带您了解薄膜涂层及其应用

薄膜是一层厚度在纳米到几微米范围内的材料。许多行业利用不同的沉积方法来制造薄膜。薄膜在我们的日常生活中得到了广泛的应用，例如每个家庭都用金属涂层玻璃作为镜子。Vac-Coat作为真空涂层系统的制造商和设计者，使用物**相沉积（PVD）方法，如溅射、热蒸发和脉冲激光沉积（PLD），来创建不同类型的真空涂层系统。

薄膜在固体上的沉积有助于改善其表面性能。通过这种方式，在块体材料上形成薄膜用于在块体表面上获得所需的机械、电气或光学行为，从而在表面上实现更高的导电性、耐腐蚀性、反射性或硬度等特殊特征。

图1：薄膜厚度范围

在基材上沉积薄膜有几个阶段，包括吸附、表面扩散和成核，每个阶段都取决于材料和基材的性质、沉积方法和参数。吸附质和基材表面之间的相互作用决定了薄膜的生长模式和结构。 

图2：薄膜沉积工艺

有许多沉积方法可以在具有无数结构的各种基板上创建不同材料的薄膜。这些方法分为两大类：化学方法和物理方法。 

在化学沉积中，前驱体流体在基材上的反应导致固体上形成薄层。电镀、溶胶-凝胶、浸涂、旋涂、化学气相沉积（CVD）、等离子体增强CVD（PECVD）和原子层沉积（ALD）是流行的化学沉积方法。

薄膜的物理沉积主要是通过在低压环境中沉积材料的蒸汽来实现的，因此称为物**相沉积（PVD）。PVD方法具有良好的精度和均匀性，受到了高度重视。溅射、热蒸发、碳涂层、电子束蒸发、分子束外延（MBE）和脉冲激光沉积（PLD）等各种技术是众所周知的物**相沉积方法。

与块状材料相比，它们具有不同的光学、电学和机械性能。以下是对这些功能的简要描述。

薄膜的电性能取决于薄膜材料（金属、半导体或绝缘体）和基板。然而，影响电导率的主要因素之一是尺寸效应。与块体材料相比，薄膜内的电荷载流子具有更短的平均自由程，这与更多的散射点（如结构缺陷和晶界）相结合，导致电导率降低。 

材料的光学性质由其折射率和消光系数等光学系数决定。这些参数受到材料电导率的影响，因此，由于前一节的内容，薄膜的光学性质与结构缺陷和特征有关，如空隙、局部缺陷和氧化物键。在薄膜的情况下，透射和反射系数高度依赖于薄膜的粗糙度和厚度。

图3：Si 衬底上的SiO₂薄膜颜色随薄膜厚度的变化而变化

薄膜的力学性能取决于薄膜的厚度和微观结构，与块状薄膜相比，表现出不同的行为。在沉积过程中和之后，薄膜中储存的应力，特别是在物**相沉积方法中，提高了其屈服强度和硬度等力学性能。薄膜中存在晶粒边界、掺杂剂和位错等微观结构，导致其硬度高于块体对应物。 

薄膜的元素组成可以通过卢瑟福背散射光谱（RBS）等离子散射技术或X射线光电子能谱（XPS）等光谱技术进行研究。 

晶体结构和微观结构可以通过各种方法进行表征，如X射线衍射（XRD）和拉曼光谱。薄膜形态主要通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）进行研究。

薄膜厚度可以在沉积过程中和沉积后通过各种技术进行测量，如石英晶体微天平（QCM）传感器、椭圆偏振、轮廓测量和干涉测量。

上个世纪许多行业的进步是由于薄膜及其沉积方法的发展。这些行业包括半导体电子、磁记录介质、集成电路、LED、光学涂层（如抗反射涂层）、硬质涂层，以保护工具、制药、医药和许多其他行业。

它们在各个领域有多种应用；此外，它们在研究和开发具有独特和特殊性质的材料方面发挥着重要作用，例如使研究量子现象成为可能的超晶格。此外，它们非常重要，因为它们区分了材料表面与其本体的性质和反应，并且它们具有可用于各种应用的广泛性质。 

用于制造反射涂层、抗反射涂层、太阳能电池、显示器、波导和光学探测器阵列。

用于制造绝缘体、导体、半导体器件、集成电路和压电驱动器。

通常用于制造存储磁盘。

它们用于抵抗合金化、扩散、腐蚀和氧化，以及制造气体和液体传感器。

摩擦学涂层，可防止磨损，提高硬度和附着力，并利用微观机械性能。

它们用于创建隔热层和散热器。

此外，它们在工业和研究中有许多应用，包括装饰涂料、生物传感器、等离子体器件、光伏电池、电池和声波谐振器。

图4：薄膜应用

自 20世纪 70年代以来，薄膜技术得到了飞速发展，无论在学术上还是实际应用中都取得了可喜的成果。薄膜技术、薄膜材料和表面科学的相互结合推动了薄膜产品的全方位发展。随着科学技术的发展，各种特殊用途对薄膜技术和薄膜材料提出了各种各样的要求，是机遇也是挑战。

主要参考文章：

1.Benelmekki, M., & Erbe, A. (2019). Nanostructured thin films–background, preparation and relation to the technological revolution of the 21st century. Nanostructured Thin Films, 1–34. doi:10.1016/b978-0-08-102572-7.00001-5

2.https://www.susumu.co.jp/usa/tech/highfrequencychip02.php

3.Rao, M. C., and M. S. Shekhawat. “A brief survey on basic properties of thin films for device application.” International Journal of Modern Physics: Conference Series. Vol. 22. World Scientific Publishing Company, 2013.

4.https://en.wikipedia.org/wiki/Thin_film

5.Frey, Hartmut. “Applications and developments of thin film technology.” Handbook of Thin-Film Technology (2015):

6.Winkler, Adolf. “Initial stages of organic film growth characterized by thermal desorption spectroscopy.” Surface science 643 (2016): 124-137.

7.Acosta, Edwin. “Thin films/properties and applications.” Thin Films. IntechOpen, 2021.

8.https://www.soapbubble.dk/en/articles/thin-film-interference