文档介绍：金属薄膜的最小连续膜厚的研究

(理学院,物理系,应用物理学专业王婷婷)
(学号:2000145064)

内容提要:本论文通过制备不同厚度的金属薄膜,测定它们不同生长阶段物理性能的
特征,提出金属薄膜的最小连续膜厚的判据,并对 Al、Cu、Au、Pt 等金属薄膜的最小连续
膜厚进行研究。
本文根据范平老师提出的金属薄膜最小连续膜厚的光学特性判据和电学特性判据,详细
研究了 Al 膜的情况。通过原子力显微镜(AFM)对 Al 膜在不同膜厚下的形貌观测得出:
在 5nm~20nm 的范围内,金属 Al 膜的生长经历了薄膜结构由不连续膜到连续膜的三个阶
段:岛状膜、网状膜、连续膜阶段。[1] 并且,10nm 是 Al 膜的一个特征厚度,也即最小连
续膜厚。当薄膜厚度大于该特征厚度,薄膜生长开始进入连续膜阶段。
同时,利用文献【10】的实验数据得到金属膜厚与电导率变化的关系曲线,讨论了 Al、
Cu、Au、Pt 的最小连续膜厚。
关键词:金属薄膜;最小连续膜;膜厚;形貌。
教师点评:该文利用金属薄膜最小连续膜厚的光学特性判据和电学特性判据,分别研究
了各种金属薄膜的最小连续膜厚,着重对 Al 膜进行了研究。通过 AFM 观察了最小连续膜
厚附近时 Al 膜的表面形貌,发现最小连续膜厚判据是成立的。所得最小连续膜厚与传统的
电阻率方法和 TEM 形貌分析法得到的结果一致。
最小连续膜厚研究对各种薄膜的性质研究和改进具有非常重要的意义。该文所研究金属
都为软 X 射线单层膜金属膜层常用材料。因此,该文的研究对金属纳米单层膜的研究具有
十分重要的应用意义。(点评教师:范平,教授)

前言
随着物理学的不断发展,一些专门的知识发展成为一个个独立的分支,使得物理学的研
究范围越来越广,而薄膜物理就是一个重要的分支。现在薄膜物理是正在发展的学科,有关
薄膜的性质、薄膜形成机理的某些内容还处于探讨中。而薄膜物理涉及的范围越来越大,应
用越来越广,特别是在电子材料与元器件工业领域中占十分重要的地位。
随着纳米材料科学与技术的飞速发展,满足人们需要的各种纳米材料层出不穷,而超薄
金属膜就是其中一种重要的研究对象。对于厚度较大的金属薄膜(薄膜厚度 d 比块状金属电
子平均自由程λ大得多,即 d>>λ),其光学性质已被广泛研究,数值与块状材料相同,与
膜厚无关。而对于厚度较小(d≈λ)的超薄金属膜,有关其光学性质随特征尺寸变化的规
律却研究得很少。由于超薄金属膜是微电子、光电子和其他功能材料领域重要的低维材料,
它既可以作为一种特定的纳米功能膜体系,它的特征尺寸可以作为纳米多层复合体系的组
元,因而是纳米材料领域中的重要研究对象,它的特征尺寸就是膜厚 d。有关超薄复合体系
的组元较早的研究是电导率的尺寸效应,当薄膜厚度接近电子平均自由程时,表面散射、晶
界散射会造成电导率的经典尺寸效应;当特征尺寸接近电子的 dBroglie 波长时将出现量子尺
寸效应;近期还在多层膜体系中发现了层间磁耦合和巨磁阻效应等,这些特殊现象引起了人
们的兴趣。[1−3]
金属薄膜作为纳米多层膜(如软 X 射线多层膜)的一种组成材料时,它的厚度已达到
1
1nm 甚至更薄,因此深入研究超薄金属膜的光学特性的尺寸效应并对金属薄膜的最小连续膜
厚的确定的研究是十分必需的。通过对超薄金属薄膜从不连续到连续的过程监控和性能研
究,提出金属薄膜的最小连续膜厚的判据,对短波长 X 射线薄膜,各种超薄和超晶格薄膜的
性能研究和改进有重要意义,对薄膜生长的理论基础,也有一定的推动作用。对于软X射线
多层膜在现有的基础上进一步发展,提高软X射线反射镜的反射率也有十分重要的意义。
本文中,根据范平老师提出的金属薄膜最小连续膜厚的光学特性判据和电学特性判据,
通过制备不同的金属薄膜并测定它们不同生长阶段物理性能的特征,详细研究了 Al 膜的情
况。提出金属薄膜的最小连续膜厚的判据,并对 Al、Cu、Au、Pt 等金属薄膜的最小连续膜
厚进行研究。
第一章理论与方法
1. 1 各种薄膜厚度的定义
薄膜厚度的定义
所谓薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的 1~10 4 的原子层或分子层。在此方向上,
薄膜具有微观结构。
厚度是指两个完全平整的平行平面之间的距离,是一个可观测到实体的尺寸。因此,这
个概念是一个几何概念。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。由于薄膜仅
在厚度方向是微观的,其他的两维方向具有宏观大小。所以,表示薄膜的形状,一定要用宏
观方法,即采用长、宽、厚的方法。因此,从这个意义上讲,膜厚既是一个宏观概念,又