结构材料
智能材料
生态环境材料 单晶
能源材料
航空航天材料
功能材料 建筑材料 信息材料
液晶 多晶 准晶
材料
非晶
功能材料
光电材料 超导材料 热电材料 介电材料 磁性材料 隐身材料 梯度功能材料 仿生材料 纳米材料 磁阻材料
透光和导光材料
发光材料 激光材料 红外材料
磁形变储存器
非线性光学材料 光调制用材料 。。。
薄膜材料的应用
表面改性 超硬膜用于切削工具 能量变换薄膜与器件 传感器 半导体器件 记录与存储 平板显示器 金刚石薄膜的应用 太阳能电池 发光器件 。。。
表面改性
表面改性：在保持块体材料固有特性（例如机械强度等）的优点的基础上，仅对 表面进行加工处理，使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法， 统称表面改性。
按照原子排布： 单晶 多晶 非晶 （玻璃） 按照性能用途： 结构材料 以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料； 功能材料 介电材料，压电材料，热电材料，磁性材料，光电材 料，超导材料，隐身材料……
材料种类繁多
无机非金属材料 有机高分子材料 光电材料
复合材料 金属材料 生物材料
表面改性
表Hale Waihona Puke 改性的应用概况（一）目的耐蚀
基材
高强度钢 低碳钢 不锈钢 特殊钢 磁性铁合金 钢材 Inconel 合金 Al及Al合金
表面层（膜）
Al，C Zn Ti Cr Ta Al，C W，Ta，Ti
应用领域
方 法
螺栓、一般结构件、 离子镀、溅射镀膜、 飞机与航天器、船 离子注入、等离子 舶汽车 增强PVD和CVD、 永磁材料（钕铁硼 离子束混合、电镀 等） 等 排气管、汽车、 航空发动机、 高温喷气喷嘴
压电材料
正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施 力而使它形变时，内部就产生极化现象，同时在表面产生电荷，当 外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也可以随着改变。
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场， 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场 撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
基底种类
基底又称：基片，衬底
陶瓷基底 金属基底 各种工具刀具件 玻璃基底 树脂基底 高分子基底 柔性基底
玻璃
单晶硅
晶圆
薄膜基底
科 研 用 各 种 各 样 的 基 底
薄膜基底
科 研 用 各 种 各 样 的 基 底
各种各样的镀膜
各种各样的镀膜
薄膜材料的力学
粘附力
结构应力
内应力
热应力
薄膜粘附力
分类、材料研究过程、结构与性能
2）薄膜材料的概念
概念、制备、衬底、附着力、内应力
3）薄膜材料的应用
结构性薄膜、功能性薄膜
4）总结
手机上的膜
手机屏幕：TFT薄膜三极管，TCO透明导电膜，硬度膜等 照相镜头：滤光膜，增透膜，CCD感光膜等 手机外壳：金属膜，复合膜，硬度膜等 手机内部：芯片，IC电极，半导体元件，绝缘膜，各种传感器；
热膨胀系数 比热 热电效应 热导率 德拜特征温度 蒸汽压 熔点
力学特性
厚度 密度 附着力 内应力，应变 弹性模量 内耗 拉伸强度、抗弯强度 硬度 摩擦系数
热及温度特性
光学特性
折射率 反射率、反射谱 透射率 吸收率（吸收谱） 光电效应
薄膜材料的基本特性
常规特性 电阻率 电导率 磁致电阻效应
半导体特性
表面改性的目的：使结构材料功能化，一般是通过对结构材料进行表面处理赋予 其新功能，如耐蚀、耐热、耐磨、耐氧化、光泽性、润滑性。
按大的领域，表面改性主要用于汽车、船舶、航空及航天、发电等能源相关的运 动机械系统，以及相应的部件、装臵等。 意义：表面改性不仅可以提高经济效益，而且对于节省资源、能源，开发材料新 功能，提高可靠性，实现轻薄短小化都具有十分重要的意义。
化学工业
超硬膜用于切削工具
应用分类 塑料加工 橡胶加工 改善的性能 耐冲蚀 耐磨损 耐腐蚀 耐磨损 涂覆的工具、部件 推荐镀层 螺纹刀片、缸体、储 TiC 塑罐、阀门、成形工 TiCN 具、切削工具、叶轮、CrC 孔板 Al2O3 纤维切断刀、绕线辊、TiC 压缩滚筒等 TiCN 无润滑剂轴承、 摩擦轴承内外圈 摩擦磨损部件 凸轮、滑板等 测量端子、指针、 滑动配合、 轴承、 刻码头
离子镀、溅射镀膜、 离子注入、等离子 增强PVD和CVD、 离子束混合、电镀 等
润滑性
各种钢材 黄铜、炮铜
TiC，C MoS2，WS2
离子镀、溅射镀膜、 离子注入、等离子 增强PVD和CVD、 离子束混合、电镀 等
超硬膜用于切削工具
TiC、CrC、TiN、TiCN、Al2O3薄膜特性：熔点高、硬度大、 摩擦系数低、化学稳定性好，用于耐磨抗蚀的表面效果
太薄：材料间的扩散→性能不稳 太厚：与体材料没什么区别

薄膜几乎都能在异质基体上生长
薄膜的生长一般对基体没有苛刻要求，但是特殊情况下基体需要精心选择如 玻璃盘基硬盘
薄膜的XRD图线
应力与表面
薄膜制备方法
物理气相沉积 (PVD)——原子分子的物理迁移 PLD，Megnetron Sputtering，ALD，MBE 化学气相沉积——原子分子的化学反应 CVD，AMO-CVD 溶胶凝胶法 …
开发先进材料，发展高技术产业
信息功能材料：信息的产生、获取、 存储、转换、处理、显示 先进结构材料：耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗衰老、高强度、高韧性 能源材料：热电转换、储氢、电池…… 有机高分子材料：可再生、资源丰富、性能优异 生物材料：人的器官、骨骼、药物缓释 纳米材料：尺寸效应、量子效应
3）薄膜材料的应用
结构性薄膜、功能性薄膜
4）总结
薄膜材料概念
三维材料：块材(Bulk) 低维材料：薄膜材料（2维）、纳米线 （1维）、量子点（0维）
薄膜：成形与基体之上
薄膜材料概念
附着于基片上： 固态基片（衬底、基底）上的固态薄膜

厚度：（0.1nm～10000nm)
厚膜（厚度＞1um），薄膜（厚度＜1um）
材料的原子排布
透射电子显微镜(TEM)
材料的晶格结构
X射线衍射仪(XRD)
钙钛矿结构
ABO3钙钛矿晶胞
可以通过掺杂，电场，温度等因素使晶胞 发生形变，进而调控材料的性能
变色材料
对NaxWO3进行掺杂，x从0到1，a=3.7845+0.0820x 晶格结构: 单斜 正交 四方 立方
颜色: 黄绿, 灰色, 蓝色, 深紫, 红色, 金色
材料研究过程
热膨胀 热导 电导 热电 热应力
材料科学技术发展的重点
材料的应用研究与开发： 材料的应用四要素：
性能表现（Perfermance） 使用寿命（Durability）及可靠性（Reliability） 环境适应性（Environmental compliance） 价格（Cost）
耐热
离子镀、溅射镀膜、 离子注入、等离子 增强PVD和CVD、 离子束混合、电镀 等
耐磨
各种钢材
TiN TiC Ti-B Ti，Cr，Ta等
切削刀具、刀具、 成型工具、模具、 轧辊 轴承、轴套
离子镀、溅射镀膜、 离子注入、等离子 增强PVD和CVD、 离子束混合、电镀 等
表面改性
表面改性的应用概况（二）
应用分类 切削工具 改善的性能 切削刃 月牙槽磨损 防裂纹 防碎裂 防咬合 耐磨损 防裂纹 耐冲蚀 耐磨损 耐气蚀 耐腐蚀 涂覆的工具、部件 切削刀具刀片 车刀、钻头 铣刀、成形刀具 切削刀具、钻孔器 推荐镀层 TiC TiN TiCN Al2O3
成形工具
拔丝模、精整工具、 TiC 扩孔、轧管工具、 TiCN 割断工具、锻造工具、 冲压工具 挡板、滑阀、冲头、 阀芯、阀体、喷嘴、 催化剂、反应器、叶 轮、叶片、管路 TiC TiN TiCN CrC
据报道，一些发达国家的不重磨刀具中，30%~50%是加涂耐磨镀层的。
一些专家曾预言，国外在今年内，TiN镀层刀具至少将占齿轮加工刀具市 场的70%
为什么？ 把各种功能材料（3维），制备成为薄膜（2维）
n型及p型电导型 霍尔系数 载流子浓度 载流子迁移率 平均自由程
介电常数 绝缘破坏电压 压电系数 热释电系数 临界温度 临界磁场
电磁特性 介电特性
超导特性
磁学特性
饱和磁化强度 居里温度 磁化过程 导磁率 矫顽力 磁各向异性 磁致伸缩系数 矩形比 记录密度 磁-光效应 科尔效应 法拉第效应
目录
1）固体材料概述
薄膜界面的粘附力： 薄膜与衬底之间的结合力称为薄膜对衬底的界面粘附力。
薄膜界面的两种主要结合机理：
（1）物理结合： 界面相互吸引；相互扩散；机械锁和； （2）化学结合： 界面两侧原子之间形成相互键合（化学键），分为离子 键、共价键和金属键。
薄膜粘附力
薄膜的界面形态：
(a) 平界面 ( b) 形成化合物的界面 (c)合金的扩散界面
(d) 机械咬合界面
薄膜内应力
结构应力：晶格失配（长度，角 度）引起的应力；生长过程产生 的内部缺陷；
热应力：由于衬底与薄膜材料之 间线膨胀系数的差别，在薄膜制 备以后温度变化时在薄膜与衬底 中产生的应力。
薄膜内应力会导致：薄膜卷曲，膜层断裂， 导致失效
基底选择
基底的选择
衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶 格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬 底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工 作过程中，由于发热而造成器件的损坏； 衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生 长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜 质量下降； 材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的 制备要求简洁，成本不宜很高。