜或者得到混合膜。 沉积层的密度和纯度可控沉积层的密度和纯度可控。 绕镀性好绕镀性好：可在复杂形状的基体上及颗粒材：可在复杂形状的基体上及颗粒材料上沉积。料上沉积。 气流条件气流条件：层流层流，在基体表面形成厚的边界，在基体表面形成厚的边界层。层。 沉积层结

6、构沉积层结构：柱状晶柱状晶，不耐弯曲。通过各种，不耐弯曲。通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。粒的等轴沉积层。 应用广泛应用广泛: :可以形成多种金属、合金、陶瓷和可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物沉积层化合物沉积层 （2）CVD的方法的方法 (A)CVD的原理的原理 CVD的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同的机理是复杂的，那是由于反应气体中不同化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同化学物质之间的化学反应和向基片的析出是同时发生的缘故。时发生的缘故。基本过程基本过程：通过赋予原料气体以不同的能量使其：通过赋予原料气体以

7、不同的能量使其产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的产生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的反应产物。反应产物。图图3.14表示从表示从TiCl4+CH4+H2的混合气体析出的混合气体析出TiC过程的模式图。如图所示，在过程的模式图。如图所示，在CVD中的析中的析出过程可以理解如下：出过程可以理解如下： 原料气体向基片表面原料气体向基片表面扩散扩散； 原料气体原料气体吸附吸附到基片；到基片； 吸附在基片上的化学物质的吸附在基片上的化学物质的表面反应表面反应； 析出颗粒在表面的析出颗粒在表面的扩散扩散； 产物从气相产物从气相分离分离； 从产物析出区向块状固体的从产物析出区向块状固体的扩散扩散。

8、 CVD的化学反应必须发生在基体材料和气相间的扩散的化学反应必须发生在基体材料和气相间的扩散层中。层中。原因原因:(a)在气相中发生在气相中发生气相气相-气相气相反应，然后生成粉末，反应，然后生成粉末，该粉末出现在反应系统之外。该粉末出现在反应系统之外。 (b)从气相析出固相的驱动力从气相析出固相的驱动力(driving force)是根据基是根据基体材料和气相间的扩散层内存在的体材料和气相间的扩散层内存在的温差温差和不同化学物和不同化学物质的质的浓度差浓度差，由化学平衡所决定的，由化学平衡所决定的过饱和度过饱和度。过饱和度过饱和度()定义为定义为 =(=(p pA A) )g g/(p/(p

9、A A) )s s式中，式中，( (p pA A) )g g是气体热力学平衡求出是气体热力学平衡求出A的分压；的分压；( (p pA A) )s s是在是在AB固体化合物的析出温度时的平衡蒸固体化合物的析出温度时的平衡蒸气压。气压。CVD法析出的化合物形状的决定因素法析出的化合物形状的决定因素：反应温度、：反应温度、有助于反应的不同化学物质的过饱和度、在反有助于反应的不同化学物质的过饱和度、在反应温度时的成核速率等。应温度时的成核速率等。为了得到优质的薄膜，必须防止在气相中由气相为了得到优质的薄膜，必须防止在气相中由气相-气相反应生成均相核，即应首先设定在基片表气相反应生成均相核，即应首先设定

10、在基片表面促进成核的条件。面促进成核的条件。 (B)CVD的种类的种类 分类标准分类标准：发生化学反应的参数和方法发生化学反应的参数和方法常压常压CVD法；法；低压低压CVD法；法；热热CVD法；法；等离子等离子CVD法；法；间隙间隙CVD法；法；激光激光CVD法；法；超声超声CVD法法等。等。 (C)CVD的流程与装置的流程与装置基本组成基本组成：原料气体和载气的供给源气体的混合：原料气体和载气的供给源气体的混合系统、反应炉、废气系统及气体、反应炉的控系统、反应炉、废气系统及气体、反应炉的控制系统。制系统。高压气体高压气体：以高纯度的为好，一般大多使用：以高纯度的为好，一般大多使用载气载气，

11、因为都要通过气体精制装置进行纯化。特别是因为都要通过气体精制装置进行纯化。特别是必须十分注意除去对薄膜性质影响极大的必须十分注意除去对薄膜性质影响极大的水和水和氢氢。原料要求原料要求：当室温下使用：当室温下使用固态或液态原料固态或液态原料时，需时，需使其在所规定的温度下蒸发或升华，并通过载使其在所规定的温度下蒸发或升华，并通过载气送入反应炉内。还必须使气送入反应炉内。还必须使废气废气通过放有吸收通过放有吸收剂的水浴瓶、收集器或特殊的处理装置后进行剂的水浴瓶、收集器或特殊的处理装置后进行排放。并且在装置和房间里不能忘记安装防爆排放。并且在装置和房间里不能忘记安装防爆装置和有毒气体的检测器。装置和

12、有毒气体的检测器。（3）CVD的新技术的新技术 (A)金属有机化合物气相沉积金属有机化合物气相沉积(MOCVD) MOCVD是常规是常规CVD技术的发展，它用容易分技术的发展，它用容易分解的金属有机化合物作初始反应物，因此沉积解的金属有机化合物作初始反应物，因此沉积温度较低。温度较低。优点优点：可以在：可以在热敏感的基体上热敏感的基体上进行沉积；进行沉积；缺点缺点：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质：沉积速率低，晶体缺陷密度高，膜中杂质多。多。原料输送要求原料输送要求：把欲沉积膜层的一种或几种组分：把欲沉积膜层的一种或几种组分以以金属烷基化合物金属烷基化合物的形式输送到反应区，其他的形式输送

13、到反应区，其他的组分可以的组分可以氢化物氢化物的形式输送。的形式输送。应用：应用： 半导体外延沉积；半导体外延沉积； 沉积金属镀层（因为某些金属卤化物在高温下沉积金属镀层（因为某些金属卤化物在高温下是稳定的，而用常规是稳定的，而用常规CVD难以实现其沉积）难以实现其沉积） 沉积氧化物、氮化物、碳化物和硅化物膜层。沉积氧化物、氮化物、碳化物和硅化物膜层。(B)等离子体辅助化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积(PECVD) 定义定义：用等离子体技术使反应气体进行化学反：用等离子体技术使反应气体进行化学反应，在基底上生成固体薄膜的方法称等离子体应，在基底上生成固体薄膜的方法称等离子体化学气相沉积，它

14、是在原来已成熟的薄膜技术化学气相沉积，它是在原来已成熟的薄膜技术中应用了等离子体技术而发展起来的。中应用了等离子体技术而发展起来的。 发展发展：近二三十年来，：近二三十年来，PECVD进展非常快。在进展非常快。在半导体工业中，这种技术已成为大规模集成电半导体工业中，这种技术已成为大规模集成电路干式工艺中的重要环节。路干式工艺中的重要环节。 分类分类：PECVD薄膜反应室主要有薄膜反应室主要有平板电容型平板电容型和和无极射频感应线圈式无极射频感应线圈式两种。两种。 平板型平板型: :直流、射频、微波电源直流、射频、微波电源。 PECVD薄膜性质的决定因素薄膜性质的决定因素：沉积方式：沉积方式和和

15、沉积工沉积工艺参数。艺参数。 工艺参数工艺参数：电源功率、反应室几何形状与尺寸、电源功率、反应室几何形状与尺寸、负偏压、离子能量、基材温度、真空泵抽气速负偏压、离子能量、基材温度、真空泵抽气速率、反应室气体压力以及工作气体的比例等。率、反应室气体压力以及工作气体的比例等。PECVD法的优点法的优点：PECVD法可以大大降低沉积法可以大大降低沉积温度，从而不使基板发生相变或变形，而且成温度，从而不使基板发生相变或变形，而且成膜质量高。膜质量高。 例：例：用用CVD法在硅片上沉积法在硅片上沉积Si3N4薄膜，需要薄膜，需要900以上的高温，而以上的高温，而PECVD法仅需约法仅需约350温度，如采

16、用微波等离子体，可降至温度，如采用微波等离子体，可降至l00。(C)激光化学气相沉积激光化学气相沉积(LCVD)定义定义：用激光束照射封闭于气室内的反应气体，：用激光束照射封闭于气室内的反应气体，诱发化学反应，生成物沉积在置于气室内的基诱发化学反应，生成物沉积在置于气室内的基板上。是将激光应用于常规板上。是将激光应用于常规CVD的一种新技术，的一种新技术，通过激光活化而使常规通过激光活化而使常规CVD技术得到强化，工技术得到强化，工作温度大大降低，在这个意义上作温度大大降低，在这个意义上LCVD类似于类似于PECVD。LCVD技术的优点技术的优点：沉积过程中不直接加热整块：沉积过程中不直接加热

17、整块基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚基板，可按需要进行沉积，空间选择性好，甚至可使薄膜生成限制在基板的至可使薄膜生成限制在基板的任意微区内任意微区内；避；避免杂质的迁移和来自基板的免杂质的迁移和来自基板的自掺杂自掺杂；沉积速度；沉积速度比比CVD快快。 (D)超声波化学气相沉积超声波化学气相沉积(UWCVD)定义定义：是利用超声波作为：是利用超声波作为CVD过程中能源的一种过程中能源的一种新工艺。新工艺。分类分类： 分类标准分类标准：超声波的传递方式：超声波的传递方式 类型类型：超声波辐射式、：超声波辐射式、CVD基体直接振动式。基体直接振动式。 超声波辐射式超声波辐射式优于优于CVD

18、基体直接振动式基体直接振动式 超声波辐射式超声波辐射式UWCVD的原理见图的原理见图3.17，利用，利用电感线圈将基体加热到一定温度，适当调节超电感线圈将基体加热到一定温度，适当调节超声波的声波的频率和功率频率和功率，即可在基体上得到晶粒细，即可在基体上得到晶粒细小、致密、强韧性好、与基体结合牢固的沉积小、致密、强韧性好、与基体结合牢固的沉积膜。膜。 (E)微波等离子体化学气体沉积微波等离子体化学气体沉积(MWPECVD)定义定义：利用微波能电离气体而形成等离子体，将：利用微波能电离气体而形成等离子体，将微波作为微波作为CVD过程能量供给形式的一种过程能量供给形式的一种CVD新新工艺。属于工艺

19、。属于低温等离子体低温等离子体范围。范围。特点特点： 在一定的条件下，它能使气体高度电离和离在一定的条件下，它能使气体高度电离和离解，产生很多解，产生很多活性等离子体活性等离子体。 它可以它可以在很宽的气压范围内在很宽的气压范围内获得。获得。 低压时：低压时：TeTg，这对有机反应、表面处理这对有机反应、表面处理等尤为有利，人们称之为等尤为有利，人们称之为冷等离子体冷等离子体； 高压时：高压时：TeTg，它的性质类似于直流弧，人它的性质类似于直流弧，人们称之为们称之为热等离子体热等离子体。 微波等离子体发生器本身没有内部电极，从微波等离子体发生器本身没有内部电极，从而消除了气体污染和电极腐蚀，

20、有利于高纯化而消除了气体污染和电极腐蚀，有利于高纯化学反应和延长使用寿命。学反应和延长使用寿命。 微波等离子体的产生不带高压，微波辐射容微波等离子体的产生不带高压，微波辐射容易防护，使用安全。易防护，使用安全。 微波等离子体的参数变化范围较大，这为广微波等离子体的参数变化范围较大，这为广泛应用提供了可能性。泛应用提供了可能性。应用应用：凡直流或射频等离子体能应用的领域均能：凡直流或射频等离子体能应用的领域均能应用。应用。目前目前MWPECVD已在集成电路、光导纤已在集成电路、光导纤维，保护膜及特殊功能材料的制备等领域得到维，保护膜及特殊功能材料的制备等领域得到日益广泛的应用。日益广泛的应用。

21、(F)纳米薄膜的低能团簇束沉积纳米薄膜的低能团簇束沉积(LEBCD)定义定义：将所沉积材料激发成：将所沉积材料激发成原子状态原子状态，以，以Ar、He作为载作为载气使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，利用气使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，利用飞行时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定飞行时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇束沉积而形成薄膜。能量的团簇束沉积而形成薄膜。优点优点：可以有效地控制沉积在衬底上的原子数目；在这：可以有效地控制沉积在衬底上的原子数目；在这种条件下所沉积的团簇在撞击表面时并不破碎，而是种条件下所沉积的团簇在撞击表面时并不破碎，而是近乎随机分

22、布于表面；当团簇的平均尺寸足够大，则近乎随机分布于表面；当团簇的平均尺寸足够大，则其扩散能力受到限制；所沉积薄膜的纳米结构对团簇其扩散能力受到限制；所沉积薄膜的纳米结构对团簇尺寸具有很好的记忆特性。尺寸具有很好的记忆特性。例例：在沉积类金刚石薄膜时发现，可以控制团簇中碳的：在沉积类金刚石薄膜时发现，可以控制团簇中碳的原子数来控制原子数来控制C的杂化轨道，对于的杂化轨道，对于C20C32的团簇为的团簇为sp3杂化，薄膜为杂化，薄膜为fcc-金刚石结构；对于金刚石结构；对于C60的团簇，的团簇，为为sp3、sp2混合的轨道特性；对于混合的轨道特性；对于C900的团簇，为的团簇，为sp2杂化，薄膜呈

23、现非晶态。杂化，薄膜呈现非晶态。 （4）CVD法在纳米薄膜材料制备中的应用法在纳米薄膜材料制备中的应用 CVD法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。制备。 范围范围：用它可以制备几乎所有的金属，氧化物、：用它可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、硼化物、复合氧化物等膜氮化物、碳化合物、硼化物、复合氧化物等膜材料。材料。 一些典型的例子如表一些典型的例子如表3.8所示。所示。 3、溶胶、溶胶-凝胶法凝胶法 表面涂膜的利用是溶胶表面涂膜的利用是溶胶-凝胶法应用的一个新

24、领凝胶法应用的一个新领域，其最初的应用就是涂膜。域，其最初的应用就是涂膜。例例：目前广泛应用的玻璃表面的反射膜、防止反：目前广泛应用的玻璃表面的反射膜、防止反射膜以及着色膜就是用该法制得的。射膜以及着色膜就是用该法制得的。溶胶溶胶-凝胶涂膜可以赋于基体各种性能，其中包括凝胶涂膜可以赋于基体各种性能，其中包括机械的、化学保护的、光学的、电磁的和催化机械的、化学保护的、光学的、电磁的和催化的性能。的性能。 特点特点：工艺简单，成膜均匀，成本很低。：工艺简单，成膜均匀，成本很低。应用应用：大部分熔点在：大部分熔点在500以上的金属、合金以以上的金属、合金以及玻璃等基体都可采用该流程制取薄膜。及玻璃等

25、基体都可采用该流程制取薄膜。 溶胶溶胶-凝胶工艺的分类凝胶工艺的分类：有机途径：有机途径和和无机途径无机途径有机途径有机途径：通过有机金属醇盐：通过有机金属醇盐水解与缩聚水解与缩聚而形成溶胶。而形成溶胶。 特点：特点：在该工艺过程中，因涉及水和有机物，所以通在该工艺过程中，因涉及水和有机物，所以通过这种途径制备的薄膜在干燥过程中过这种途径制备的薄膜在干燥过程中容易龟裂容易龟裂(由大量由大量溶剂蒸发而产生的残余应力所引起溶剂蒸发而产生的残余应力所引起)。客观上限制了制。客观上限制了制备薄膜的厚度。备薄膜的厚度。无机途径：无机途径：将通过某种方法制得的氧化物微粒，稳定地将通过某种方法制得的氧化物微

26、粒，稳定地悬浮在某种有机或无机溶剂中而形成溶胶。悬浮在某种有机或无机溶剂中而形成溶胶。 特点：特点：通过无机途径制膜，有时只需在室温进行干燥通过无机途径制膜，有时只需在室温进行干燥即可，因此容易制得即可，因此容易制得10层以上而无龟裂的多层氧化物层以上而无龟裂的多层氧化物薄膜薄膜。但是用无机法制得的薄膜与基板的附着力较差，。但是用无机法制得的薄膜与基板的附着力较差，而且很难找到合适的能同时溶解多种氧化物的溶剂。而且很难找到合适的能同时溶解多种氧化物的溶剂。因此，目前采用溶胶因此，目前采用溶胶凝胶法制备氧化物薄膜，仍以有凝胶法制备氧化物薄膜，仍以有机途径为主。机途径为主。 溶胶溶胶-凝胶制造薄膜

27、的特点：凝胶制造薄膜的特点： (A)工艺设备简单，成本低。工艺设备简单，成本低。 (B)低温制备。低温制备。 (C)能制备大面积、复杂形状、不同基底的膜。能制备大面积、复杂形状、不同基底的膜。 (D)便于制备多组元薄膜，容易控制薄膜的成分便于制备多组元薄膜，容易控制薄膜的成分及结构。及结构。 (E)对基底材料几乎无选择性。对基底材料几乎无选择性。 (F)以氧化物膜为主。以氧化物膜为主。 (G)膜致密性较差，易收缩，开裂。膜致密性较差，易收缩，开裂。 制备氧化物薄膜的溶胶制备氧化物薄膜的溶胶-凝胶方法凝胶方法： 浸渍提拉法浸渍提拉法(dipping)、旋覆法旋覆法(spining)、喷喷涂法涂法

28、(spraying)及刷涂法及刷涂法(painting)等。等。 旋覆法和浸渍提拉法旋覆法和浸渍提拉法最常用。最常用。浸渍提拉法的三个步骤浸渍提拉法的三个步骤：浸渍、提拉和热处理。：浸渍、提拉和热处理。 每次浸渍所得到的膜厚约为每次浸渍所得到的膜厚约为5-30nm，为增大为增大薄膜厚度，可进行多次浸渍循环，但每次循环薄膜厚度，可进行多次浸渍循环，但每次循环之后都必须充分干燥和进行适当的热处理。之后都必须充分干燥和进行适当的热处理。旋覆法的两个步骤旋覆法的两个步骤：旋覆与热处理。：旋覆与热处理。基本过程基本过程：基片在匀胶台上以一定的角速度旋转，：基片在匀胶台上以一定的角速度旋转，当溶胶液滴从上

29、方落于基片表面时，它就被迅当溶胶液滴从上方落于基片表面时，它就被迅速地涂覆到基片的整个表面。溶剂的蒸发使得速地涂覆到基片的整个表面。溶剂的蒸发使得旋覆在基片表面的溶胶迅速凝胶化，接着进行旋覆在基片表面的溶胶迅速凝胶化，接着进行一定的热处理便得到所需的氧化物薄膜。一定的热处理便得到所需的氧化物薄膜。二者比较二者比较：浸渍提拉法更简单些，但它易受环境：浸渍提拉法更简单些，但它易受环境因素的影响，膜厚较难控制；浸渍提拉法不适因素的影响，膜厚较难控制；浸渍提拉法不适用于小面积薄膜用于小面积薄膜(尤其当基底为圆片状时尤其当基底为圆片状时)的制的制备，旋覆法却相反，它特别适合于在小圆片基备，旋覆法却相反，

30、它特别适合于在小圆片基片上制备薄膜。片上制备薄膜。 膜厚分析膜厚分析：在干燥过程中大量有机溶剂的蒸发将：在干燥过程中大量有机溶剂的蒸发将引起薄膜的严重收缩，这通常会导致龟裂，这引起薄膜的严重收缩，这通常会导致龟裂，这是该工艺的是该工艺的一大缺点一大缺点。但当薄膜厚度小于一定。但当薄膜厚度小于一定值时，薄膜在干燥过程中就不会龟裂。这可解值时，薄膜在干燥过程中就不会龟裂。这可解释为当薄膜小于一定厚度时，由于基底粘附作释为当薄膜小于一定厚度时，由于基底粘附作用，在干燥过程中薄膜的横向用，在干燥过程中薄膜的横向(平行于基片平行于基片)收收缩完全被限制，而只能发生沿基片平面法线方缩完全被限制，而只能发生

31、沿基片平面法线方向的纵向收缩。向的纵向收缩。膜厚的影响因素膜厚的影响因素：溶胶液的粘度、浓度、比重、：溶胶液的粘度、浓度、比重、提拉速度提拉速度(或旋转速度或旋转速度)及提拉角度，还有溶剂及提拉角度，还有溶剂的粘度、比重、蒸发速率，以及环境的温度、的粘度、比重、蒸发速率，以及环境的温度、干燥条件等。干燥条件等。 式中，式中，是溶胶的相对密度；是溶胶的相对密度；g是重力加速度；是重力加速度；指数指数接近于接近于1/2，通常介于，通常介于1/2与与2/3之间。之间。实验结果表明，在浸渍提拉法中，膜厚实验结果表明，在浸渍提拉法中，膜厚d与溶与溶液粘度液粘度和提拉速度和提拉速度v的依赖关系可表示为的依

32、赖关系可表示为 溶胶溶胶-凝胶法在制备纳米薄膜中的应用凝胶法在制备纳米薄膜中的应用(A) 可以制备多孔陶瓷膜，二元复合膜，也可以可以制备多孔陶瓷膜，二元复合膜，也可以对陶瓷膜进行修饰对陶瓷膜进行修饰。例例：-Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2、CeO2等等 Al2O3-TiO2、Al2O3 -CeO2等等 Goldsmith等用等用sol-gel方法在方法在4nm的氧化铝的氧化铝管状陶瓷膜表面制得了孔径管状陶瓷膜表面制得了孔径(0.5nm的的SiO2修修饰膜，这些多孔陶瓷膜可用于膜分离、水质净饰膜，这些多孔陶瓷膜可用于膜分离、水质净化、催化剂等领域。化、催化剂等领域。 (B) 制备的制备

33、的PbTiO3铁电薄膜铁电薄膜，是，是sol-gel工艺最成工艺最成功工业应用的例子之一。功工业应用的例子之一。 同理可制备各种钙铁矿型的同理可制备各种钙铁矿型的功能陶瓷薄膜功能陶瓷薄膜，如，如BaTiO3、SrTiO3、PZT、PLZT等。等。(C) 可合成可合成ZrO2、TiO2、CeO2、ZnO、SnO2、Fe2O3等等半导体氧化物半导体氧化物，用于制作，用于制作气体传感器气体传感器和导电材料和导电材料。(D) 可制备可制备Al2O3、SiO2、ZrO2、SnO2等等膜，膜，用于用于光学器件和防腐、耐磨涂层光学器件和防腐、耐磨涂层。 四、四、 纳米薄膜材料的应用纳米薄膜材料的应用 1、金

34、属的耐蚀保护膜金属的耐蚀保护膜 非晶态合金膜非晶态合金膜：是一种无晶界的、高度均匀的：是一种无晶界的、高度均匀的单相体系，且不存在一般金属或合金所具有的单相体系，且不存在一般金属或合金所具有的晶体缺陷晶体缺陷：位错、层错、空穴、成分偏析等。位错、层错、空穴、成分偏析等。 它不存在晶体间腐蚀和化学偏析，具有极强的它不存在晶体间腐蚀和化学偏析，具有极强的防腐蚀性能。防腐蚀性能。 作为防腐蚀材料，可以取代不锈钢或劣材优用，作为防腐蚀材料，可以取代不锈钢或劣材优用，是节约资源、节约能源、降低成本的有效途径，是节约资源、节约能源、降低成本的有效途径，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。 非晶态合金镀

35、层技术非晶态合金镀层技术：是近十年才发展起来的新：是近十年才发展起来的新兴技术，它是通过兴技术，它是通过化学催化反应化学催化反应，在金属或非，在金属或非金属表面沉积一层非晶态物质。金属表面沉积一层非晶态物质。例例：非晶态：非晶态Ni-P合金中，没有晶态合金中，没有晶态Ni-P合金所具合金所具有的两相组织，无法构成微电池。特别是化学有的两相组织，无法构成微电池。特别是化学沉积的非晶态沉积的非晶态Ni-P合金，成分较之电解沉积者合金，成分较之电解沉积者更为均匀。所以，化学沉积的非晶态更为均匀。所以，化学沉积的非晶态Ni-P合金合金可用于许多耐蚀的场合。一般认为，化学沉积可用于许多耐蚀的场合。一般认

36、为，化学沉积非晶态非晶态Ni-P合金的反应式为合金的反应式为 过程的最佳工艺条件过程的最佳工艺条件：Ni2+/H2PO4-0.4，温度温度80-90，pH值值4.0-5.0，获得的沉积层磷含量在，获得的沉积层磷含量在11.5%-14.5%之间。之间。结果结果：反应生成物：反应生成物Ni-P沉积在材料表面，形成完整、均沉积在材料表面，形成完整、均一的镀层。它是一种一的镀层。它是一种取向混乱无序的微晶原子团取向混乱无序的微晶原子团，是，是以硬球无序的密堆型排列的微晶结构。这种结构不存以硬球无序的密堆型排列的微晶结构。这种结构不存在周期重复的晶体有序区，不存在晶界和晶界缺陷，在周期重复的晶体有序区，

37、不存在晶界和晶界缺陷，从而改变了原来材料的表面性能，使其具有良好的耐从而改变了原来材料的表面性能，使其具有良好的耐蚀性能，使金属材料原来敏感的点蚀、晶间腐蚀、应蚀性能，使金属材料原来敏感的点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和氢脆等易腐蚀性，都得到了较好的改善。力腐蚀和氢脆等易腐蚀性，都得到了较好的改善。应用应用：在石油、化工、化肥、农药、医药、食品、能源、：在石油、化工、化肥、农药、医药、食品、能源、交通、电子、军工、机械等方面有良好应用前景。交通、电子、军工、机械等方面有良好应用前景。2、多功能薄膜、多功能薄膜SnO2分类分类：纯：纯SnO2薄膜，有掺杂膜，还有复合膜。薄膜，有掺杂膜，还有复合膜。 其

38、中掺锑、掺磷、掺氟的其中掺锑、掺磷、掺氟的SnO2薄膜的应用最广。薄膜的应用最广。应用广泛原因应用广泛原因：SnO2具有良好的吸附性及化学稳定性，具有良好的吸附性及化学稳定性，因此容易沉积在诸如玻璃、陶瓷材料因此容易沉积在诸如玻璃、陶瓷材料、氧化物材料及氧化物材料及其他种类的衬底材料上。其他种类的衬底材料上。SnO2薄膜的主要用途薄膜的主要用途：薄膜电阻器、透明电极、气敏传薄膜电阻器、透明电极、气敏传感器、太阳能电池、热反射镜、光电子器件、电热转感器、太阳能电池、热反射镜、光电子器件、电热转换等。换等。 SnO2薄膜作为电阻器使用薄膜作为电阻器使用：由于它具有较低的电阻：由于它具有较低的电阻温

39、度系数和良好的热稳定性，而且随着薄膜的厚度和温度系数和良好的热稳定性，而且随着薄膜的厚度和掺杂的浓度以及掺杂的元素不同，可以将电阻温度系掺杂的浓度以及掺杂的元素不同，可以将电阻温度系数控制在一个很小的范围内，因此用于制造高稳定性数控制在一个很小的范围内，因此用于制造高稳定性的薄膜电阻器。的薄膜电阻器。 SnO2薄膜作为气敏传感器薄膜作为气敏传感器：一般是在绝缘基板上：一般是在绝缘基板上生长一层生长一层SnO2薄膜，再引出电极。当环境中某薄膜，再引出电极。当环境中某种气体的含量变化时，种气体的含量变化时，SnO2薄膜的电阻随之变薄膜的电阻随之变化。化。 传感器特点传感器特点：灵敏度高，结构简单，

40、使用方便，：灵敏度高，结构简单，使用方便，价格便宜等。价格便宜等。SnO2薄膜的优点薄膜的优点：制备工艺简单，工艺类型繁多，：制备工艺简单，工艺类型繁多，较常使用的方法有化学气相沉积工艺、喷涂热较常使用的方法有化学气相沉积工艺、喷涂热解工艺、溅射工艺、蒸发工艺等。解工艺、溅射工艺、蒸发工艺等。 3、电子信息材料、电子信息材料主要应用领域主要应用领域：电子工业领域。：电子工业领域。例例：半导体超薄膜层结构材料。：半导体超薄膜层结构材料。 这种薄膜的迅速发展，不仅推动了半导体材料这种薄膜的迅速发展，不仅推动了半导体材料科学和半导体物理学的进步，而且以全新的设科学和半导体物理学的进步，而且以全新的设

41、计思想，使微电子和光电子器件的设计从传统计思想，使微电子和光电子器件的设计从传统的的“杂质工程杂质工程”发展到发展到“能带工程能带工程”，显示出，显示出了以了以“电子特性和光学特性的剪裁电子特性和光学特性的剪裁”为特点的为特点的新发展趋势。这是硼结晶体管发明以来，半导新发展趋势。这是硼结晶体管发明以来，半导体科学的一次最重大突破。体科学的一次最重大突破。制备方法制备方法：分子束外延：分子束外延(MBE）、）、金属有机物化金属有机物化学气相沉积学气相沉积(MOCVD)和化学束外延和化学束外延(CBE)等先等先进的材料生长设备和技术。进的材料生长设备和技术。 磁泡存储器磁泡存储器（计算机存储最新技

42、术）：用无机薄膜制备。（计算机存储最新技术）：用无机薄膜制备。制备制备：以无磁性的轧镓石榴石：以无磁性的轧镓石榴石(Gd31Ga5O12)作衬底，用作衬底，用外延法生长上能产生磁泡的含稀土石榴石薄膜。常用外延法生长上能产生磁泡的含稀土石榴石薄膜。常用Eu2Er1Fe4.3Ge0.7O12、EulEr2 Fe4.3Ge0.7O12等的单等的单晶膜。晶膜。 通过通过调整成分调整成分可以改变磁泡的可以改变磁泡的泡径泡径和和迁移率迁移率等特性。等特性。 工作原理工作原理：利用该薄膜，在磁场加到一定大小时，磁：利用该薄膜，在磁场加到一定大小时，磁畴会形成圆柱状的泡畴，貌似浮在水面上的水泡，以畴会形成圆柱

43、状的泡畴，貌似浮在水面上的水泡，以泡的泡的“有有”和和“无无”表示信息的表示信息的“1”和和“0”两种状两种状态；由电路和磁场来控制磁泡的产生、消失、传输、态；由电路和磁场来控制磁泡的产生、消失、传输、分裂、以及磁泡间的相互作用，从而实现信息的存储、分裂、以及磁泡间的相互作用，从而实现信息的存储、记录和逻辑运算等功能。记录和逻辑运算等功能。优点优点：信息存储密度高：信息存储密度高(105108位位/厘米厘米2)、体、体积小、功耗低、结构简单，以及信息无易失性积小、功耗低、结构简单，以及信息无易失性等。等。缺点缺点：制造工艺复杂，目前成品率不高。：制造工艺复杂，目前成品率不高。可以用做磁泡存储器

44、的薄膜还有非晶态磁泡材料，可以用做磁泡存储器的薄膜还有非晶态磁泡材料，如如Gd-Co和和Gd-Fe薄膜。薄膜。 PZT类材料类材料：具有优良的铁电性和压电性，：具有优良的铁电性和压电性，PZT薄膜是在非压电基体上产生表面和体声波，从薄膜是在非压电基体上产生表面和体声波，从而应用于而应用于体声波换能器体声波换能器和和表面声波换能器表面声波换能器。例例：利用选择性气体吸附表面而导致声波速度的：利用选择性气体吸附表面而导致声波速度的变化，发展了能检测百万分之几浓度的气体传变化，发展了能检测百万分之几浓度的气体传感器、同轴超声换能器和压力传感器的小型化，感器、同轴超声换能器和压力传感器的小型化，使其应

45、用于生物和医学领域成为可能。使其应用于生物和医学领域成为可能。无机薄膜的用途无机薄膜的用途：在电子信息材料中得到了最广：在电子信息材料中得到了最广泛的应用，从普通的薄膜电阻器、薄膜电容器泛的应用，从普通的薄膜电阻器、薄膜电容器的介电体层，到大规模集成电路的门电极、绝的介电体层，到大规模集成电路的门电极、绝缘膜、钝化晶体管膜，显示和记录用的透明导缘膜、钝化晶体管膜，显示和记录用的透明导电膜、光电薄膜的发光层，以及储存信息用的电膜、光电薄膜的发光层，以及储存信息用的磁盘、光盘、光磁盘等等，几乎应有尽有，琳磁盘、光盘、光磁盘等等，几乎应有尽有，琳琅满目，为当代电子信息技术的发展和小型化琅满目，为当代

46、电子信息技术的发展和小型化立下了汗马功劳。立下了汗马功劳。 4、 硬质薄膜硬质薄膜 作用作用：大大改善了切削工具和耐磨工件的性能大大改善了切削工具和耐磨工件的性能和寿命，尤其对航天航空工业发展起着重要的和寿命，尤其对航天航空工业发展起着重要的作用。作用。 耐磨工件耐磨工件：燃料泵、促进器齿轮、轴承等。：燃料泵、促进器齿轮、轴承等。 分类分类：单组分硬质薄膜，如氮化物、碳化物、：单组分硬质薄膜，如氮化物、碳化物、氧化物等氧化物等；多组分复合薄膜，如多组分复合薄膜，如TiC-TiN、TiC-VC、TiC-Al2O3及及TiC-TiN- Al2O3等。等。 纳米尺度复合层薄膜的优点纳米尺度复合层薄膜

47、的优点：可有效减小薄膜：可有效减小薄膜层中的应力，削除断面裂纹和缺陷。层中的应力，削除断面裂纹和缺陷。 5、膜分离、膜分离分离是膜的最基本的应用。分离是膜的最基本的应用。膜分离的优点膜分离的优点：能耗低、选择性好、可在常温下进行等。：能耗低、选择性好、可在常温下进行等。 陶瓷膜陶瓷膜：具有化学稳定性好、热稳定性好、抗菌性能：具有化学稳定性好、热稳定性好、抗菌性能优异、机械性能好、洁净无毒的优点，因而在食品、优异、机械性能好、洁净无毒的优点，因而在食品、医药、化工、环保等领域有极大的应用前景。医药、化工、环保等领域有极大的应用前景。 例例：过滤。通过过滤可把粒径差别比较大的两种物质过滤。通过过滤可把粒径差别比较大的两种物质完全分开，如水中细菌的去除，就是通过膜孔的筛选完全分开，如水中细菌的去除，就是通过膜孔的筛选作用完成的。作用完成的。膜分离的影响因素膜分离的影响因素：孔径大小、孔的其他性质及被分离：孔径大小、孔的其他性质及被分离物同孔的相互作用等。物同孔的相互作用等。其他性质其他性质：孔形状、孔壁性质：孔形状、孔壁性质