现代离子镀膜技术

本书系统地介绍了各种现代离子镀膜技术的原理、特点、装备、工艺、发展历程和应用。其主要内容包括概述、真空物理和等离子体物理基础知识、真空蒸发镀膜技术、辉光放电离子镀膜技术、热弧光放电离子镀膜技术、阴极电弧离子镀膜技术、磁控溅射镀膜技术、带电粒子流在镀膜中的作用、等离子体增强化学气相沉积技术、等离子体聚合技术，以及离子镀膜技术在太阳能利用、信息显示薄膜、装饰性薄膜、光学薄膜、硬质涂层、碳基薄膜、热电薄膜等领域和低温离子化学热处理中的应用。本书内容全面、新颖，紧密联系实际，具有很强的系统性、科学性、先进性和实用性。

序1 序2 前言 第1章概述1 1.1离子镀膜技术的应用领域1 1.2科学技术现代化对薄膜产品的新要求1 1.3镀膜技术的类型3 1.3.1薄膜的初始制备技术3 1.3.2离子镀膜技术3 1.4本书的主要内容5 第2章真空物理基础知识6 2.1真空6 2.1.1真空的定义6 2.1.2真空的形成6 2.1.3真空度的意义7 2.2气体分子运动的基本规律7 2.2.1理想气体分子运动规律7 2.2.2理想气体的压强9 2.2.3气体分子的平均自由程10 2.2.4碰撞截面10 2.2.5分子运动速度11 2.3气体分子和固体表面的相互作用12 2.3.1碰撞12 2.3.2吸附和解吸或脱附12 2.3.3蒸发和升华13 2.4阴极表面的电子发射14 2.4.1固体表面的电子状态14 2.4.2金属的热电子发射16 2.4.3金属的冷场致发射18 2.4.4光电子发射18 2.4.5二次电子发射19 参考文献20 第3章等离子体物理基础知识21 3.1引言21 3.2等离子体22 3.2.1等离子体的定义22 3.2.2等离子体的分类23 3.2.3等离子体的获得方法24 3.3气体的激发和电离24 3.3.1带电粒子的运动状态24 3.3.2粒子间碰撞后能量的变化规律25 3.3.3由电子非弹性碰撞产生的激发与电离27 3.3.4第二类非弹性碰撞33 3.3.5附着和离脱34 3.3.6带电粒子的消失——消电离35 3.3.7气体放电中的发光现象35 3.4气体放电36 3.4.1气体放电的过程36 3.4.2气体放电的伏安特性曲线38 3.5辉光放电39 3.5.1辉光放电的特点39 3.5.2正常辉光放电和异常辉光放电41 3.5.3辉光放电两极间各种特性的分布42 3.5.4辉光放电的空心阴极效应44 3.5.5射频放电46 3.5.6微波放电48 3.5.7大气压下的辉光放电49 3.6弧光放电53 3.6.1弧光放电的特性53 3.6.2弧光放电的类型54 3.6.3热弧光放电54 3.6.4冷阴极弧光放电56 3.7带电粒子的作用57 3.7.1离子的作用57 3.7.2电子的作用60 3.8带电粒子的运动60 3.8.1带电粒子在电场中的运动61 3.8.2带电粒子在磁场中的运动61 3.8.3带电粒子在电磁场中的运动64 3.9电磁场的运用64 3.9.1同轴电磁场型离子镀膜机65 3.9.2正交电磁场型离子镀膜机65 参考文献66 第4章真空蒸发镀膜技术67 4.1真空蒸发镀膜技术的分类67 4.2真空蒸发镀膜机67 4.2.1电阻蒸发镀膜机67 4.2.2电子枪蒸发镀膜机71 4.2.3激光蒸发镀膜机73 4.2.4高频感应加热蒸发镀膜机74 4.3真空蒸发镀膜层的组织74 4.3.1真空蒸发镀膜层的形成条件74 4.3.2真空蒸发镀膜层的生长规律77 4.3.3影响膜层生长的因素78 4.3.4膜层厚度的均匀性79 4.4真空蒸发镀膜机80 4.4.1立式蒸发镀膜机80 4.4.2卷绕式蒸发镀膜机81 参考文献84 第5章辉光放电离子镀膜技术85 5.1直流二极型离子镀膜技术85 5.1.1直流二极型离子镀膜的装置85 5.1.2直流二极型离子镀膜的工艺过程86 5.1.3直流二极型离子镀膜中的粒子能量86 5.1.4直流二极型离子镀膜的条件87 5.1.5直流二极型离子镀膜中高能离子的作用88 5.1.6离子镀膜层形成的影响因素92 5.1.7直流二极型离子镀膜技术的特点94 5.2辉光放电离子镀膜技术的发展94 5.2.1电子枪蒸发源直流二极型离子镀膜技术95 5.2.2活性反应离子镀膜技术96 5.2.3热阴极离子镀膜技术97 5.2.4射频离子镀膜技术98 5.2.5集团离子束离子镀膜技术98 5.3增强型辉光放电离子镀膜技术的共同特点99 参考文献100 第6章热弧光放电离子镀膜技术101 6.1空心阴极离子镀膜技术102 6.1.1空心阴极离子镀膜机102 6.1.2空心阴极离子镀膜的工艺过程102 6.1.3空心阴极离子镀膜的条件103 6.1.4空心阴极离子镀膜机的发展104 6.2热丝弧离子镀膜技术105 6.2.1热丝弧离子镀膜机105 6.2.2热丝弧离子镀膜的工艺过程106 6.3热弧光放电离子镀膜的技术特点107 6.4辉光放电离子镀膜与热弧光放电离子镀膜对比109 6.4.1电子枪对比109 6.4.2镀膜技术特点对比109 参考文献110 第7章阴极电弧离子镀膜技术111 7.1阴极电弧源112 7.2小弧源离子镀膜技术112 7.2.1小弧源离子镀膜机的结构112 7.2.2小弧源离子镀膜的工艺过程114 7.3阴极电弧离子镀膜的机理114 7.4阴极电弧离子镀膜技术的发展116 7.4.1小弧源离子镀膜机的发展116 7.4.2矩形平面大弧源离子镀膜机120 7.4.3柱状阴极电弧源离子镀膜机121 7.5对阴极电弧离子镀膜机配置的特殊要求128 7.5.1引弧装置的设置128 7.5.2磁场的设置128 7.5.3屏蔽结构的设置128 7.6阴极电弧离子镀膜技术的特点129 7.7清洗技术的发展130 7.7.1钛离子清洗工件的不足130 7.7.2弧光放电氩离子清洗技术131 7.7.3气态源弧光放电氩离子清洗技术131 7.7.4固态源弧光放电氩离子清洗技术132 7.8阴极电弧离子镀中脉冲偏压电源的作用134 参考文献137 第8章磁控溅射镀膜技术139 8.1磁控溅射镀膜的设备与工艺过程140 8.1.1平面靶磁控溅射镀膜机140 8.1.2磁控溅射镀膜的工艺过程140 8.2阴极溅射和磁控溅射142 8.2.1阴极溅射142 8.2.2磁控溅射144 8.3磁控溅射镀膜技术的特点147 8.3.1磁控溅射镀膜技术的优点147 8.3.2磁控溅射镀膜技术的不足148 8.4磁控溅射离子镀膜技术的发展149 8.4.1柱状磁控溅射靶149 8.4.2平衡磁控溅射靶与非平衡磁控溅射靶151 8.4.3磁控溅射镀介质薄膜技术的进步156 8.4.4热阴极增强磁控溅射162 8.4.5高功率脉冲磁控溅射162 8.5磁控溅射工件清洗新技术165 8.5.1ABS源165 8.5.2弧光放电氩离子清洗工件166 8.5.3用弧光放电源增强磁控溅射镀膜166 参考文献167 第9章带电粒子流在镀膜中的作用169 9.1带电粒子流的类型169 9.2离子束169 9.2.1离子束的能量及作用169 9.2.2离子注入170 9.2.3离子束溅射镀膜和离子束刻蚀173 9.2.4离子束辅助沉积及低能离子源174 9.3弧光电子流180 9.3.1弧光电子流的特点与产生方法180 9.3.2弧光电子流的应用180 参考文献182 第10章等离子体增强化学气相沉积技术183 10.1气态物质源镀膜技术分类183 10.2化学气相沉积技术184 10.2.1热化学气相沉积技术184 10.2.2金属有机化合物气相沉积技术188 10.2.3原子层沉积技术190 10.3等离子体增强化学气相沉积技术192 10.3.1等离子体增强化学气相沉积技术类型192 10.3.2直流辉光放电增强化学气相沉积技术193 10.4等离子体增强化学气相沉积原理196 10.4.1多原子气体的热运动196 10.4.2多原子气体的激发和电离198 10.4.3等离子体中固体表面的反应200 10.4.4等离子体增强化学气相沉积技术的优点200 10.5各种新型等离子体增强化学气相沉积技术201 10.5.1直流磁控电子回旋PECVD技术202 10.5.2网笼等离子体浸没离子沉积技术202 10.5.3电磁增强型卷绕镀膜机203 10.5.4射频增强等离子体化学气相沉积技术205 10.5.5微波增强等离子体化学气相沉积技术206 10.5.6电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术208 10.5.7热丝弧弧光增强等离子体化学气相沉积技术208 10.5.8直流等离子体喷射电弧增强化学气相沉积技术208 参考文献211 第11章等离子体聚合技术214 11.1概述214 11.1.1等离子体聚合的定义与特点214 11.1.2各种等离子体聚合技术简介217 11.2等离子体聚合原理218 11.2.1等离子体中的激励活化反应218 11.2.2等离子体聚合反应221 11.3等离子体聚合装置及工艺222 11.3.1等离子体聚合装置222 11.3.2等离子体聚合工艺226 11.3.3等离子体聚合工艺条件的选择和控制227 11.4等离子体聚合膜的应用领域230 11.4.1等离子体直接聚合膜的应用领域230 11.4.2等离子体引发聚合薄膜的应用领域233 11.5等离子体表面改性234 11.5.1等离子体表面改性的定义234 11.5.2等离子体表面改性的特点234 11.5.3等离子体表面改性用的气体235 11.5.4等离子体表面改性的应用领域235 参考文献236 第12章离子镀膜在太阳能利用领域的应用238 12.1概述238 12.2太阳能光伏薄膜领域的镀膜技术239 12.2.1晶硅太阳能电池中的镀膜技术240 12.2.2异质结太阳能电池中的镀膜技术242 12.2.3晶硅太阳能电池镀膜技术的发展244 12.2.4碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿太阳能电池中的镀膜技术245 12.3太阳能光热领域的镀膜技术248 12.3.1光热薄膜材料249 12.3.2低温光热薄膜250 12.3.3中温光热薄膜250 12.3.4高温光热薄膜250 12.4展望251 参考文献251 第13章离子镀膜在信息显示 薄膜领域的应用253 13.1信息显示技术的发展253 13.2现代信息显示原理254 13.3信息显示器件与信息显示薄膜255 13.3.1薄膜晶体管255 13.3.2有机发光二极管256 13.3.3信息显示薄膜与离子镀膜技术256 13.4信息显示薄膜的制备257 13.4.1有源层薄膜257 13.4.2OLED发光功能层薄膜260 13.4.3导电电极薄膜261 13.4.4绝缘层薄膜264 13.5信息显示薄膜器件的制备265 13.6展望268 参考文献268 第14章离子镀膜在装饰性薄膜领域的应用271 14.1概述271 14.2装饰性薄膜的颜色272 14.3装饰性薄膜的性能要求273 14.4装饰性薄膜材料的选择与优化275 14.4.1金色系装饰性薄膜275 14.4.2黑色系装饰性薄膜277 14.4.3银色系装饰性薄膜279 14.4.4干涉装饰性薄膜279 14.5装饰性薄膜的发展趋势280 14.5.1鲜艳的颜色280 14.5.2优异的耐蚀性281 14.5.3更高的力学性能281 参考文献282 第15章离子镀膜在光学薄膜领域的应用284 15.1光学薄膜的定义与基础285 15.1.1光学薄膜的定义285 15.1.2光学薄膜的理论基础285 15.1.3减反射光学薄膜289 15.1.4高反射光学薄膜290 15.1.5光学滤光片292 15.2光学薄膜的用领域293 15.2.1光学薄膜在镀膜眼镜行业的应用293 15.2.2光学薄膜在仪器设备上的应用294 15.2.3光学薄膜在手机产品中的应用295 15.2.4光学薄膜在汽车行业中的应用296 15.2.5光学薄膜在光通信领域中的应用297 15.2.6光学薄膜在幕墙玻璃中的应用297 15.2.7光学薄膜在生物医疗领域中的应用299 15.2.8光学薄膜在红外波段产品中的应用299 15.2.9光学薄膜在投影显示产品中的应用299 15.3光学薄膜的制备技术300 15.3.1物理气相沉积301 15.3.2化学气相沉积303 15.3.3原子层沉积303 15.4光学薄膜的表征304 参考文献304 第16章离子镀膜在硬质涂层领域的应用306 16.1高端加工业对涂层刀具的新要求306 16.2硬质涂层的类型306 16.2.1普通硬质涂层307 16.2.2超硬涂层310 16.3沉积硬质涂层的离子镀膜技术及其新发展315 16.3.1沉积硬质涂层的常规技术315 16.3.2沉积硬质涂层技术的发展316 参考文献318 第17章离子镀膜在碳基薄膜领域的应用321 17.1概述321 17.1.1碳基薄膜的类型321 17.1.2碳基薄膜的三元相图321 17.2碳基薄膜的结构322 17.2.1金刚石薄膜的结构322 17.2.2类金刚石碳基薄膜的结构323 17.2.3类石墨碳基薄膜的结构323 17.2.4类聚合物碳基薄膜的结构324 17.3碳基薄膜的制备技术与性能324 17.3.1金刚石薄膜的制备技术与性能324 17.3.2类金刚石碳基薄膜的制备技术与性能327 17.3.3类石墨碳基薄膜的制备技术与性能332 17.3.4类聚合物碳基薄膜的制备技术与性能333 17.4非晶碳基薄膜的应用334 17.4.1类金刚石碳基薄膜的应用334 17.4.2类石墨碳基薄膜的应用337 17.4.3类聚合物碳基薄膜的应用338 参考文献339 第18章离子镀膜在热电薄膜领域的应用343 18.1热电技术及热电器件343 18.1.1塞贝克效应和帕尔贴效应343 18.1.2热电器件345 18.2热电薄膜材料346 18.2.1超晶格热电薄膜346 18.2.2柔性热电薄膜347 18.3热电薄膜制备中常用的离子镀膜技术348 18.3.1分子束外延348 18.3.2磁控溅射349 18.3.3脉冲激光沉积350 18.3.4其他常见热电薄膜制备技术351 18.4离子镀膜技术在热电器件中的应用351 18.4.1在微型热电器件研究中的应用351 18.4.2在热电器件电极制备中的应用352 18.5展望354 参考文献354 第19章离子镀膜在低温离子化学热处理中的应用357 19.1概述357 19.1.1离子化学热处理357 19.1.2低温离子化学热处理357 19.2低温离子化学热处理工艺358 19.2.1不锈钢低温离子化学热处理工艺358 19.2.2工模具钢低温离子化学热处理工艺360 19.3低温离子化学热处理温度的选择361 19.3.1常规离子渗氮温度361 19.3.2低温离子化学热处理温度362 19.4低温离子化学热处理新技术364 19.4.1增设活性屏技术364 19.4.2热丝增强低温离子渗技术366 19.4.3弧光放电增强低温离子渗技术367 参考文献370