薄膜材料科学与技术（刘仲武 ）

《薄膜材料科学与技术》是教育部高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材，全面地介绍了薄膜材料的基本概念、薄膜制备技术、薄膜生长机理、薄膜加工技术以及薄膜分析技术。在简要地阐述薄膜材料基本特点的基础上，首先介绍了与薄膜表征和分析密切相关的真空技术和等离子体技术；详细阐述了薄膜材料的制备方法，包括薄膜制备的液相方法、薄膜物理气相沉积技术、薄膜的热氧化与化学气相沉积技术、薄膜旋涂和喷涂技术，涉及各种制备方法的基本原理、制备设备和制备工艺；分析了气相沉积薄膜材料的生长机制、薄膜的生长过程及其影响因素，介绍了薄膜的外延生长技术；随后进一步介绍了薄膜的微细加工技术，特别是薄膜刻蚀技术；最后，系统阐述了薄膜的表征和分析方法，包括薄膜的厚度控制与测量、成分表征、结构表征、原子化学键表征、表面形貌与微观组织分析以及薄膜材料性能分析。 本书不仅具有一定的理论参考价值，也具有较为广泛的应用参考价值，既可作为高等院校材料类及相关专业的本科生、研究生教学用书，也可作为薄膜材料专业科技人员的参考书。

刘仲武 华南理工大学教授、博士生（硕士生）导师，教育部新世纪优秀人才（2011），先进金属与电磁材料研究团队负责人。 主要从事磁性材料、纳米材料与先进金属材料研究。目前是国际期刊J Surf Interf Mater编委、Material Science and Engineering with Advanced Research编委、《材料科学》编委，广东省稀土材料标准化技术委员会和家电技术委员会委员、中国材料学会和中国电子学会高*级会员；广东省青年科学家协会理事；广东省材料研究学会理事；捷克、马来西亚等多个国家境外评审专家； ISAM会议国际咨询委员会委员。在Adv Mater、JACS、Appl Phys Lett、Acta Mater、Mater Design、J Appl Phys等国际和国内学术刊物上发表论文320多篇，SCI论文220多篇，申请和授权专利40多项。1998和1999年两次获中国航空工业总公司科技进步二等奖。2005年获英国Daniel Doncastor Prize；2006年入选华南理工大学"兴华人才"工程"百人计划"；2008年入选广东省"千百十工程"学术骨干；2011年入选教育部"新世纪优秀人才"；2016年获佛山市科技进步二等奖；2017年获广东省科技进步三等奖。

第一章绪论 第一节薄膜的定义 2 第二节薄膜的特点与结构 3 一、薄膜材料的表面效应 3 二、薄膜材料的纳米效应 4 三、薄膜材料的应力 5 四、薄膜的结构 6 五、薄膜中的缺陷 8 六、薄膜的异常结构、非理想化学计量比和伪合金 10 第三节薄膜制备方法 10 第四节薄膜材料的应用 12 本章小结 13 思考题 14 参考文献 14 第二章薄膜制备技术基础 第一节真空的基本概念 15 一、真空的描述 15 二、气体的吸附与脱附 16 第二节抽真空与真空泵 18 一、真空泵的分类与选择 18 二、真空泵的基本参数 20 三、真空泵的类型 20 第三节气体分子的运动和气体的流动 28 一、气体分子的平均自由程 28 二、气体与表面的碰撞 29 三、气体的流动状态 31 四、抽气和抽气方程 32 第四节真空的测量 33 一、真空计的分类 34 二、热传导真空计 35 三、电离真空计 37 第五节等离子体技术基础 38 一、等离子体基本概念 38 二、等离子体的基本参量 39 三、等离子体的分类 42 四、等离子体的产生 43 五、等离子体的应用 47 第六节薄膜液相沉积基础 48 一、液相法制备薄膜材料 48 二、相变过程热力学 49 三、晶核形成条件 50 四、相变过程动力学 51 本章小结 53 思考题 54 参考文献 54 第三章薄膜制备的液相方法 第一节电镀 55 一、电镀的基本原理 55 二、电镀的工艺参数 56 三、电镀制备薄膜的应用 57 第二节化学镀 58 一、化学镀的基本原理 58 二、化学镀的工艺参数 62 三、化学镀制备薄膜的应用 64 第三节阳极氧化 64 一、阳极氧化的基本原理 64 二、阳极氧化的工艺参数 66 三、阳极氧化制备薄膜的应用 67 第四节电泳 68 一、电泳的基本原理 68 二、电泳的工艺参数 69 三、电泳制备薄膜的应用 70 第五节溶胶凝胶法 71 一、溶胶凝胶法的基本过程 71 二、溶胶凝胶法的基本原理 72 三、溶胶凝胶法的工艺参数 73 四、溶胶凝胶法制备薄膜的应用 75 第六节喷雾热解法 75 一、喷雾热解法的基本过程 75 二、喷雾热解法的基本原理 76 三、喷雾热解法的工艺参数 78 四、喷雾热解法制备薄膜的应用 79 本章小结 80 思考题 81 参考文献 81 第四章薄膜物理气相沉积技术 第一节物理气相沉积简介 83 一、物理气相沉积的基本过程与分类 83 二、物理气相沉积的特点 84 三、物理气相沉积技术的应用 84 第二节真空蒸发沉积技术 85 一、真空蒸发沉积的物理原理 85 二、不同的真空蒸发沉积技术 91 第三节溅射沉积技术 97 一、溅射沉积基本原理 98 二、不同的溅射沉积技术 103 三、蒸发沉积和溅射沉积方法的比较 111 第四节离子束辅助物理气相沉积技术 111 一、离子束溅射 112 二、离子束沉积 112 三、离子镀 113 四、阴极电弧等离子体沉积 120 五、离子束辅助沉积 121 本章小结 125 思考题 126 参考文献 126 第五章薄膜的热氧化与化学气相沉积技术 第一节热氧化生长 128 一、热氧化生长制备SiO2薄膜 128 二、热氧化生长制备Bi2O3薄膜 130 三、热氧化生长制备氧化物纳米结构 130 第二节化学气相沉积技术基础 131 一、化学气相沉积基本要求 131 二、化学气相沉积基本过程 132 三、物质源 133 四、化学气相沉积反应类型 134 五、化学气相沉积装置 137 六、化学气相沉积膜层质量的主要影响因素 139 七、化学气相沉积的特点与应用 141 第三节常见的化学气相沉积技术 142 一、化学气相沉积技术分类 143 二、以反应室压力分类的化学气相沉积技术 144 三、以反应温度分类的化学气相沉积技术 147 四、以激活方式分类的化学气相沉积技术 150 五、金属有机化合物化学气相沉积技术 160 本章小结 162 思考题 162 参考文献 163 第六章薄膜旋涂和喷涂技术 第一节旋涂技术 164 一、旋涂的基本过程 164 二、旋涂的理论模型 165 三、旋涂的分类 168 四、旋涂技术的应用 169 第二节热喷涂技术 169 一、热喷涂的基本过程 170 二、热喷涂材料 172 三、热喷涂的分类 177 四、热喷涂技术的应用 187 第三节冷喷涂技术 189 一、 冷喷涂的基本过程 190 二、冷喷涂的理论模型 190 三、冷喷涂的工艺参数 191 四、冷喷涂的分类 193 五、冷喷涂技术的应用 194 本章小结 196 思考题 196 参考文献 197 第七章气相沉积薄膜生长机制 第一节凝聚 199 一、吸附 199 二、表面扩散 206 三、最终凝聚 208 第二节薄膜的形核 210 一、均匀形核理论 211 二、原子聚集理论 214 三、两种成核理论的对比 217 第三节薄膜的生长 218 一、连续薄膜的形成过程 218 二、沉积参数的影响 221 三、薄膜生长模式 224 四、薄膜中缺陷及内应力的产生 226 五、薄膜形成过程的计算机模拟 230 第四节薄膜的外延生长 232 一、外延生长机理 233 二、外延生长形式 235 三、分子束外延 236 四、液相外延 238 五、热壁外延 240 六、金属有机化合物化学气相沉积外延生长 241 七、离轴磁控溅射 242 八、热激光蒸发和脉冲激光沉积 242 本章小结 243 思考题 243 参考文献 244 第八章薄膜加工技术 第一节刻蚀的基本概念 246 一、刻蚀的工艺过程 246 二、刻蚀的主要工艺参数 248 第二节湿法刻蚀 249 一、湿法刻蚀的均匀性 249 二、常用的湿法刻蚀技术 250 三、湿法刻蚀的应用 253 四、电化学刻蚀 253 第三节干法刻蚀 254 一、等离子体在刻蚀中的应用 255 二、离子束溅射刻蚀 256 三、反应离子刻蚀 260 第四节飞秒激光烧蚀 267 一、飞秒激光烧蚀的基本原理 267 二、飞秒激光烧蚀加工系统 268 三、飞秒激光烧蚀在薄膜加工中的应用 268 第五节其它薄膜加工技术 269 一、反应气体刻蚀 269 二、激发气体刻蚀 270 三、 激光诱导正向转移技术 271 本章小结 271 思考题 272 参考文献 272 第九章薄膜的厚度和组织结构表征 第一节薄膜的厚度监测与测量 274 一、薄膜的厚度监测 274 二、薄膜的厚度测量 277 第二节薄膜成分表征 281 一、薄膜成分分析设备 281 二、卢瑟福背散射分析 282 三、电子显微探针分析 285 四、俄歇电子能谱 287 五、X射线光电子能谱 289 六、二次离子质谱 292 第三节薄膜的结构表征 294 一、衍射基础 294 二、掠入射X射线衍射 295 三、低能电子衍射 297 四、反射高能电子衍射 299 五、透射电子显微镜 299 第四节薄膜中原子化学键表征 300 一、扩展X射线 301 二、红外吸收光谱 303 三、拉曼光谱 305 四、电子能量损失谱 305 第五节薄膜表面形貌与微观组织分析 307 一、场离子显微镜 308 二、扫描探针显微镜 309 三、原子力显微镜 311 本章小结 312 思考题 313 参考文献 313 第十章薄膜材料性能分析 第一节薄膜应力表征 315 一、直接测量法 316 二、间接测量法 318 第二节薄膜力学性能表征 320 一、硬度 320 二、断裂韧性 325 三、摩擦磨损 327 四、界面结合强度 328 第三节薄膜磁性能表征 330 一、基本磁学参数测量 330 二、磁畴结构表征 332 第四节薄膜的电学性能表征 334 一、电阻率和电导率 334 二、磁电阻 336 三、霍尔系数 337 第五节薄膜光学性能表征 338 一、透射率和反射率 338 二、光吸收和散射 341 三、相位特性 344 四、光学常数 346 本章小结 348 思考题 348 参考文献 349