《薄膜材料及其製備技術》作業
——材料科學與工程學院2015級研究生
1在t=291k時，水的表面張力係數（或表面能），，如果水滴半徑，請計算此時的蒸汽壓（用表示）以及水滴內外壓強差。（10分）
解： 2從熱力學的角度證明：當從過飽和（壓強為p』）的氣相析出凝聚相時，凝聚相的臨界晶核尺寸rc滿足：
；並由此得到結論：①當凝聚體晶核的尺寸rrc時，隨時間的演化，晶核將長大；③當r=rc時，晶核隨時間既不消逝也不長大。（為凝聚體原子或分子的體積；p』為過飽和蒸氣壓；p為飽和蒸氣壓；σ為表面能）（10分）
當有襯底存在時，氣體的形核就稱作非均勻形核，證明：形核功。式中，為均勻形核時的形核功；θ為浸潤角。由此可以判斷：當薄膜能夠充分浸潤襯底時，薄膜的形核功為0。（10分）
4試從微觀鍵能的觀點證明：描述浸潤問題的young方程可以近似寫作 （其中，為單位面積的液相原子之間的鍵能；為固-液介面上單位面積的固-液原子之間的鍵能），進而說明若a能夠浸潤b，並不能夠推出b也能夠浸潤a的結論。（10分）
證明： 因為，，
且所以 5請論述真空度對成膜質量的影響。（10分）
幾乎所有的成膜過程都會涉及到抽真空過程。真空度大小是真空鍍膜時必須嚴格要求的指標之一，它對鍍膜產品的顏色、耐磨性、牢固度有直接的關係。原因一是可能會參入雜質，產生化學或物理吸附，形成化合物，二是空氣分子形成阻力，阻礙成膜元素擴散，降低其動能，產生富集，從而形成晶體。
原子動能到達100kev會產生離子注入，打入襯底內部。
粒子流通量，由麥克斯韋速度分布公式來推出。
真空蒸發鍍膜過程中，，從膜材表面蒸發的粒子以一定的速度在空間沿直線運動，直到與其他粒子碰撞為止。在真空室內，當氣相中的粒子濃度和殘餘氣體的壓力足夠低時，這些粒子從蒸發源到基片之間可以保持直線飛行，否則，就會產生碰撞而改變運動方向。蒸發粒子的平均自由程必須遠遠大於蒸距才能避免蒸發粒子在向基片遷移過程中與殘餘氣體分子發生碰撞，從而有效地減少蒸發粒子的散射現象。
殘餘氣體分子撞擊著真空室內的所有表面，包括正在生長著的膜層表面。在室溫和10-4 pa 壓力下的空氣環境中，形成單一分子層吸附所需的時間只有2.2s，可見，在蒸發鍍膜過程中，如果要獲得高純度的膜層，必須使膜材原子或分子到達基片上的速率大於殘餘氣體到達基片上的速率，只有這樣才能製備出純度好的膜層。
6襯底溫度（即生長溫度）是如何影響薄膜生長模式的？（10分)
答：襯底溫度是決定薄膜***壞的最關鍵因素，給襯底加熱有利於顆粒在膜上加快遷移，有利於結晶。若襯底溫度低，沉積原子還來不及排列好，又有新的原子到來，則往往不能形成單晶膜；若溫度甚低，原子很快冷卻，難以在襯底上遷移，這樣會形成非晶薄膜；若襯底溫度過高，則熱缺陷大量增加，也難以形成單晶膜。
隨著襯底溫度公升高，薄膜生長模式由層狀生長變為step-flow生長模式。
7論述晶格失配（既失配應力）與薄膜生長模式的關係。（10分）
由於膜與基片的點陣失配，形成失配度。
失配應力產生的應變能在膜生長過程中累積起來，被釋放時，介面處形成的高能量就會激發島狀的生長。小應力下薄膜層狀生長，將產生位錯；大應力下的薄膜生長由於應力弛豫，將產生層+島狀生長。
8論述襯底表面對形核難易程度：凹面》平面》凸面。即凹面處最容易形核，而凸面處最難形核。（10分）
形核功，單位體積的凝聚體在凝聚過程中的相變自由能之差，va為凝聚體單個原子或分子的體積。在凹陷處，形成的臨界晶核的體積最小，凸起處最大，所以凹陷處的形核功《平直表面《凸起處的形核功，故形核難易程度為凹面》平面》凸面。
9試解釋二維成核的層狀生長機理與step-flow生長機理，並進一步論證在何種情況下薄膜傾向於step-flow生長。（10分）
層狀生長模式是以單層開始，然後進行第二層生長，即逐層生長，一般是在襯底原子和沉積原子之間的鍵能接近於沉積原則相互之間鍵能的情況下發生，薄膜的晶向基本上由第一層的晶向所決定。step-flow生長是沉積原則在襯底以台階狀生長，依附「台階」附近的原則易發生非均勻形核，使得原子整體呈現台階狀生長。
隨著溫度的上公升，新相臨界晶核半徑增加，因此新相核心的形成更加困難，溫度越高，需要形成的臨界晶核尺寸就越大，形核的臨界自由能勢壘也越高。而step-flow生長是非均勻形核，所需要的臨界晶核尺寸較小，易於發生。
10自行查詢文獻，闡述一種流行的薄膜生長技術及其特點，並舉例講述其具體製備薄膜的例項及成膜質量。（10分）
磁控濺射技術原理是電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜，是70年代迅速發展起來的一種「高速低溫濺射技術」。
磁控濺射的特點是成膜速率高，基片溫度低，膜的粘附性好，可實現大面積鍍膜，該技術可以分為直流磁控濺射法和射頻磁控濺射法。t.seino等應用脈衝直流反應磁控濺射法，通過優化實驗引數，在氣壓0.
1pa，濺射功率2.7kw，氧氣氣體流量o2/ar+o2=0.5的條件下獲得了接近化學配比的鋁氧化物薄膜，o/al=1.
51。*作業可以列印。不准抄襲，一經發現，即作零分處理。作業於2023年6月1日前彙總上交。
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