真空薄膜技術(shù)與薄膜材料的應(yīng)用及學(xué)習(xí)薄膜技術(shù)意義

1、真空薄膜技術(shù)與薄膜材料的應(yīng)用及學(xué)習(xí)薄膜技術(shù)意義張龍 090243138 材料物理摘 要： 本文主要講述薄膜材料的一些基本特點(diǎn)和在能源，軍事以及其它方面的一些應(yīng)用，并列舉部分應(yīng)用比較廣泛的薄膜材料及現(xiàn)今前沿的薄膜材料和薄膜技術(shù)如光學(xué)薄膜中的太陽能薄膜，眼鏡鍍膜，抗反射膜及其他的一些耐腐蝕薄膜和電容薄膜，并闡述學(xué)習(xí)薄膜技術(shù)的意義。關(guān)鍵詞：薄膜； 應(yīng)用； 發(fā)展； 意義Abstract： This article focuses on some basic characteristics of thin film material and the application of in the energ

2、y, military and some other aspects. Then it gives part of broader application of the thin film material and the edge of the film materials and thin film technologies such as optical thin films in solar thin film, optical coating, anti reflective film and other corrosion resistant film and film capac

3、itors. At last it gives the significance of the thin film technology and expounds.Keywords：Thin Film； Application； Development； Meaning引 言： 真空薄膜技術(shù)發(fā)展至今已有200年的歷史。在一代代探索者的艱辛研究下各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種普遍趨勢，以至于將薄膜材料及薄膜技術(shù)看成21世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。正文：真空薄膜技術(shù)發(fā)展至今已有200年的歷史。在19世紀(jì)可以說一直是處于探索和預(yù)研階段。經(jīng)過一代代探索者的艱辛研究，時(shí)至今日大量具有各種不同功能

4、的薄膜得到了廣泛的應(yīng)用，薄膜作為一種重要的材料在材料領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位，各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種普遍趨勢。其中包括納米薄膜、量子線、量子點(diǎn)等低維材料，高K值和低K值介質(zhì)薄膜材料，大規(guī)模集成電路用Cu布線材料，巨磁電阻、厐磁電阻等磁致電阻薄膜材料，大禁帶寬度的“硬電子學(xué)”半導(dǎo)體薄膜材料，發(fā)藍(lán)光的光電半導(dǎo)體材料，高透明性低電阻率的透明導(dǎo)電材料，以金剛石薄膜為代表的各類超硬薄膜材料等。這些新型薄膜材料的出現(xiàn)，為探索材料在納米尺度內(nèi)的新現(xiàn)象、新規(guī)律，開發(fā)材料的新特性、新功能，提高超大規(guī)模集成電路的集成度，提高信息存儲(chǔ)記錄密度，擴(kuò)大半導(dǎo)體材料的應(yīng)用范圍，提高電子元器件的可靠性，提高材料的耐磨

5、抗蝕性等，提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。以至于將薄膜材料及薄膜技術(shù)看成21世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。薄膜技術(shù)與薄膜材料之所以受到人們的關(guān)注，主要基于下面幾個(gè)理由：（1） 薄膜材料是典型的二維材料，即在兩個(gè)尺度上較大，而在第三個(gè)尺度上很小。（2） 作為二維材料，薄膜材料的最主要特點(diǎn)是所謂尺寸特點(diǎn)，利用這個(gè)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)各種元器件的微型化、集成化。 （3） 由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相對比例較大，表面所表現(xiàn)的有關(guān)性質(zhì)極為突出，存在一系列與表面界面有關(guān)的物理效應(yīng)。 （4） 在表面，原子周期性中斷，產(chǎn)生的表面能級(jí)、表面態(tài)數(shù)目與表面原子數(shù)有同一量級(jí)，對于半導(dǎo)體等載流子少的物質(zhì)將產(chǎn)生較大影響。 （

6、5） 表面磁性原子的相鄰原子數(shù)減少，引起表面原子磁矩增大。（6） 薄膜材料各向異性等等。 薄膜材料種類繁多,應(yīng)用廣泛,目前常用的有：超導(dǎo)薄膜、導(dǎo)電薄膜、電阻薄膜、半導(dǎo)體薄膜、介質(zhì)薄膜、絕緣薄膜、鈍化與保護(hù)薄膜、壓電薄膜、鐵電薄膜、光電薄膜、磁電薄膜、磁光薄膜等。薄膜及微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用范圍極為廣泛，從大規(guī)模集成電路、電子元器件、平板顯示器、信息記錄與存儲(chǔ)、MEMS、傳感器、太陽能電池，到材料的表面改性等，涉及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。薄膜材料的應(yīng)用薄膜技術(shù)與薄膜材料根據(jù)用途可以分為民用和軍用兩大類。首先我們先來介紹很受人們注目的主要有一下幾種薄膜：一、 光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜是一種為改變光學(xué)零件表面光

7、學(xué)特性而鍍在光學(xué)零件表面上的一層或多層膜。可以是金屬膜、介質(zhì)膜或這兩類膜的組合。它可分為增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜、偏振與消偏振膜等。減反射膜是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學(xué)薄膜，因此，它至今仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究課題，研究的重點(diǎn)是尋找新材料，設(shè)計(jì)新膜系,改進(jìn)淀積工藝,使之用最少的層數(shù)，最簡單、最穩(wěn)定的工藝，獲得盡可能高的成品率，達(dá)到最理想的效果。其中的原理 膜有兩個(gè)界面就有兩個(gè)矢量，每個(gè)矢量表示一個(gè)界面上的振幅反射系數(shù)。如果膜層的折射率低于基片的折射率，則在每個(gè)界面上的反射系數(shù)都為負(fù)值，這表明相位變化為180（若反射光存在于折射率比相鄰媒質(zhì)更低的媒質(zhì)內(nèi)，則相移為180;若該媒質(zhì)的折射

8、率高于相鄰媒質(zhì)的折射率，則相移為零。） 當(dāng)膜層的相位厚度為90時(shí)，即膜層的光學(xué)厚度為某一波長的四分之一時(shí)，則兩個(gè)矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，則對該波長而言，兩個(gè)矢量將完全抵消，于是出現(xiàn)了零反射率。圖一 減反射膜光路圖1. 鍍膜眼鏡我們?nèi)粘Ｋ鞯难坨R上就鍍了一層光學(xué)薄膜，光線通過鏡片的前后表面時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生折射，還會(huì)產(chǎn)生反射。這種在鏡片前表面產(chǎn)生的反射光會(huì)使別人看戴鏡者眼睛時(shí)，看到的卻是鏡片表面一片白光。拍照時(shí)，這種反光還會(huì)嚴(yán)重影響戴鏡者的美觀。此外，眼鏡片屈光力會(huì)使所視物體在戴鏡者的遠(yuǎn)點(diǎn)形成一個(gè)清晰的像，也可以解釋為所視物的光線通過鏡片發(fā)生偏折并聚集于視網(wǎng)膜上，形成

9、像點(diǎn)，由于屈光鏡片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它們之間會(huì)產(chǎn)生內(nèi)反射光。內(nèi)反射光會(huì)在遠(yuǎn)點(diǎn)球面附近產(chǎn)生虛像，也就是在視網(wǎng)膜的像點(diǎn)附近產(chǎn)生虛像點(diǎn)。這些虛像點(diǎn)會(huì)影響視物的清晰度和舒適性。眼鏡鍍膜后，就可在鏡片表面鍍上具有一定厚度和層數(shù)的光學(xué)薄膜，鍍膜后的鏡片，可保護(hù)鏡片表面不受腐蝕和磨損，提高透光率和清晰度。使鏡片可在攝影、拍照時(shí)減少鏡片反光，同時(shí)使鏡片有銳目色彩。有兩種鍍膜鏡片：反射式濾光鏡片。在鏡片表面鍍金、銀、硫化鋅等。鍍膜能反射可見光、紅外線及r射線，對眼起保護(hù)作用。抗反射增透鏡片。鏡片鍍氟化鎂、二氧化硅、氟化鋁等，可減少鏡面反射，提高鏡片的透過率。外觀美，有助于攝影拍照。

10、鍍膜眼鏡的優(yōu)點(diǎn)：（1）視物清楚，減少鏡面反射光，增加了光線透過率。 （2）鍍膜眼鏡能防止紫外線、紅外線、X線對視力的傷害。配戴鍍膜眼鏡觀力不易疲勞。對熒光屏前工作人員的視力可受到保護(hù)。 （3）鍍膜眼鏡可以降低鏡片表面的反射光，解決戴眼鏡在強(qiáng)光下照像的難題，增加美感。 （4）鏡片能經(jīng)受各種不良環(huán)境，高溫、雨淋、海水浸泡也不會(huì)脫落。 鏡面鍍膜有三層： 外層防污膜是防灰塵和油漬； 中層防反射膜，是提高鏡片光線通過率 內(nèi)層加硬膜是防止鏡片磨損、刮花。圖二 眼鏡片表面施加一層超薄膜2. 太陽能薄膜技術(shù)1973年世界爆發(fā)了第一次能源危機(jī)，使人們清醒地認(rèn)識(shí)到地球上化石能源儲(chǔ)藏及供給的有限性，客觀上要求人們必

11、須尋找其它可替代的能源技術(shù)，改變現(xiàn)有的以使用單一化石能源為基礎(chǔ)的能源供給結(jié)構(gòu)。為此，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量人力、物力和財(cái)力支持太陽電池的研究和發(fā)展，同時(shí)在以亟待解決的與化石能源燃燒有關(guān)的大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的促使下，在全世界范圍內(nèi)掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，也由此拉開了太陽電池發(fā)電的序幕。薄膜太陽電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)um，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%。薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，應(yīng)用非常廣泛。太陽

12、能電池有以下幾類：硅基太陽能電池(單晶/多晶/非晶)(24.7%)化合物太陽能電池(砷化鎵/硫化鎘/碲化鎘/銅銦硒等)有機(jī)薄膜太陽能電池 (酞青類化合物/導(dǎo)電聚合物等)納米薄膜太陽能電池(納米TiO2)硅材料是目前太陽電池的主導(dǎo)材料，在成品太陽電池成本份額中，硅材料占了將近40%，而非晶硅太陽能電池的厚度不到1m，不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，這就大大降低了。又由于非晶硅太陽電池的制造溫度很低(200)、易于實(shí)現(xiàn)大面積等優(yōu)點(diǎn)，使其在薄膜太陽電池中占據(jù)首要地位。圖三 大規(guī)模薄膜硅太陽能電池 近年來,業(yè)界對以薄膜取代硅晶制造太陽能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于去年2月已

13、經(jīng)研制出目前世界上太陽能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率已達(dá)到現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽能電池的4倍。此前的有機(jī)薄膜太陽能電池是把兩層有機(jī)半導(dǎo)體的薄膜接合在一起，其太陽能到電能的轉(zhuǎn)換率約為1%。新型有機(jī)薄膜太陽能電池在原有的兩層構(gòu)造中間加入一種混合薄膜，變成三層構(gòu)造，這樣就增加了產(chǎn)生電能的分子之間的接觸面積，從而大大提高了太陽能轉(zhuǎn)換率。從而有了更加廣闊的應(yīng)用前景。 3. 抗反射膜光學(xué)薄膜與國防科技的關(guān)系也頗為密切。事實(shí)上光學(xué)薄膜所以會(huì)這么樣的蓬勃發(fā)展是由于它在軍事上有不可缺少的需要而被開發(fā)出來的。首先是抗反射膜的應(yīng)用。 抗反射膜所謂抗反射膜是在光學(xué)組件表面鍍上一層或數(shù)層的光學(xué)薄膜，造成一些界面，

14、使得經(jīng)由各個(gè)界面反射回來的光波與光波之間產(chǎn)生破壞性的干涉，而終至見不到反射光。軍事上用到抗反射膜的地方很多，只要有接受光信號(hào) (不論可見光或紅外光) 或發(fā)射光信號(hào)的地方一定要做抗反射膜處理。最常見到的譬如 :保護(hù)窗、目鏡、物鏡及任何透鏡的兩面都會(huì)鍍上抗反射膜。鍍抗反射膜的用意有二，其一是借著減少反射而增加整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的透射率。當(dāng)基板的折射率愈大及片數(shù)愈多時(shí)，透射率就會(huì)愈低，以鍺（Ge）來說，其折射率為4，若系統(tǒng)中有兩片鍺基板而不鍍抗反射膜時(shí)透射率就會(huì)小于22%，也就是說至少78%的能量會(huì)散失掉。硅 (Si)的折射率為3.4，能量的損耗也很嚴(yán)重，而鍺鍺及硅是軍事上很重要的材料，可見抗反射膜在軍事

15、上是不可缺少的。鍍抗反射膜的原因之二是可以使光學(xué)系統(tǒng)所成的影像的明晰度增高，這是因?yàn)槿魶]有鍍抗反射膜則基板的反射光束來回于系統(tǒng)中會(huì)使影像的背景變差，對比度降低。影像近旁會(huì)有個(gè)相似的影像存在，俗稱鬼影。圖四 紅外光濾光膜熱成像抗反射膜的應(yīng)用增加了光學(xué)組件的透射率，使雙筒望遠(yuǎn)鏡能看得更清楚，使進(jìn)入偵器的光信號(hào)強(qiáng)度增加。這在紅外線光學(xué)系統(tǒng)中表現(xiàn)得更為明顯。其次是金屬反射膜的應(yīng)用。它使反射式望遠(yuǎn)鏡變得非常易行有用。它在改變光的路徑，如潛望鏡，它使在隱藏中觀測敵情變成非常簡單。第二次世界大戰(zhàn)后，由于飛彈的開發(fā)，各種光網(wǎng)及紅外光濾光膜的研制變得非常重要，不但薄膜設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)展，薄膜材料的開發(fā)上也有很

16、大的進(jìn)步。待雷射發(fā)明后，軍事上對光學(xué)薄膜的需求更是有增無減，而且質(zhì)量要求更高，種類也更多。也可以說，光學(xué)薄膜再次助長了武器的功力。二.、耐腐蝕薄膜除卻光學(xué)薄膜外，又由于耐腐蝕薄膜的廣泛應(yīng)用使其在防腐工藝上有著極其重要的作用。高速電弧噴涂長效防腐技術(shù)。電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域是長效防腐層的制備，電弧噴涂鋅、鋁及鋅鋁合金涂層具有優(yōu)良的防海水、海洋大氣、鹽霧以及土壤的腐蝕能力，加入稀土可以有效地改善涂層的物理化學(xué)性能，提高涂層的耐腐蝕性能。 納米電刷鍍防腐耐磨涂層技術(shù)。維修表面工程研究中心成功地將納米材料與電刷鍍技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)。它是在常規(guī)電刷鍍鍍液中加入一種或幾種納米顆粒

17、，通過高能機(jī)械化學(xué)法使納米顆粒均勻分散并穩(wěn)定懸浮，刷鍍過程中納米顆粒與基質(zhì)金屬鎳發(fā)生共沉積，從而得到彌散分布著硬質(zhì)納米顆粒的復(fù)合刷鍍層，提高了基體材料的防腐性能。該技術(shù)可以對腐蝕的飛機(jī)蒙皮進(jìn)行快速修復(fù)。 非晶態(tài)合金化學(xué)鍍層防腐技術(shù)。非晶態(tài)合金化學(xué)鍍層技術(shù)是一種在不加外電流的情況下，利用化學(xué)還原的方法使鎳陽離子還原成金屬鎳并沉積在催化金屬表面上的方法。該技術(shù)通過控制磷含量得到的非晶態(tài)鍍層致密、孔隙少，耐腐蝕性能優(yōu)于電鍍層。通過非晶態(tài)鍍層與不銹鋼在幾種不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率對比，其耐腐蝕性能明顯優(yōu)于不銹鋼材料。 納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)。納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)是將固態(tài)物質(zhì)涂（鍍）于摩擦界面，起

18、到固體潤滑作用，以降低摩擦，減少磨損，同時(shí)具有防止腐蝕的作用。此外，納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)特別適用于解決特殊工況條件下的潤滑難題。 納米防腐涂料及涂裝技術(shù)。采用納米材料合成高性能無機(jī)硅酸鹽樹脂，并研制成功了有機(jī)硅改性水性硅酸鹽富鋅涂料，將其作為鋼結(jié)構(gòu)長效防腐底漆。針對不同環(huán)境，設(shè)計(jì)綜合保護(hù)涂層體系。經(jīng)應(yīng)用考核，漆膜防護(hù)性能優(yōu)異，涂層完好如新，無任何粉化、腐蝕銹斑等損壞現(xiàn)象發(fā)生。對納米鋅粉/磷酸鹽無機(jī)自干防腐底漆進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性能測試，涂層性能良好。有機(jī)硅改性水性硅酸鹽富鋅涂料通過1000小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)，防腐蝕效果良好。 三、薄膜電容器而薄膜特殊的尺寸及量子效應(yīng)促使了器件的微小型化，不僅可以保持器

19、件的原有功能并使之強(qiáng)化，而且，隨著器件的尺寸減小乃至接近電子或其他粒子量子化運(yùn)動(dòng)的尺度，薄膜材料或其器件將顯示出許多全新的物理現(xiàn)象。薄膜（以及目前正大力開發(fā)的量子線、量子點(diǎn)等）技術(shù)是制備這類新型功能器件的有效手段。 薄膜電容器是以金屬箔當(dāng)電極，將其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構(gòu)造之電容器。而依塑料薄膜的種類又被分別稱為聚乙酯電容(又稱Mylar電容)，聚丙烯電容(又稱PP電容)，聚苯乙烯電容(又稱PS電容)和聚碳酸電容。圖五 薄膜電容薄膜電容器由于具有很多優(yōu)良的特性，因此是一種性能優(yōu)秀的電容器。它的主要等性如下：無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優(yōu)異

20、(頻率響應(yīng)寬廣)，而且介質(zhì)損失很小?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號(hào)交連的部分，必須使用頻率特性良好，介質(zhì)損失極低的電容器，方能確保信號(hào)在傳送時(shí)，不致有太大的失真情形發(fā)生。在所有的塑料薄膜電容當(dāng)中，又以聚丙烯(PP)電容和聚苯乙烯(PS)電容的特性最為顯著。四、薄膜夜視設(shè)備目前使用的大多數(shù)夜視設(shè)備裝著一大堆電子元件，需要幾千伏特的工作電壓。為了讓畫面更加逼真，夜視鏡的鏡頭與鏡頭之間必須保持真空狀態(tài)，因此整個(gè)裝置比較沉重。而國外某專家則利用薄膜技術(shù)發(fā)明了一種新型的夜視眼鏡。圖六 夜視薄膜其原理是這樣的，當(dāng)紅外光進(jìn)入由七層不同性質(zhì)材料組成的薄膜時(shí)，被第一層材料偵測

21、到，于是輕微的充電機(jī)制被激發(fā)，同時(shí)附加的電能（約3至5伏）將收到的信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成可見光。盡管這種新裝置與現(xiàn)今大多數(shù)夜視攝像頭一樣會(huì)發(fā)出令人毛骨悚然的綠光，但前者的獨(dú)特之處在于其重量：不到100克。深加工后，重量可以降到10克，而厚度只有幾微米。這意味著，傳統(tǒng)的笨重夜視鏡將被輕便的貼膜取而代之，總重量甚至不超過半副紙牌。學(xué)習(xí)薄膜技術(shù)的意義如今材料、能源、信息工程是近代社會(huì)在物質(zhì)上的三大支柱,有人還說材料是能源、信息工程的基礎(chǔ)。而材料研究至今所面臨的問題是擴(kuò)大資源,提高質(zhì)量,改進(jìn)性能與合理使用。如何提高質(zhì)量,改進(jìn)性能,目前集中注意到兩個(gè)方面:一個(gè)是材料表面的研究,已經(jīng)發(fā)展為材料表面技術(shù)新領(lǐng)域,另一個(gè)是研究材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如非晶、微晶、高完整性結(jié)晶等問題。材料表面技術(shù)日益受到重視的原因是近代技術(shù)對材料多方面性能的要求,已遠(yuǎn)非一種材料所能滿足。再者，薄膜制作和微細(xì)加工工藝不斷創(chuàng)新，特別是各種薄膜在高新技術(shù)中的應(yīng)用更加普及至使互聯(lián)網(wǎng)中采集、處理信息及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，都需要數(shù)量巨大的元器件、電子回路、集成電路等，制造這些都