1、會計學1薄膜技術(shù)與薄膜材料薄膜技術(shù)與薄膜材料第一頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。u 材料、信息技術(shù)與能源稱為現(xiàn)代人類文明的三大支柱。國民經(jīng)濟的各部門和高技術(shù)領域的發(fā)展都不可避免地受到材料發(fā)展的制約或推動。新材料的發(fā)展水平成為了衡量國家技術(shù)水平和綜合實力的重要新材料的發(fā)展水平成為了衡量國家技術(shù)水平和綜合實力的重要標志。標志。u 何謂“新材料新材料”？簡單地說，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。u 何謂“高技術(shù)高技術(shù)”？簡單地說，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類物質(zhì)文明和精神文明更快進步的

2、技術(shù)。u 而薄膜，正是一種新型的材料，薄膜技術(shù)是一種新型的高技術(shù)薄膜，正是一種新型的材料，薄膜技術(shù)是一種新型的高技術(shù)。第1頁/共50頁第二頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第2頁/共50頁第三頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。采用薄膜技術(shù)材料在世界范圍內(nèi)所占的市場第3頁/共50頁第四頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第4頁/共50頁第五頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 當今信息社會，人們通過電視機、收音機、手機、互聯(lián)網(wǎng)等，可即時看到或聽到世界上所發(fā)生的“鮮”、“活”新聞，如同人們長上了千里眼、順風耳。完成這一切，需要許多采集、處理信息及通信網(wǎng)絡設備，而這些設備都需要數(shù)量巨大的元器件、

3、電子回路、集成電路等。薄膜技術(shù)是制作這些元器件、薄膜技術(shù)是制作這些元器件、電子回路、集成電路的基礎。電子回路、集成電路的基礎。通過互聯(lián)網(wǎng)可以按計劃、遠距離、隨心所欲地操作自宅家電可代替人工作的機器人將出現(xiàn)在我們面前第5頁/共50頁第六頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 以等離子體平板顯示器、液晶顯示器為代表的平板顯示器。畫面對角線超過，厚度僅有幾厘米，圖像清晰、逼真的壁掛式PDP已在機場、車站、會議室乃至家庭中廣泛采用。 目前，可折疊卷曲的顯示器正在研究中，而且人們欣賞立體畫面的時代已為期不遠。與此同時，發(fā)光二極管顯示器、有機電致發(fā)光顯示器等也在急速發(fā)展之中。畫面對角線106cm的等離子壁掛

4、彩電第6頁/共50頁第七頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。PDP斷面結(jié)構(gòu)的實例第7頁/共50頁第八頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。液晶顯示器的工作原理 通過外加電壓的有和無，就可以實現(xiàn)光的透過與截止，即由電開關(guān)實現(xiàn)光開關(guān)。第8頁/共50頁第九頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。使用神經(jīng)細胞培養(yǎng)，實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡功能的過程: 先利用薄膜技術(shù)在石英板上制作150m見方的阱以及連接阱的10m深的溝槽，再在阱中放置大白鼠的海馬神經(jīng)細胞?？梢钥闯觯荷窠?jīng)纖維會向四面八方伸出，神經(jīng)纖維會在溝槽中生長。神經(jīng)細胞之間可以實現(xiàn)接觸、連接，進而形成回路網(wǎng)絡。第9頁/共50頁第十頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。

5、 如圖)所示，阱中僅神經(jīng)細胞的尖端露出，通過設置由氧化鋁或聚酰亞胺等絕緣膜覆蓋的電極，可將其產(chǎn)生的電信號取出。第10頁/共50頁第十一頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第11頁/共50頁第十二頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第12頁/共50頁第十三頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第13頁/共50頁第十四頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。MEMS表示百萬分之一米尺寸量級的電子機械系統(tǒng)，NEMS表示十億分之一米尺寸量級的電子機械系統(tǒng)。第14頁/共50頁第十五頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 薄膜技術(shù)的未來目標之一是，在物體上所希望的位置，去除不需要的原子，或安裝所希望的原子，通過原

6、子的人工組裝實現(xiàn)超高密度器件。 為實現(xiàn)原子的人工組裝，研究中經(jīng)常使用的裝置是掃描隧道顯微鏡（簡稱STM）。下圖為STM的工作原理圖示。第15頁/共50頁第十六頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 人工操作原子的例子：用STM觀察到的Si原子排布情況，圖a中的白亮點為Si原子，圖中的圓圈為位置標記。圖表示由其他位置向標有符號的位置移來的三個原子。圖表示去除移動原子后的情況。第16頁/共50頁第十七頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。CNT和富勒烯的結(jié)構(gòu)模型CNT和富勒烯的制作裝置示意第17頁/共50頁第十八頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。沉積薄膜的載體稱為基板，沉積的薄膜（如鋁等金屬膜）物質(zhì)

7、為薄膜材料。首先，將基板及含有薄膜材料的源（氣化源）置于真空容器（鐘罩）中，抽真空，達到所需要的真空度。在真空室中，由氣源發(fā)出的鍍料，以原子或分子狀隨機運動狀態(tài)，以聲速到數(shù)千倍聲速的高速度，向著基板飛行。第18頁/共50頁第十九頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 真空蒸鍍和離子鍍主要用于研究開發(fā)和小批量生產(chǎn)，而濺射鍍膜和化學氣相沉積更適用于大批量生產(chǎn)和工藝研究。第19頁/共50頁第二十頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第20頁/共50頁第二十一頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第21頁/共50頁第二十二頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第22頁/共50頁第二十三頁，編輯于星期日：十九點

8、 四十八分。第23頁/共50頁第二十四頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。表面改性的手段表面改性的手段，可分為兩大類:(1) 表面處理技術(shù)（形成表面改性層）：通過物理的或化學的手段，在物質(zhì)表面層中引入反應成分，形成混合相或合成相，從而產(chǎn)生新的功能和材料特性。(2) 膜沉積技術(shù)（形成復合多層膜）：在基體材料表面析出或沉積有別于基體材料的膜層，從而顯示新的功能和材料特性。第24頁/共50頁第二十五頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第25頁/共50頁第二十六頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 用于表面改性的表面處理技術(shù)：u 離子注入u 等離子體表面處理u 激光表面處理離子注入原理：離子注入原理：

9、離子注入是將數(shù)千伏以上高電壓加速的離子打入固體表面，使固體表面的結(jié)構(gòu)、組織、化學成分等發(fā)生變化，從而獲得新的功能和材料特性。離子注入優(yōu)點：離子注入優(yōu)點：由于采用質(zhì)量分析器對離子進行選擇，可以進行高純度注入；可由加速電壓控制注入深度，由電流和時間控制注入量；屬于非熱平衡過程，對基板材料與離子的組合以及注入量等無限制；既可對微小面積，又可對比較大的面積（靜電掃描）進行注入等。離子注入缺點：離子注入缺點：裝置很大，操作復雜，運行費用高；通常運行條件（小于或近似等于數(shù)十萬電子伏）下，注入深度在1m以下；除半導體以外，一般樣品注入離子的種類實際上是受限制的。第26頁/共50頁第二十七頁，編輯于星期日：十

10、九點 四十八分。 用于表面改性的表面處理技術(shù)：u 離子注入u 等離子體表面處理u 激光表面處理等離子體表面處理原理：等離子體表面處理原理：采用這種方法可進行表面氮化、表面氧化、表面碳化等。將活性反應氣體以1050（摩爾分數(shù)）的比例與氬氣混合，在數(shù)十至數(shù)百帕的真空氣氛中產(chǎn)生等離子體放電。相對于接地電位的靶樣品，等離子體處于正電位，活性氣體離子加速向樣品表面碰撞，在進入表面的同時，與表面物質(zhì)發(fā)生化學反應。等離子體表面處理優(yōu)點：等離子體表面處理優(yōu)點：等離子體增強（輔助，強化）表面處理裝置比較簡單，容易操作，價格也比較便宜，便于工業(yè)應用。第27頁/共50頁第二十八頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。

11、用于表面改性的表面處理技術(shù)：u 離子注入u 等離子體表面處理u 激光表面處理激光表面處理：激光表面處理：采用紅寶石、CO2等高功率脈沖激光，對鋼、鋁合金等進行表面處理，通過表面合金化、結(jié)晶組織等的微細化、固溶度增大等，可以提高村料的硬度、強度、耐蝕性、耐熱性、耐磨性等。第28頁/共50頁第二十九頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第29頁/共50頁第三十頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第30頁/共50頁第三十一頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 針對具體的材料表面改性系統(tǒng)，需要制作、試驗的樣品很多，同時還要進行各種基礎性實驗。從提高效率角度考慮，希望利用小型連續(xù)成膜實從提高效率角度考慮，

12、希望利用小型連續(xù)成膜實驗裝置。驗裝置。 在針對實際工況進行模擬試驗時，至少需要進行與實際的動態(tài)、靜至少需要進行與實際的動態(tài)、靜態(tài)規(guī)模相接近的驗證試驗。態(tài)規(guī)模相接近的驗證試驗。 在最終決定材質(zhì)或加工工藝階段，薄膜材料試制應采用與樣品制作在最終決定材質(zhì)或加工工藝階段，薄膜材料試制應采用與樣品制作相同的沉積裝置，或至少采用同一規(guī)格的模型機。相同的沉積裝置，或至少采用同一規(guī)格的模型機。 在檢測各種機械性能，特別是進行壽命試驗時，加速試驗的結(jié)果至少應是加速試驗的結(jié)果至少應是目標值的倍。目標值的倍。 關(guān)于試驗檢測方法、順序、檢測手段、試驗檢測設備的規(guī)格、試驗結(jié)果的確認等，都應該按照有關(guān)標準嚴格地進行。都應

13、該按照有關(guān)標準嚴格地進行。第31頁/共50頁第三十二頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。 超硬模的獲得：各種類型的薄膜既可由PVD又可由CVD制取。在生產(chǎn)中所鍍制的膜層，按用途可分為兩類：一類是機械功能膜機械功能膜，包括耐磨、減摩、潤滑、裝飾等表面保護和強化膜，其厚度一般要超過1m；另一類是物物理功能膜理功能膜，包括聲學、光學、電學和磁學膜，其厚度一般小于1m。 硬質(zhì)鍍層材料包括超硬材料，如金剛石膜、“類金剛石”碳膜、難熔化合物及各種合金等。近年來，過渡族金屬碳化物和氮化物已經(jīng)獲得了最為顯著的實用效果。其中，對氮化鈦、碳化鈦及其復合鍍層研究得最多，應用也最廣泛。第32頁/共50頁第三十三頁，編

14、輯于星期日：十九點 四十八分。第33頁/共50頁第三十四頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第34頁/共50頁第三十五頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第35頁/共50頁第三十六頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第36頁/共50頁第三十七頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。選擇鍍層基體系統(tǒng)時，應考慮鍍層和基體之間的相互作用，以及鍍層在使用條件下與周圍環(huán)境之間的反應，其中主要包括膜層與基體之間的附著力、應力對鍍層強度的影響，以及鍍層的硬度、脆性、熱膨脹系數(shù)、穩(wěn)定性、多層膜的匹配性等。選擇時的注意事項：選擇時的注意事項：u 在許多耐磨損應用中，對鍍層基體組合有許多嚴格的限制。u 由鍍層和基體熱

15、膨脹系數(shù)失配引起的熱應力，對于高溫條件下生長的鍍層是非常重要的u 薄膜生長中產(chǎn)生的應力也會減弱附著力。u 鍍層的附著力應該足夠高，以保證在上述應力作用下，不至于引起基體鍍層界面的分離。u 除了鍍層的附著力之外，鍍層本身的強度和塑性也至關(guān)重要。u 對于許多耐磨損應用來說，鍍層的硬度也極為重要。第37頁/共50頁第三十八頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。第38頁/共50頁第三十九頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。（1）齒輪切削刀具齒輪切削刀具鍍TiN的效果（2）鉆頭TiN鍍層對鉆頭性能的影響第39頁/共50頁第四十頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變?yōu)槎文?/p>

16、量的形式）第40頁/共50頁第四十一頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。部分與能量變換相關(guān)的現(xiàn)象（一次能量變?yōu)槎文芰康男问剑┑?1頁/共50頁第四十二頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。光電變換薄膜材料光電變換薄膜材料物質(zhì)受光照射，吸收光能，內(nèi)部電子被激發(fā)而向外放出，即產(chǎn)生光電子。利用該性能可以制作太陽能電池。第42頁/共50頁第四十三頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。光電變換薄膜材料光電變換薄膜材料第43頁/共50頁第四十四頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。光熱變換薄膜材料光熱變換薄膜材料 將光能變換為熱的太陽能利用方式為太陽能熱利用。實際采用的有太陽能房、太陽能熱水器等，太陽能熱發(fā)電

17、也在試驗中。后者是由太陽能獲得的高溫（850K前后）水蒸氣，驅(qū)動發(fā)電。薄膜在光熱變換系統(tǒng)中起薄膜在光熱變換系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。著關(guān)鍵作用。光入射到材料表面的光、熱轉(zhuǎn)換示意第44頁/共50頁第四十五頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。熱電變換薄膜材料熱電變換薄膜材料 在將熱能直接變換為電能的過程中，以薄膜或表面形態(tài)而起作用的固體材料有熱電材料、發(fā)射材料等等。 迄今為止，以在熱電裝置或熱電元件中實用為目標，已研究開發(fā)過多種熱電變換材料。一般說來，除絕緣體之外，許多物質(zhì)都顯示出熱電現(xiàn)象。但半導體材料的熱電現(xiàn)象比金屬材料更為明顯，前者的大小是后者的23個數(shù)量級。第45頁/共50頁第四十六頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。熱電子發(fā)射薄膜材料熱電子發(fā)射薄膜材料 處于高溫的金屬或某些金屬化合物，可發(fā)射熱電子。常作為熱發(fā)射燈絲而應用的電子源，采用的就是高效率的熱電子發(fā)射材料。受熱激發(fā)的金屬內(nèi)部電子，當其能量超過稱為功函數(shù)的能壘之后，就可從表面向真空中放出，并被外部電極的表面捕獲。固體電解質(zhì)薄膜材料固體電解質(zhì)薄膜材料 固體電解質(zhì)是固體離子的傳導體，對特定的離子選擇性地顯示出大的傳導性。具有質(zhì)子傳導性的固體電解質(zhì)膜，可有效地用于水的電解及氫、氧燃料電池。第46頁/共50頁第四十七頁，編輯于星期日：十九點 四十八分。超導薄