功能薄膜材料

薄膜的特性用料少，成本方面考慮新的效應新的材料容易實現多層膜薄膜和基片的粘附性薄膜的內應力缺陷

薄膜的分類從功能上分：電學薄膜，光學薄膜，磁性薄膜，保護膜，裝飾用膜、包裝膜……從結構上分：無機薄膜，有機分子膜，單晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜……電學薄膜：（1）半導體器件與集成電路中的導電材料與介質薄膜材料Al,Cr,Pt,Au,Cu,多晶硅，硅化物，SiO2,Si3N4,Al2O3（2）超導薄膜YBaCuO,BiSrCaCuO，

TlBaCuO等高溫超導材料（3）光電子器件中使用的功能薄膜

GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:Ha-SiGe:H,a-SiC:H等晶態和非晶態薄膜（4）薄膜傳感器可燃性氣體傳感器SnO2，氧敏傳感器ZrO2,

熱敏傳感器Pt,Ni,SiC,

離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜電阻、電容、阻容網絡與混合集成電路，低電阻率：Ni-Cr，高電阻率:Cr-SiO,

薄膜電容：Zn，Al（6）薄膜太陽能電池:非晶硅、CuInSe2,CdSe1.3薄膜的分類（7）平板顯示器件：液晶顯示、等離子體顯示、電致發光顯示ITO透明電極，ZnS:Mn發光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件（9）磁記錄薄膜與薄膜磁頭，CoCrTa、

CoCrNi，FeSiAl、巨磁阻材料（10）靜電復印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si光學薄膜：（1）減反射膜：相機、攝像機、投影儀、望遠鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3

紅外設備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO（2）反射膜：太陽能接收器、鍍膜反射鏡、激光器用的高反射率膜（3）分光鏡和濾波片：如彩色擴印設備上（4）鍍膜玻璃：建筑、汽車隔熱（5）光存儲薄膜：光盤、唱片

Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光學元件與光波導中的介質薄膜與半導體薄膜磁性薄膜：硬盤，內存，磁帶……保護膜：（1）硬質膜，刀具、磨具表面的TiN，TiC，金剛石、C3N4，c-BN（2）耐腐蝕膜，非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗熱腐蝕的NiCrAlY等（3）潤滑膜MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni，

Au，Ag，Pb

薄膜材料研究進展（1）新型半導體薄膜：GaN，SiC，

ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H

改進工藝，降低成本，研究新的應用（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4BCN（3）納米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）無機光電薄膜材料：III-V，II-V（6）Spintronics薄膜、稀磁半導體薄膜

ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（7）有機薄膜微電和光電材料（OLED)

需要提高效率和可靠性（8）High-K、Low-K材料更快的速度、更高的集成度、更低的能耗，含氟氧化硅、Hf02、Zr02

（9）高溫超導和巨磁阻（10）有機薄膜及有機-無機混合薄膜（11）新型薄膜…

薄膜的應用舉例集成電路

計算機，互聯網，手機，Mp3磁記錄及硬盤系統Liquidlubricant1-2nmDLC10-30nmMagneticcoating25-75nmAl-Mg/10

mNiPorGlass-ceramic0.78-1.3mmThesurfaceofstretched(12%)videotapewithDLC-layerwithathicknessof30nm.Thesurfaceofstretched(12%)videotapewithoutDLC-layer.超薄電視，顯示器等離子體電視液晶電視UltravioletLED微電機系統(MEMS)，納電機系統(NEMS)微電機系統(MEMS)，納電機系統(NEMS)微電機系統(MEMS)納電機系統(NEMS)380MHz功能薄膜材料功能的發揮和作用發生在材料表面：如光催化、光學反射等等。薄膜材料往往具有一些塊體材料所不具有的功能。薄膜材料容易形成細晶、非晶狀態；薄膜材料容易處于亞穩狀態；薄膜往往偏離化學計量比；特殊的材料表面能態。超導薄膜1986年以前，超導材料的最高臨界溫度只有23.2K。1986

年IBM公司蘇黎世實驗室的

Bednorz和Muller報導發現無機化合物La2-xBaxCuO4-δ在30K

下發生超導轉變，接著在世界各地很快發現YBa2Cu3O7-δ系列的超導轉變溫度可高達90K，于是引發世界范圍的高溫超導（HighTemperaturesuperconduct，

HTS）體研究熱潮。很快這一研究熱潮擴大到了高溫超導薄膜，成為電子材料研究領域中的一個熱門課題。至今，已發現了大量的銅酸鹽高溫超導相化合物薄膜，它們的超導臨界轉變溫度Tc）從18

K～135K

變化，制成了許多的外延膜。研究目的在研究和探索上述新型的超導薄膜時，追求的性能目標不同，以便為高溫超導薄膜在微電子學領域的應用奠定基礎：提高臨界超導溫度（Tc）和臨界電流密度（Jc）；提高對磁場的相應靈敏度，或頻率寬度等；目前研究的HTS的種類釔鋇銅氧及其系列的超導薄膜，也就是在YCBO的基礎上添加其他微量元素，這些添加元素大部分為鑭系元素，如鐠（Pr）鉕（Pm）、釤（Sm）、鏑（Dy）、鈥（Ho）等，形成形如Y1－xHoxBa2Cu3O7－δ一類超導薄膜。這樣做的原因是稀土元素具有與釔不同的外層電子結構和離子半徑，它們部分甚至全部替代釔時，可能會引起原子尺度上變化和氧化物超導體的電子結構的變化，以提高其性能指標。GdBa2Cu3O7-δ鋇鍶鈦氧（Ba0.6Sr0.4TiO3，BSTO）以及添加Mg等添加劑的Ba0.6Sr0.4TiO3復合物系列（如BSTO/MgO等）。HTS薄膜外延生長技術原位生長：即材料在沉積過程中就能生成所需的晶相非原位生長：材料在沉積中或者呈現非晶態，或者是多晶相的聚合體，并在后續的退火過程中形成所需的HTS相原位生長優點：能夠獲得相對平整的薄膜表面和能夠制備多層結構動力學以及形成合適物相所必須的熱力學都要求淀積過程在高溫（650℃～800℃）和氧氣氣氛下進行。物理沉積技術，如共蒸發、分子束外延（MBE）、脈沖激光淀積、以及濺射等；有機化學氣相沉積（MOCVD）和液相外延（LPE）。在物理沉積HTS銅酸鹽過程中，物相所含各種成分以單一原子或單一氧化物成分的束流形式輸送，大多數情況下薄膜生長過程都能達到原子級別的控制，故能制備出各種新奇的多層結構。獲得用作導線的平面內取向HTS膜的IBAD流程磁性薄膜磁記錄材料磁記錄材料的性能要求剩余磁感應強度Br高；矯頑力Hc適當的高；磁滯回線接近矩形，Hc附近的磁導率盡量高；磁層均勻；磁性粒子的尺寸均勻，呈單疇狀態；磁致伸縮小，不產生明顯的加壓退磁效應；基本磁特性的溫度系數小，不產生明顯的加熱退磁效應。磁記錄材料顆粒（磁粉）涂布型介質連續薄膜型磁記錄介質由于連續薄膜型介質容易做到薄，均勻，不易氧化，同時又無須采用粘結劑等非磁性物質，所以剩余磁感應強度及矯頑力比顆粒涂布型介質高得多，是磁記錄介質發展得方向。制備連續薄膜型磁記錄介質的方法濕法和干法：濕法也稱化學法，主要包括電鍍和化學鍍；干法也稱為物理法，濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法等提高磁記錄密度

如：CoCrPt（10nm）(Gb/in2)/Cr(5nm)/CoCrPt（10nm）材料，加入中間的Cr層目的是使兩層CoCrPt

磁膜間產生磁退耦合作用，矯頑力Hc

高達295kA/m，晶粒非常小；

CoCrPt（12.5nm,Vb=-175V）/CoCrPt（5nm,

Vb=0）/CoCrPt（10nm,Vb=-175V）材料（此處Vb

表示沉積時基片偏置電壓）的矯頑力Hc

為218kA/m，高矩形比為0.90；

CoCrPt（20nm）/CoCrTa(5nm)材料，矯頑力Hc

為296kA/m，矩形比為0.88。納米多層磁性薄膜巨磁阻薄膜磁電阻（magnetoresistance,MR）效應是指由外磁場改變而引起物質電阻發生變化的現象。對于大部分金屬，MR僅為10－5

量級，軟磁坡莫合金(Ni80Fe20)的MR

為1％～5％。1988

年Baibich等在用分子束外延法制備的（001）Fe/(100)Cr

超晶格多層薄膜中發現其磁電阻變化達50％，被稱為巨磁阻(giantmagnetoresistance，GMR)

效應。現已在多層薄膜、顆粒薄膜、非連續多層薄膜、氧化物陶瓷等多種結構中觀察到GMR。衡量和評價材料GMR性能的兩個基本參數是：在一定溫度下所能達到的最大GMR值；獲得最大GMR效應所需施加的飽和外磁場強度。磁場靈敏度：GMR與飽和外磁場強度的比值稱為磁場靈敏度。

尋求GMR值高，飽和磁場小，磁場靈敏度高的合金體系和人工薄膜結構是當前GMR材料實用化的難點和重點。應用前景

GMR

效應在國際上受到廣泛的重視是與它的重要應用前景分不開的，如

GMR磁頭、GMR

存儲器（MRAM）、自旋晶體管、各種磁傳感器等。其中最引人注目的是利用GMR

薄膜制造計算機硬盤讀出磁頭，它使計算機硬盤已實現高于10Gb/in2

的記錄密度，這種技術已逐漸成為微型化、超高密度磁記錄用優質磁頭發展的主流。為了使磁記錄薄膜提高使用壽命，往往需要保護薄膜，如SiO2、CrRh

等。光電薄膜光電效應：物質在受到光照以后，往往會引發某些電性質的變化，亦即光電效應。光電導效應光生伏特效應光電子發射效應光電導效應物質受光照射作用時，其電導率產生變化的現象，稱為光電導效應。這種半導體材料依據其禁帶寬度的不同對不同波長的輻照光會有不同相應效果。光電導薄膜材料對光電導薄膜材料的研究和開發工作一直也是功能薄膜材料研究領域中非常活躍的。所涉及的材料也很豐富，這些材料主要包括：Ge和Si單晶以及以它們為基的摻雜體；化合物半導體有：CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、HgSe、HgTe、PbS、PbSe、InP、InAs、InSb、GaAs、GaSb等。光電導薄膜的應用非接觸式光電開關和光控制元件，這種控制方式便于實現遠距離的光控和微型化系統的光控，是實現現代自動化、智能化控制的重要手段；本征光電導器件主要用于可見光和近紅外輻射，雜質光電導器件可以用來檢測中紅外、原紅外的輻射，這就使光電導材料在軍事領域具有重大的應用價值，例如可以制成光電導攝像管及固體圖象傳感器等。光伏材料光電材料中光伏材料一直是研究的熱點，利用光伏效應原理不僅可以制作探測光信號的光電轉化元件，還可以制造光電池——太陽能電池。人類發展到今天，面臨很大的能源和環境的問題，化石能源一方以很快的速度枯竭，同時化石能源的使用致使大量CO2、SO2等有害氣體的排放。太陽能是取之不竭的潔凈能源，然而目前人類對太陽能的利用尚微不足道。光電薄膜的種類單晶硅太陽能電池太陽能電池的發展是隨著航天事業的發展而發展的，在航天領域所用的幾乎是清一色的單晶硅太陽能電池，其光電轉化效率可以達到24.1%。后來發現GaAs單晶具有更高的光電轉化效率，達到38％。但是由于它們的造價極其昂貴，只能用在航天領域。多晶及非晶硅太陽能電池與單晶硅電池比較，成本大大降低。在降低成本同時，又從太陽能電池的結構設計上加以改進，達到提高光電轉化率的目的，例如多pn

結構、n-i-p

或p-i-n

結構、以及絨面結構。盡管如此，但是多晶硅和非晶硅電池的成本仍然是一個問題，商品化生產的光電板轉化效率只有12％～13％，加之非晶硅電池有嚴重的SW

效應（光致效率衰退效應），使其應用受到很大的限制。光伏電池目前的研究現狀

目前在光伏電池中，普遍認為最具有方向性意義的應該發展低成本和高光電效率的多晶薄膜太陽能電池。被研究較多的是CdS/CdTe、CuInSe2、CuInS2以及Cu(In,Ga)Se2（簡寫CIGS），被認為是最有研究價值和巨大應用前景的一種薄膜太陽能電池。原因CIGS薄膜太陽能電池的光電轉化高。目前轉換效率最高的CIGS薄膜太陽能電池單片是美國國家可再生能源實驗室（NREL）研制的，指標為：電池面積0.4cm2、、開路電壓0.74V、轉換效率η＝18.8%；德國的實驗室研究水平為：轉換效率η＝18.1%：日本的實驗室水平為16.5%；組件轉換效率最高的是西門子太陽公司（SSI）生產出的面積3902cm2、轉換效率η＝12.1%；與上述國家相比，國內在這方面的研究水平還有很大差距，南開大學的實驗室所到達的CuInSe2系薄膜太陽能電池的光電轉化效率9％，基本上代表了國內的研究水平；

到現在為止CIGS薄膜太陽能電池尚未發現SW效應。因此其工作壽命很長。有專家預測其壽命為100年，而單晶硅電池為30年，多晶硅和非晶硅太陽能電池一般15～30年。原因在與CIGS薄膜太陽能電池中的薄膜晶體結構和化學鍵穩定；從環保的角度，CIGS薄膜太陽能電池中以及制作過程中沒有污染性的化學物質。相反在CdS/CdTe電池中，Cd是具有致癌作用的元素。透明導電薄膜組成屬于金屬氧化物；它的物理性能和功能，是一種半導體薄膜材料，也可以屬于一種光學材料。這類薄膜材料最初的需求源于平板顯示器制作的需要。透明導電膜的發展過程

早期的研究和開發所涉及SnO2、In2O3、ZnO等簡單氧化物材料。簡單氧化物薄膜材料的電阻率大約在10－3～10－2Ωcm量級。開發了摻雜的金屬氧化物和復合氧化物的透明導電薄膜，如摻F和B的SnO2、In2SnO5（ITO）等，從導電機制來講，不僅有缺位機制，還有摻雜機制，使載流子濃度和遷移率均得以提高。

ITO薄膜的優點

一些國家尤其是日本，研究的對象集中在ZnMgO2、ZnMgF4這樣一類化合物上。這些透明薄膜的電阻率在0.6~6.0×10-3Ωcm水平，透過率大約在76％~86％水平。目前綜合性能指標不如ITO。透明導電薄膜。他們導電性和可見光透過率有了極大的提高刻蝕時間、耐酸耐堿性以及化學穩定性等也非常適合顯示器制作的要求

由于ITO性能的提高極大的促進了平板顯示器分辨率和質量的提高。ITO薄膜在目前透明導電薄膜中，尤其在平板顯示器所用的導電薄膜中占絕對的地位。介電薄膜這類材料所要追求的主要性能是它的介電常數，在滿足其它工藝性能、化學穩定性要求的條件下，介電常數越高越好。