1
Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ТОНКИЕ ПЛЕНКИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ.
Предмет изучения курса “Физико-химия и технология тонких пленок и покры-
тий ” - структура и свойства тонких пленок, покрытий и межфазных слоев, фи- зико-химические основы методов их нанесения. Основными понятиями явля- ются:
Покрытие - тонкий слой вещества, находящийся на поверхности конденси- рованной (твердой или жидкой) фазы и имеющий с ней различную природу или структуру.
Пленка - слой вещества, контактирующий с газовой фазой с обеих сторон.
Межфазные слои - слои, находящиеся на границе раздела и разделяющие конденсированные фазы, имеющие специфические свойства.
Первые пленки, представляющие практический интерес, были получены в середине прошлого столетия. Основные результаты и достижения науки о тон- ких пленках и покрытиях использовались раньше, в основном, при решении проблем микроэлектроники, и, в меньшей степени, – машиностроения. В по-
следние годы интерес к вопросам физики и технологии тонких пленок и покры- тий, практическим приложениям этой науки постоянно возрастает. Наблюдае- мый в настоящее время прогресс в металлообработке, методах поверхностной модификации, создании новых композиционных материалов в значительной степени обусловлен успехами в изучении структуры и свойств тонких покры- тий и межфазных слоев.
1.Этапы развития исследований структуры и свойств поверхностей, покрытий, пленок.
Поверхностные слои реального твердого тела имеют сложное строение и в
самом простом случае могут быть предоставлены следующей схемой
слой
адсорбированных
молекул
газовой
фазы
оксидная
пленка
(стойкое
химическое
соединение)
дефектный слой материала (микротрещины, структур- ные дефекты, дефекты обработки и т.д.)
основной металл
Рис. 1. Структура приповерхностных слоев.
Таким образом, поверхность реального тела следует рассматривать как много- слойную систему. Межфазные слои в композиционных материалах имеют до- лее сложное строение и, как правило, определяют их физико-химические свой- ства.
В истории изучения свойств поверхности, тонких пленок условно выделяют три основных этапа:
Первый этап- изучение поверхности реальных тел.
Основной вывод этапа - свойства поверхности определяется адсорбированны-
2
ми слоями, структурой и составом находящейся на ней оксидной пленки.
Второй этап - исследование атомарно чистых поверхностей, получение кото- рых стало возможным, главным образом, благодаря развитию вакуумной тех- нике.
На практике атомарно чистые поверхности получают с помощью следующих основных методов:
1) раскол кристаллов в вакууме;
2) нанесение в высоком вакууме тонкого слоя на подложку.
В ряде случаев используют специальные методы очистки, например:
1) ионное или электронно-лучевое травление в вакууме или защитной среде;
2) нагрев до высоких температур в защитной среде или высоком вакууме. Однако травление или нагрев могут вызывать изменение кристаллической структуры поверхностных слоев, и при этом нагрев даже до достаточно высо- ких температур не позволяет полностью удалить хемосорбированные слои. Основные результаты второго этапа:
- установлено, что атомарно чистые поверхности – особые объекты, имеющие
специфическое строение и свойства;
- определены фундаментальные характеристики структуры, поверхностных электронных и фононных состояний.
Фононы - это кванты энергии упругих колебаний решетки.
Экситоны - квазичастицы, которые можно рассматривать как самосогласованно перемещающиеся электроны и дырки.
На поверхности образуются поверхностные фононы и поверхностные эксито- ны, получившие название сурфонов.
- закончено формирование представлений о поверхностных слоях чистых ма- териалов, как слоях с особыми физическими свойствами.
Третий этап (50-60-ые годы) характеризуется интенсивными исследования- ми межфазных слоев многослойных систем в композитах, их изменений при
различных внешних воздействиях. В настоящее время благодаря появлению и развитию большого числа методов физико-химического анализа особенно ак- тивно изучаются поверхности раздела в композиционных материалах.
Например, достаточно подробно изучена структура систем Si-SiO2.В част- ности, установлено образование промежуточных слоев переменного состава SiOx ( х < 2 ).
Успехи современного материаловедения в значительной степени определе- ны результатами исследований этих межфазных слоев.