薄膜是一層厚度在納米到幾微米范圍內(nèi)的材料。許多行業(yè)利用不同的沉積方法來制造薄膜。薄膜在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，例如每個家庭都用金屬涂層玻璃作為鏡子。Vac-Coat作為真空涂層系統(tǒng)的制造商和設(shè)計者，使用物**相沉積（PVD）方法，如濺射、熱蒸發(fā)和脈沖激光沉積（PLD），來創(chuàng)建不同類型的真空涂層系統(tǒng)。

薄膜在固體上的沉積有助于改善其表面性能。通過這種方式，在塊體材料上形成薄膜用于在塊體表面上獲得所需的機(jī)械、電氣或光學(xué)行為，從而在表面上實現(xiàn)更高的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、反射性或硬度等特殊特征。

圖1：薄膜厚度范圍

在基材上沉積薄膜有幾個階段，包括吸附、表面擴(kuò)散和成核，每個階段都取決于材料和基材的性質(zhì)、沉積方法和參數(shù)。吸附質(zhì)和基材表面之間的相互作用決定了薄膜的生長模式和結(jié)構(gòu)。 

圖2：薄膜沉積工藝

有許多沉積方法可以在具有無數(shù)結(jié)構(gòu)的各種基板上創(chuàng)建不同材料的薄膜。這些方法分為兩大類：化學(xué)方法和物理方法。 

在化學(xué)沉積中，前驅(qū)體流體在基材上的反應(yīng)導(dǎo)致固體上形成薄層。電鍍、溶膠-凝膠、浸涂、旋涂、化學(xué)氣相沉積（CVD）、等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）和原子層沉積（ALD）是流行的化學(xué)沉積方法。

薄膜的物理沉積主要是通過在低壓環(huán)境中沉積材料的蒸汽來實現(xiàn)的，因此稱為物**相沉積（PVD）。PVD方法具有良好的精度和均勻性，受到了高度重視。濺射、熱蒸發(fā)、碳涂層、電子束蒸發(fā)、分子束外延（MBE）和脈沖激光沉積（PLD）等各種技術(shù)是眾所周知的物**相沉積方法。

與塊狀材料相比，它們具有不同的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能。以下是對這些功能的簡要描述。

薄膜的電性能取決于薄膜材料（金屬、半導(dǎo)體或絕緣體）和基板。然而，影響電導(dǎo)率的主要因素之一是尺寸效應(yīng)。與塊體材料相比，薄膜內(nèi)的電荷載流子具有更短的平均自由程，這與更多的散射點（如結(jié)構(gòu)缺陷和晶界）相結(jié)合，導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。 

材料的光學(xué)性質(zhì)由其折射率和消光系數(shù)等光學(xué)系數(shù)決定。這些參數(shù)受到材料電導(dǎo)率的影響，因此，由于前一節(jié)的內(nèi)容，薄膜的光學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)缺陷和特征有關(guān)，如空隙、局部缺陷和氧化物鍵。在薄膜的情況下，透射和反射系數(shù)高度依賴于薄膜的粗糙度和厚度。

圖3：Si 襯底上的SiO₂薄膜顏色隨薄膜厚度的變化而變化

薄膜的力學(xué)性能取決于薄膜的厚度和微觀結(jié)構(gòu)，與塊狀薄膜相比，表現(xiàn)出不同的行為。在沉積過程中和之后，薄膜中儲存的應(yīng)力，特別是在物**相沉積方法中，提高了其屈服強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能。薄膜中存在晶粒邊界、摻雜劑和位錯等微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其硬度高于塊體對應(yīng)物。 

薄膜的元素組成可以通過盧瑟福背散射光譜（RBS）等離子散射技術(shù)或X射線光電子能譜（XPS）等光譜技術(shù)進(jìn)行研究。 

晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)可以通過各種方法進(jìn)行表征，如X射線衍射（XRD）和拉曼光譜。薄膜形態(tài)主要通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行研究。

薄膜厚度可以在沉積過程中和沉積后通過各種技術(shù)進(jìn)行測量，如石英晶體微天平（QCM）傳感器、橢圓偏振、輪廓測量和干涉測量。

上個世紀(jì)許多行業(yè)的進(jìn)步是由于薄膜及其沉積方法的發(fā)展。這些行業(yè)包括半導(dǎo)體電子、磁記錄介質(zhì)、集成電路、LED、光學(xué)涂層（如抗反射涂層）、硬質(zhì)涂層，以保護(hù)工具、制藥、醫(yī)藥和許多其他行業(yè)。

它們在各個領(lǐng)域有多種應(yīng)用；此外，它們在研究和開發(fā)具有獨特和特殊性質(zhì)的材料方面發(fā)揮著重要作用，例如使研究量子現(xiàn)象成為可能的超晶格。此外，它們非常重要，因為它們區(qū)分了材料表面與其本體的性質(zhì)和反應(yīng)，并且它們具有可用于各種應(yīng)用的廣泛性質(zhì)。 

用于制造反射涂層、抗反射涂層、太陽能電池、顯示器、波導(dǎo)和光學(xué)探測器陣列。

用于制造絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體器件、集成電路和壓電驅(qū)動器。

通常用于制造存儲磁盤。

它們用于抵抗合金化、擴(kuò)散、腐蝕和氧化，以及制造氣體和液體傳感器。

摩擦學(xué)涂層，可防止磨損，提高硬度和附著力，并利用微觀機(jī)械性能。

它們用于創(chuàng)建隔熱層和散熱器。

此外，它們在工業(yè)和研究中有許多應(yīng)用，包括裝飾涂料、生物傳感器、等離子體器件、光伏電池、電池和聲波諧振器。

圖4：薄膜應(yīng)用

自 20世紀(jì) 70年代以來，薄膜技術(shù)得到了飛速發(fā)展，無論在學(xué)術(shù)上還是實際應(yīng)用中都取得了可喜的成果。薄膜技術(shù)、薄膜材料和表面科學(xué)的相互結(jié)合推動了薄膜產(chǎn)品的全方位發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種特殊用途對薄膜技術(shù)和薄膜材料提出了各種各樣的要求，是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

主要參考文章：

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

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

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