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固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控

包郵 固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控

出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2022-11-01
開本： B5 頁(yè)數(shù)： 252
中 圖 價(jià):¥83.8(7.1折) 定價(jià)  ¥118.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控 版權(quán)信息

固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控 本書特色

本書作者在該領(lǐng)域作了大量研究工作并取得了令人欣慰的研究成果，將給廣大科研和產(chǎn)業(yè)工作者以及研究生提供相關(guān)學(xué)習(xí)和科研參考，有利于促進(jìn)我國(guó)表面工程學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展。

固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書系統(tǒng)、深入地闡述固體材料表面改性技術(shù)的基本原理、經(jīng)典理論、創(chuàng)新方法、優(yōu)選加工工藝與制造技術(shù)。本書共7章，分別為緒論、Al2O3/PTFE復(fù)合薄膜、CYSZ熱障涂層、無(wú)機(jī)納米顆粒改性PI復(fù)合薄膜、SiO2光纖涂層復(fù)合薄膜、Ti/LiNbO3波導(dǎo)型光耦合片、金屬/SiO2薄膜型光衰減片等優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備及性能調(diào)控。

固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控 目錄

目錄
前言
第1章 緒論1
1.1 薄膜材料定義、特殊性質(zhì)與結(jié)構(gòu)1
1.1.1 薄膜材料定義1
1.1.2 薄膜材料特殊性質(zhì)1
1.1.3 薄膜材料結(jié)構(gòu)3
1.2 薄膜制備技術(shù)概述4
1.2.1 CVD技術(shù)6
1.2.2 化學(xué)鍍技術(shù)7
1.2.3 真空蒸鍍技術(shù)7
1.2.4 離子磁控濺射技術(shù)8
1.2.5 離子注入技術(shù)11
1.2.6 熱噴涂技術(shù)11
參考文獻(xiàn)13
第2章 Al2O3/PTFE復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與耐磨性能優(yōu)化15
2.1 離子注入改性PTFE耐磨性能優(yōu)化16
2.1.1 幾何碰撞模型建立16
2.1.2 SRIM概述17
2.1.3 SRIM模擬及優(yōu)化18
2.1.4 優(yōu)化結(jié)果分析31
2.2 Al2O3/PTFE多層納米復(fù)合薄膜調(diào)控與制備33
2.3 Al2O3/PTFE多層納米復(fù)合薄膜本征性能分析34
2.3.1 鍍膜方式與Al3+注入劑量對(duì)Al2O3/PTFE薄膜晶型影響34
2.3.2 鍍膜方式與Al3+注入劑量對(duì)Al2O3/PTFE薄膜元素價(jià)態(tài)與成分影響36
2.4 Al2O3/PTFE多層納米復(fù)合薄膜微摩擦學(xué)性能改性37
2.4.1 鍍膜方式與Al3+注入劑量對(duì)Al2O3/PTFE薄膜硬度影響37
2.4.2 鍍膜方式與Al3+注入劑量對(duì)Al2O3/PTFE薄膜彈性模量影響38
2.4.3 鍍膜方式與Al3+注入劑量對(duì)Al2O3/PTFE薄膜摩擦性能影響39
參考文獻(xiàn)41
第3章 CYSZ熱障涂層設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱震性能改性43
3.1 CYSZ熱障涂層實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控43
3.1.1 CYSZ氧化物粉體制備43
3.1.2 CYSZ陶瓷粉體噴霧造粒45
3.1.3 等離子噴涂技術(shù)制備CYSZ熱障涂層45
3.2 共沉淀工藝條件對(duì)CYSZ陶瓷粉體微觀結(jié)構(gòu)影響46
3.2.1 Ce加入量對(duì)CYSZ陶瓷粉體相結(jié)構(gòu)影響46
3.2.2 共沉淀工藝制程對(duì)CYSZ陶瓷粉體微觀結(jié)構(gòu)影響47
3.2.3 燒結(jié)工藝對(duì)CYSZ陶瓷粉體微觀結(jié)構(gòu)影響51
3.3 噴霧造粒工藝對(duì)CYSZ陶瓷粉體微觀結(jié)構(gòu)影響54
3.3.1 噴霧造粒工藝對(duì)CYSZ陶瓷粉體相結(jié)構(gòu)影響54
3.3.2 CYSZ陶瓷粉體表面元素種類及化合價(jià)55
3.3.3 噴霧造粒后CYSZ陶瓷粉體微觀形貌56
3.3.4 噴霧造粒后CYSZ陶瓷粉體粒徑分布56
3.4 等離子噴涂工藝對(duì)CYSZ熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)與熱震性能影響57
3.4.1 CeO2對(duì)CYSZ熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)影響57
3.4.2 CeO2對(duì)CYSZ熱障涂層顯微硬度及結(jié)合強(qiáng)度影響60
3.4.3 CeO2對(duì)CYSZ熱障涂層熱導(dǎo)率影響61
3.4.4 CeO2對(duì)CYSZ熱障涂層熱震性能影響62
3.4.5 CeO2對(duì)熱震前后CYSZ熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)影響63
3.5 熱障涂層熱震后表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理68
參考文獻(xiàn)70
第4章 無(wú)機(jī)納米顆粒改性PI復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱性能優(yōu)化71
4.1 PI結(jié)構(gòu)與性能71
4.1.1 PI結(jié)構(gòu)特征71
4.1.2 PI性能特點(diǎn)72
4.2 納米SiO2-Al2O3/PI復(fù)合薄膜實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)72
4.2.1 兩步法制備PI原理72
4.2.2 PAA配方和反應(yīng)條件設(shè)計(jì)73
4.2.3 超聲-機(jī)械共混法制備納米SiO2-Al2O3/PI復(fù)合薄膜74
4.2.4 溶膠-凝膠法制備納米SiO2-Al2O3/PI復(fù)合薄膜75
4.3 亞胺化反應(yīng)分析及復(fù)合薄膜分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)79
4.3.1 紅外光譜分析79
4.3.2 差示掃描量熱分析83
4.3.3 原子力顯微鏡分析84
4.3.4 紫外-可見光光譜分析86
4.3.5 復(fù)合薄膜分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)86
4.4 納米SiO2-Al2O3/PI復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)表征88
4.4.1 原子力顯微鏡分析88
4.4.2 掃描電子顯微鏡分析91
4.4.3 XRD分析95
4.4.4 紫外-可見光光譜分析99
4.5 納米SiO2-Al2O3/PI復(fù)合薄膜熱穩(wěn)定性研究103
4.5.1 超聲-機(jī)械共混法制備薄膜熱穩(wěn)定性103
4.5.2 溶膠-凝膠法制備薄膜熱穩(wěn)定性104
參考文獻(xiàn)109
第5章 SiO2光纖涂層復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱穩(wěn)定性改性111
5.1 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱穩(wěn)定性改性112
5.1.1 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)112
5.1.2 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜紅外光譜分析118
5.1.3 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜晶型分析122
5.1.4 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜斷口形貌122
5.1.5 納米SiO2/EA復(fù)合薄膜熱穩(wěn)定性分析124
5.2 云母粉/EA復(fù)合涂層設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱穩(wěn)定性改性127
5.2.1 云母粉/EA復(fù)合涂層實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)127
5.2.2 云母粉/EA復(fù)合涂層本征性能分析129
5.2.3 云母粉/EA復(fù)合涂層熱穩(wěn)定性分析132
5.3 納米SiO2/PI復(fù)合涂層設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與熱穩(wěn)定性改性136
5.3.1 納米SiO2/PI復(fù)合涂層實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)136
5.3.2 納米SiO2/PI復(fù)合涂層本征性能分析139
5.3.3 納米SiO2/PI復(fù)合涂層熱穩(wěn)定性分析145
參考文獻(xiàn)147
第6章 Ti/LiNbO3波導(dǎo)型光耦合片設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與光學(xué)性能優(yōu)化148
6.1 Ti/LiNbO3波導(dǎo)型光耦合器基本結(jié)構(gòu)與制備工藝148
6.1.1 Ti/LiNbO3波導(dǎo)型光耦合器基本結(jié)構(gòu)148
6.1.2 Ti/LiNbO3光波導(dǎo)制備工藝149
6.2 LiNbO3中鈦擴(kuò)散機(jī)理150
6.2.1 固體中物質(zhì)擴(kuò)散理論—菲克定律150
6.2.2 鈦離子在LiNbO3中擴(kuò)散機(jī)制151
6.3 Ti/LiNbO3波導(dǎo)型光耦合器實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)152
6.3.1 Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜真空蒸鍍實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)152
6.3.2 鈦擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)154
6.4 真空蒸鍍工藝對(duì)Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜影響156
6.4.1 蒸鍍電流對(duì)Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜影響156
6.4.2 基體溫度對(duì)Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜影響160
6.4.3 蒸鍍時(shí)間對(duì)Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜影響165
6.4.4 Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜截面EDS掃描分析168
6.4.5 Ti/LiNbO3復(fù)合薄膜表面XPS分析169
6.5 鈦擴(kuò)散工藝對(duì)光耦合片微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能影響170
6.5.1 擴(kuò)散工藝對(duì)光耦合片形貌影響170
6.5.2 不同擴(kuò)散工藝下光耦合片截面及表面元素分析174
6.5.3 擴(kuò)散前后光耦合片相結(jié)構(gòu)分析180
6.5.4 鈦擴(kuò)散后光耦合片表面XPS分析182
6.5.5 有效折射率與導(dǎo)模數(shù)目分析184
6.5.6 波導(dǎo)傳輸損耗測(cè)試與分析189
參考文獻(xiàn)192
第7章 金屬/SiO2薄膜型光衰減片設(shè)計(jì)、制備、調(diào)控與光衰減性能優(yōu)化194
7.1 金屬/SiO2薄膜型光衰減片鍍膜工藝選擇194
7.2 三種工藝實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)195
7.2.1 鍍膜和基體材料選擇依據(jù)195
7.2.2 真空蒸鍍金屬膜實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)196
7.2.3 離子磁控濺射Ni膜實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)198
7.2.4 化學(xué)鍍Ni膜與Ni-P膜實(shí)驗(yàn)調(diào)控方案與工藝設(shè)計(jì)200
7.3 真空蒸鍍工藝對(duì)光衰減片組織結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能影響203
7.3.1 光衰減片外觀性203
7.3.2 工藝參數(shù)對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)影響203
7.3.3 工藝參數(shù)對(duì)Al（Cu/Cr）膜光衰減片透光率影響213
7.4 離子磁控濺射工藝對(duì)Ni膜微觀結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能影響216
7.4.1 濺射功率對(duì)Ni膜微觀形貌影響216
7.4.2 濺射氣壓對(duì)Ni膜沉積速率和晶粒尺寸影響219
7.4.3 濺射時(shí)間對(duì)Ni膜表面形貌及膜層成分影響222
7.4.4 工藝參數(shù)對(duì)Ni/SiO2光衰減片光衰減性能影響223
7.5 化學(xué)鍍Ni-P/SiO2光衰減片特性分析226
7.5.1 硫酸鎳濃度對(duì)Ni-P/SiO2光衰減片晶型與組分元素影響226
7.5.2 工藝參數(shù)對(duì)Ni-P膜微觀形貌影響228
7.5.3 工藝參數(shù)對(duì)Ni-P膜透光率影響230
7.6 離子磁控濺射和化學(xué)鍍制備Ni/SiO2光衰減片特性比較231
7.6.1 外觀比較231
7.6.2 Ni膜結(jié)晶狀態(tài)比較232
7.6.3 Ni膜表面形貌比較233
7.6.4 Ni膜與基體結(jié)合情況及耐摩擦性能比較233
7.7 基于SRIM離子磁控濺射過(guò)程模擬234
7.7.1 Ar+濺射Ni靶3D空間模型建立235
7.7.2 濺射Ni靶過(guò)程中Ar+能量損失235
7.7.3 濺射Ni靶過(guò)程中Ar+運(yùn)動(dòng)軌跡236
7.7.4 不同能量濺射后Ar+滯留位置分布237
參考文獻(xiàn)239
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固相功能復(fù)合薄膜設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控 節(jié)選

第1章 緒 論 1.1 薄膜材料定義、特殊性質(zhì)與結(jié)構(gòu) 1.1.1 薄膜材料定義 當(dāng)某種固體或液體的一維線性尺度遠(yuǎn)小于另兩個(gè)方向尺度時(shí)，將這種固體或液體稱為膜。一般按膜厚將其分為兩大類：膜厚大于1μm稱為厚膜，膜厚小于1μm稱為薄膜（戴達(dá)煌等，2013）。薄膜是一種物質(zhì)形態(tài)，與其他形態(tài)的物質(zhì)相同，薄膜材料可以是單晶體、多晶體或非晶體。采用某種制備工藝將固體薄膜附著或嵌入固體基體表面，對(duì)固體基體表面物化特性改性，生成不同組織、成分、晶相及表面結(jié)構(gòu)的薄膜稱為固相復(fù)合薄膜。突出固相復(fù)合薄膜功能特性的薄膜稱為固相功能復(fù)合薄膜。 1.1.2 薄膜材料特殊性質(zhì) 同固體材料相比，薄膜材料很薄，可產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，即薄膜材料的物理性質(zhì)會(huì)受到薄膜厚度的影響；薄膜材料比表面積大，具有非常顯著的表面效應(yīng)，如表面能、表面態(tài)、表面散射和表面干涉等；薄膜中含有較多的表面晶界和缺陷態(tài)，因此對(duì)電子輸運(yùn)特性有較大影響（周志華，2006）。 1. 量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)薄膜材料厚度降至與載流子德布羅意波長(zhǎng)相近時(shí)，垂直表面的載流子能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散或能隙變寬，此現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)（馬旭村等，2008）。量子尺寸效應(yīng)是薄膜材料的固有特性。當(dāng)電子能級(jí)變化大于熱能、光能、電磁能變化時(shí)，薄膜材料的磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與傳統(tǒng)宏觀特性存在明顯差異。 2. 幾何效應(yīng) 塊狀材料通常是由尺寸為0.01～100μm的粉體制備的三維立體結(jié)構(gòu)材料，幾何形狀不一定很規(guī)則（花國(guó)然等，2004）。薄膜材料則由1？的原子或分子逐漸生成，利用不同薄膜制備工藝能夠制備出塊狀材料制備工藝不能得到的特殊材料。薄膜材料的幾何效應(yīng)是指當(dāng)薄膜的二維幾何尺寸發(fā)生微小改變時(shí)，產(chǎn)生的各種影響將呈幾何指數(shù)變化，引起薄膜材料宏觀性能巨大改變的效應(yīng)。材料薄膜化后在組織、成分、結(jié)構(gòu)上與塊狀材料有很大差別，加上幾何效應(yīng)的影響，薄膜材料的特性與塊狀材料有明顯的不同，如力學(xué)性能、載流子輸運(yùn)機(jī)構(gòu)特性、超導(dǎo)特性、磁性及光學(xué)特性等。 3. 表面效應(yīng) 表面能是指物質(zhì)表面相對(duì)于物質(zhì)內(nèi)部富余的能量，其是制造材料表面過(guò)程中對(duì)分子間化學(xué)鍵破壞的一種度量。外層原子“鍵”懸空，即懸鍵，使得表面質(zhì)點(diǎn)比體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)具有額外的勢(shì)能，表面活性大，具有表面效應(yīng)。由于薄膜表面電子勢(shì)場(chǎng)與三維晶體內(nèi)部完全不同，電子態(tài)也呈特殊性。薄膜材料比表面積大，表面能級(jí)對(duì)薄膜內(nèi)部電子輸運(yùn)狀況有很大的影響，尤其是對(duì)薄膜半導(dǎo)體表面電導(dǎo)和場(chǎng)效應(yīng)將產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響半導(dǎo)體材料與器件的宏觀性能。 4. 非熱力學(xué)平衡過(guò)程 真空蒸鍍、離子磁控濺射、離子注入等物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術(shù)需要將物質(zhì)氣化和驟冷，才可制得所需復(fù)合薄膜，此過(guò)程一定要在非熱力學(xué)平衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，因此可制得在熱力學(xué)平衡條件下不存在的物質(zhì)。采用非熱力學(xué)平衡狀態(tài)制備薄膜的優(yōu)勢(shì)之一是易形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，尤其是在制備超薄膜時(shí)，易形成島狀或纖維狀結(jié)構(gòu)，可以滿足特殊領(lǐng)域需求。 5. 薄膜和固體基體存在黏附性、附著力、內(nèi)應(yīng)力 眾所周知，固體基體與薄膜間存在三種界面形式，即物理結(jié)合型、化學(xué)反應(yīng)型、吸附潤(rùn)濕型，因此固體基體與薄膜間存在相互作用力，表現(xiàn)為固體基體與薄膜間存在黏附性、附著力、內(nèi)應(yīng)力等。薄膜被吸附于固體基體上并受到制約，容易導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生某種應(yīng)變。薄膜和固體基體間的黏附性、附著力、內(nèi)應(yīng)力就是這種應(yīng)變引起的，由于薄膜和固體基體內(nèi)部宏觀或微觀組織發(fā)生不均勻體積變化而產(chǎn)生黏附性、附著力、內(nèi)應(yīng)力。附著力和內(nèi)應(yīng)力是薄膜極為重要的固有特征。一般固體基體和薄膜屬于不同種物質(zhì)，附著現(xiàn)象考慮的對(duì)象是兩者間的表面和界面。兩者之間相互作用表現(xiàn)為附著能，附著能是一種界面能。薄膜中有兩類內(nèi)應(yīng)力：固有應(yīng)力和非固有應(yīng)力。固有應(yīng)力的產(chǎn)生原因是薄膜中存在的缺陷，如位錯(cuò)。而非固有應(yīng)力的產(chǎn)生原因主要是薄膜對(duì)固體基體的附著力。因?yàn)楸∧ず凸腆w基體屬于不同種物質(zhì)，兩者有著不同的線膨脹系數(shù)和晶格失配，所以能夠把應(yīng)力引進(jìn)薄膜，或由于薄膜與固體基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在薄膜和固體基體間生成的新化合物同薄膜緊密結(jié)合，只要存在輕微晶格失配就會(huì)將應(yīng)力引入薄膜。 6. 異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性 薄膜制備方法多是在非平衡狀態(tài)下完成的，結(jié)果導(dǎo)致薄膜的相結(jié)構(gòu)和同種物質(zhì)相圖有較大差異。通常將與相圖不一致的材料結(jié)構(gòu)稱為異常結(jié)構(gòu)，異常結(jié)構(gòu)屬于一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。固體薄膜材料黏性較大，可以將其看成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。通過(guò)加熱退火和長(zhǎng)時(shí)間的放置會(huì)慢慢使其變?yōu)榉(wěn)定狀態(tài)。 7. 易獲得多層膜 多層膜是將兩種或兩種以上材料先后（或混合后）沉積在同一個(gè)基體上，又稱復(fù)合膜。復(fù)合膜包括任何材料間的結(jié)合，如在氧化物上鍍金屬膜或在金屬上鍍玻璃膜。 1.1.3 薄膜材料結(jié)構(gòu) 薄膜材料存在三種結(jié)構(gòu)：組織結(jié)構(gòu)、薄膜晶體結(jié)構(gòu)及表面結(jié)構(gòu)。 1. 組織結(jié)構(gòu) 薄膜結(jié)晶形態(tài)被視為其組織結(jié)構(gòu)，有四種：無(wú)定形結(jié)構(gòu)、單晶結(jié)構(gòu)、多晶結(jié)構(gòu)及纖維結(jié)構(gòu)。 當(dāng)薄膜結(jié)構(gòu)中原子的空間排列屬于一種長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的狀態(tài)時(shí)，其組織結(jié)構(gòu)屬于無(wú)定形結(jié)構(gòu)。形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜的工藝關(guān)鍵是降低吸附原子表面擴(kuò)散速率，經(jīng)常使用的方法有降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體、摻雜其他物質(zhì)等。基體材料溫度對(duì)形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜影響較大。當(dāng)基體材料溫度升高時(shí)，吸附原子或粒子獲得的動(dòng)能變大，易穿越表面勢(shì)壘區(qū)，薄膜易結(jié)晶化，且薄膜內(nèi)部缺陷會(huì)減少，內(nèi)應(yīng)力變小；當(dāng)基體材料溫度降低時(shí)，吸附原子或粒子獲得的動(dòng)能變小，不容易穿越表面勢(shì)壘區(qū)，易形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜。 通常，單晶結(jié)構(gòu)薄膜中全部原子或分子呈規(guī)則排列，利用外延生長(zhǎng)工藝制備而得。利用外延生長(zhǎng)工藝制備單晶結(jié)構(gòu)薄膜**的條件如下：吸附原子或粒子應(yīng)當(dāng)具有高的表面擴(kuò)散速率，基體與薄膜結(jié)晶相容性好，基體表面光滑、潔凈、化學(xué)穩(wěn)定性好。為此，選擇合適的外延生長(zhǎng)溫度和沉積速率是必需的，同時(shí)晶格失配數(shù)m越小越好。 多晶結(jié)構(gòu)薄膜是一種不同粒徑晶粒隨機(jī)取向聚集形成的薄膜。在這種結(jié)構(gòu)薄膜中，因不同粒徑晶粒取向不同，故存在晶界。因存在晶界，故晶界處原子排列不規(guī)則，處于一種過(guò)渡狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)疏松，由此產(chǎn)生不同于晶粒的特性：晶界處原子能量遠(yuǎn)高于晶粒內(nèi)原子能量、易受腐蝕；晶界處熔點(diǎn)低于晶粒，存在空位、位錯(cuò)和鍵變形等結(jié)構(gòu)缺陷。 纖維結(jié)構(gòu)薄膜是一種具有擇優(yōu)取向的薄膜。通常在無(wú)定形結(jié)構(gòu)基體表面形成的多晶薄膜都具有擇優(yōu)取向，且*低表面自由能出現(xiàn)在面心立方結(jié)構(gòu)（111）面上，所以，擇優(yōu)取向多為（111）面。 2. 薄膜晶體結(jié)構(gòu) 通常薄膜晶體的晶粒晶格結(jié)構(gòu)與同種塊狀體相同。但是薄膜中晶粒晶格常數(shù)常常和塊狀體不同，原因有二：①薄膜與基體晶格常數(shù)不匹配；②薄膜存在內(nèi)應(yīng)力和表面張力。 3. 表面結(jié)構(gòu) 沉積薄膜時(shí)，由于加工公差影響，薄膜表面很難制作得絕對(duì)平滑，存在一定粗糙度，其對(duì)薄膜光學(xué)性能有較大影響。薄膜表面結(jié)構(gòu)與整體薄膜成型密切相關(guān)，當(dāng)基體溫度和真空度較低時(shí)，薄膜易出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。 1.2 薄膜制備技術(shù)概述 薄膜制備技術(shù)有化學(xué)制備技術(shù)和物理制備技術(shù)兩種。化學(xué)制備技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）技術(shù)、電鍍技術(shù)、化學(xué)鍍技術(shù)等。物理制備技術(shù)包括真空蒸鍍技術(shù)、離子磁控濺射技術(shù)、離子注入技術(shù)等。 薄膜化學(xué)制備技術(shù)需要一定的化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)可以由熱效應(yīng)引起或由離子電離引起。在CVD和熱生長(zhǎng)過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)靠熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于反應(yīng)物和生成物的選擇具有一定局限性，由于化學(xué)反應(yīng)需要在較高溫度下進(jìn)行，基體所處環(huán)境溫度較高，這樣同時(shí)限制基體材料的選取。與PVD技術(shù)相比，盡管CVD技術(shù)中沉積過(guò)程控制較為復(fù)雜，也較為困難，但是所使用設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，只是對(duì)環(huán)境有污染。 薄膜物理制備技術(shù)又稱為綠色鍍膜技術(shù)。綠色鍍膜技術(shù)是2007年中國(guó)蘭州交通大學(xué)科技人員率先提出的表面工程領(lǐng)域的綠色制造新技術(shù)（范多旺，2008）。該技術(shù)主要包括真空離子鍍膜、離子磁控濺射、蒸鍍、離子注入、離子清潔等一系列單項(xiàng)技術(shù)及多項(xiàng)復(fù)合技術(shù)的集成。該技術(shù)具有生產(chǎn)過(guò)程及制出的產(chǎn)品對(duì)環(huán)境友好、無(wú)污染物排放的突出特點(diǎn)，能很好地解決發(fā)展與環(huán)境的矛盾。傳統(tǒng)鍍膜技術(shù)多采用電鍍或化學(xué)鍍的方法，尤其是大尺寸工件，但是傳統(tǒng)的電鍍或化學(xué)鍍工藝使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氰化物、鉻酐等有害化學(xué)物質(zhì)，廢水成分極其復(fù)雜，對(duì)環(huán)境具有極大的危害，一直是工業(yè)廢水處理的一大難題。綠色鍍膜技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單，不需要消耗銅、鉻、鎳等重金屬，不使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、氰化物以及鉻酐等有害物質(zhì)，污染物（尤其是重金屬、氰化物）排放少，并且水消耗較低，只需少量循環(huán)冷卻水，突出特點(diǎn)是鍍膜生產(chǎn)過(guò)程及鍍制產(chǎn)品對(duì)環(huán)境友好、無(wú)污染物排放，而且可提高鍍制產(chǎn)品質(zhì)量，增加鍍膜品種，實(shí)現(xiàn)降耗、減排、增效。較之過(guò)去鍍膜多采用電鍍和化學(xué)鍍，綠色鍍膜技術(shù)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。表1-1對(duì)幾種鍍膜技術(shù)進(jìn)行比較。 表1-1 幾種鍍膜技術(shù)比較 相對(duì)于CVD技術(shù)的局限性，PVD技術(shù)則顯示出獨(dú)有的優(yōu)越性，它對(duì)沉積材料和基體材料均沒有限制。PVD過(guò)程可概括為三個(gè)階段：源材料蒸發(fā)氣化或?yàn)R射發(fā)射出粒子為**階段；粒子輸運(yùn)遷移到基體為第二階段；粒子在基體上凝結(jié)成核、晶核生長(zhǎng)成若干獨(dú)立小島、若干獨(dú)立小島連成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)堆積形成薄膜為第三階段。PVD技術(shù)與CVD技術(shù)相比，主要區(qū)別在于PVD技術(shù)靠物理方法（蒸發(fā)、濺射、氣體放電）獲得沉積物粒子，需要真空室，設(shè)備復(fù)雜；除蒸鍍外，PVD技術(shù)均在氣體放電等離子體中進(jìn)行，工件帶電，沉積溫度低，工件不易變形和變性，適用的基體材料范圍廣泛。CVD技術(shù)和PVD技術(shù)比較如表1-2所示。 表1-2 CVD技術(shù)和PVD技術(shù)比較 1.2.1 CVD技術(shù) CVD技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)一種薄膜制備技術(shù)。這種方法把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基體，利用加熱、等離子體、紫外線乃至激光等能源，借助氣相作用或在基體表面化學(xué)反應(yīng)生成薄膜（韓高榮，2008）。利用這一技術(shù)可以在各種基體上制備元素及化合物薄膜。CVD的基本原理建立在化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，習(xí)慣上把反應(yīng)物是氣體而生成物之一是固體的反應(yīng)稱為CVD反應(yīng)。常見CVD反應(yīng)如式（1-1）～式（1-7）所示（鄭偉濤，2018）。 1. 熱分解反應(yīng) 早期制備Si膜的方法是在一定溫度下使SiH4分解，化學(xué)反應(yīng)式如下： SiH4（g）→Si（s）↓+2H2（g）↑（1-1） 2. 還原反應(yīng) 典型的例子是H2還原鹵化物SiCl4： SiCl4（g）+2H2（g）→Si（s）↓+4HCl（g）↑（1-2） 3. 氧化反應(yīng) SiO2通常由SiH4氧化來(lái)制備，SiH4與O2混合并用惰性氣體在常壓下稀釋，這一氧化反應(yīng)如下： SiH4（g）+O2（g）→SiO2（s）↓+2H2（g）↑（1-3） 反應(yīng)可以在較低溫度（450℃）下進(jìn)行。 4. 氮化反應(yīng) Si3N4和BN是CVD制備氮化物的兩個(gè)重要產(chǎn)物，其中制備Si3N4的氮化反應(yīng)如下： 3SiH4（g）+4NH3（g）→Si3N4（s）↓+12H2（g）↑（1-4） 下列反應(yīng)可獲得高沉積率： 3SiH2Cl2（g）+4NH3（g）→Si3N4（s）↓+6HCl（g）↑+6H2（g）↑（1-5） BCl3（g）+NH3（g）→BN（s）↓+3HCl（g）↑（1-6） 5. 化合物制備 由有機(jī)金屬化合物可以沉積得到Ⅲ-Ⅴ族化合物： Ga（CH3）3（g）+AsH3（g）→GaAs（s）↓+3CH4（g）↑（1-7） 1.2.2

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