薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] L.B.Freund，S.Suresh 著，盧磊 等 譯，王中光 校

圖書標籤:

• 薄膜材料
• 應力
• 缺陷
• 錶麵演化
• 材料科學
• 材料物理
• 薄膜技術
• 界麵科學
• 微觀結構
• 材料錶徵

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030134271

版次：1

商品編碼：12042625

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2007-01-01

用紙：膠版紙

頁數：628

字數：769000

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：材料物理專業，物理學專業的研究生和高年級的本科生
　　薄膜在微電子器件、磁存儲介質和錶麵封裝等技術應用領域發揮著重要作用，《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》全麵闡述瞭薄膜中的應力以及因其産生的缺陷形成和錶麵演化等問題。《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》內容兼顧理論、實驗和計算機模擬，適閤工程技術人員、材料科學和物理學研究人員閱讀。《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》英文版被美國哈佛大學、布朗大學、麻省理工學院、斯坦福大學等大學用作研究生教材。

內容簡介

　　《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》總結瞭過去幾十年裏薄膜材料的研究進展，同時將重點放在薄膜中內應力的起源、發展及其影響等諸多方麵，書中不僅係統考慮瞭薄膜。基底係統或多層膜係統的整體變形及薄膜的斷裂、脫層和翹麯，而且還考慮瞭更小尺度上薄膜中位錯的形成及非彈性變形。薄膜中應力的影響與薄膜材料結構之間的聯係貫穿於整書的討論。通過舉例計算和有實際意義的實例分析及討論，更加具體地闡明瞭書中的基本概念，並於每章後附有習題。
　　《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》可供從事材料科學和工程及相關研究領域工作，特彆是從事薄膜材料研究的科技人員和微電子機械領域從事設計製造的工程技術人員閱讀，也可作為有關專業的研究生和大學高年級本科生的教材和參考書。《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》英文版被美國哈佛大學、布朗大學、麻省理工學院、斯坦福大學等大學用作研究生教材。

內頁插圖

目錄

第1章 引言和總論
1．1 薄膜組態分類
1．2 薄膜沉積方法
1．2．1 物理氣相沉積
1．2．2 化學氣相沉積
1．2．3 熱噴塗沉積
1．2．4 實例：熱障塗層
1．3 氣相沉積薄膜的生長方式
1．3．1 從氣相到吸附原子
1．3．2 從吸附原子到薄膜生長
1．3．3 自由錶麵或界麵的能量密度
1．3．4 錶麵應力
1．3．5 基於錶麵能的生長方式
1．4 薄膜微觀結構
1．4．1 外延膜
1．4．2 實例：垂直孔洞錶麵發射激光
1．4．3 多晶體膜
1．4．4 實例：磁存儲介質薄膜
1．5 微電子結構的製備
1．5．1 光刻
1．5．2 銅互聯體的大馬士革加工
1．6 MEMS結構的製備
1．6．1 整體微加工
1．6．2 錶麵微加工
1．6．3 成型加工
1．6．4 NEMS結構
1．6．5 實例：振動梁細菌探測器
1．7 薄膜應力源
1．7．1 薄膜應力的分類
1．7．2 外延薄膜中的應力
1．8 多晶體薄膜中的生長應力
1．8．1 島閤並前的壓縮應力
1．8．2 實例：錶麵覆蓋的影響
1．8．3 島接觸引起的拉應力
1．8．4 連續生長過程中的壓縮應力
1．8．5 最終應力與晶粒結構間的關係
1．8．6 應力演變的其他機製
1．9 薄膜應力的後果
1．10 習題

第2章 薄膜應力和基底麯率
2．1 stoney方程
2．1．1 實例：外延應變引起的麯率
2．1．2 實例：熱應變引起的麯率
2．2 薄膜厚度對雙層薄膜麯率的影響
2．2．1 任意薄膜厚度的基底麯率
2．2．2 實例：雙層薄膜最大熱應力
2．2．3 溫度調節雙金屬片的曆史記錄
2．3 麯率測量方法
2．3．1 掃描激光法
2．3．2 多束光學應力敏感技術
2．3．3 光柵反射法
2．3．4 相乾梯度傳感器方法
2．4 層狀和成分梯度薄膜
2．4．1 非均勻錯配應變和彈性性能
2．4．2 錯配應變中的恒定梯度
2．4．3 實例：成分梯度薄膜的應力
2．4．4 周期多層薄膜
2．4．5 實例：多層薄膜整體熱彈性響應
2．4．6 微小總厚度的多層薄膜
2．4．7 實例：薄多層膜中的應力
2．5 幾何非綫性變形範圍
2．5．1 綫性範圍的極限
2．5．2 非綫性範圍內的軸對稱變形
2．6 平衡形狀的分叉
2．6．1 均勻麯率的分叉分析
2．6．2 均勻麯率狀態的可視化
2．6．3 -般麯率變化的分叉
2．6．4 基底麯率變形圖
2．6．5 實例：Cu／Si係統的麯率圖
2．7 習題

第3章 各嚮異性和圖形薄膜中的應力
3．1 彈性各嚮異性
……
第4章 脫層和斷裂
第5章 薄膜的翹麯、鼓包和剝離
第6章 外延係統中的位錯形成
第7章 位錯交互作用和應變弛豫
第8章 錶麵的平衡和穩定性
第9章 應力在傳質中的作用
參考文獻
英漢名詞索引

前言/序言

　　《薄膜材料》英文版（第一版）於2003年12月由英國劍橋大學齣版社齣版，我們對世界各地的同行和研究人員給予該書的反饋信息深錶感謝。
　　《薄膜材料》中文版的齣版為我們提供瞭一個特彆的機會，把我們對這種有趣並且有用的材料的理解以他們自己的語言傳播給中國的學生、研究人員和工程師，他們辛勤工作在一個科學技術和教育等領域正經曆翻天覆地變化的國度裏。我們感謝中國科學院金屬研究所的同行對這本書細緻的翻譯工作。我們特彆感謝盧磊研究員的熱忱奉獻和在開展這項翻譯工作中的傑齣組織領導：特彆感謝金屬研究所疲勞與斷裂國傢重點實驗室前主任王中光研究員，在本書整個的翻譯過程中，他提供瞭寶貴的幫助、意見和建議。
　　我們還要真誠地感謝盧磊研究員以及她的同事，包括陶乃鎔博士、張廣平博士、史亦農博士、張磊博士、王鎮波博士，他們為完成本書的翻譯付齣瞭艱辛的勞動。感謝中國工程院前副院長、中國國傢自然科學基金委員會顧問師昌緒先生。他熱情地為本書中文版作序。感謝中國科學齣版社為本書的齣版提供瞭財政支持。同時我們也感謝劍橋大學齣版社在組織這次翻譯中的閤作和協助。

薄膜材料：應力、缺陷的形成與錶麵演化 引言 薄膜材料，作為現代科技領域不可或缺的關鍵組成部分，其應用範圍已深入到電子、光學、能源、生物醫學等眾多前沿産業。從微電子器件中的絕緣層和導體層，到高性能光學塗層，再到太陽能電池的活性層，薄膜材料的性能直接決定瞭器件的效率、穩定性和壽命。然而，薄膜材料的製備和應用過程並非一帆風順，其中蘊含著復雜的物理化學機製，尤其是在應力、缺陷的形成以及隨之而來的錶麵演化等方麵，更是對薄膜性能産生著決定性影響。 本書旨在深入剖析薄膜材料在生長過程中所經曆的應力産生、發展及其釋放機製，探討各類缺陷（如空位、間隙原子、位錯、晶界、相界等）的成因、結構和對材料性能的影響，並重點闡述這些因素如何協同作用，驅動薄膜錶麵發生復雜的形貌和結構演變。通過對這些核心問題的係統性研究，本書期望為相關領域的科研人員、工程師以及研究生提供一個全麵而深入的視角，以期更好地理解薄膜材料的行為，優化製備工藝，設計齣具有特定功能的先進薄膜。 第一章 薄膜應力的起源與演化 薄膜應力是薄膜材料中最普遍存在的現象之一，它對薄膜的附著力、力學性能、電學和光學特性都有著至關重要的影響。本章將從薄膜應力的基本概念齣發，詳細闡述其主要的産生機製。 生長應力（Growth Stress）: 在薄膜生長過程中，原子或分子在基底錶麵沉積並逐漸堆積，由於原子間的相互作用、基底與薄膜之間的晶格失配，以及沉積過程中能量的不均勻釋放，都會導緻內部應力的産生。本書將深入分析不同沉積方法（如物理氣相沉積PVD、化學氣相沉積CVD、原子層沉積ALD等）下生長應力的具體來源，例如原子動能、濺射粒子能量、化學反應熱等。 熱應力（Thermal Stress）: 薄膜與基底通常具有不同的熱膨脹係數。在薄膜生長過程中，如果基底和薄膜處於不同的溫度下，或者在冷卻過程中，兩者之間就會産生因溫度變化而引起的應力。本書將重點講解熱膨脹係數失配如何導緻張應力或壓應力，並分析不同沉積溫度和冷卻速率對熱應力的影響。 相變應力（Phase Transformation Stress）: 某些薄膜材料在生長或後續處理過程中會發生相變。相變過程中體積的變化會産生額外的應力，尤其是在固態相變的情況下。本書將探討相變點、相變驅動力以及相變過程中的應力釋放機製。 晶格失配應力（Lattice Mismatch Stress）: 當薄膜材料的晶格常數與基底材料的晶格常數不匹配時，特彆是在外延生長過程中，會在薄膜內部産生由晶格畸變引起的應力。本書將介紹彈性理論在描述晶格失配應力中的應用，以及如何通過引入位錯來緩解這種應力。 內稟應力（Intrinsic Stress）: 薄膜材料在生長過程中，由於原子鍵的形成、原子排列的密度等因素，即使在沒有外力作用的情況下，也會存在一種內在的應力。本書將剖析內稟應力的微觀來源，並與生長應力進行區分。 本章還將深入討論薄膜應力的演化過程，包括應力隨薄膜厚度的變化、應力弛豫機製（如位錯滑移、空位擴散、形變、裂紋形成等），以及外部條件（如溫度、氣氛、應變率）對薄膜應力狀態的影響。 第二章 薄膜缺陷的形成機製與結構錶徵 缺陷是薄膜材料中普遍存在的微觀結構特徵，它們不僅影響薄膜的力學性能，還會顯著改變其電學、光學和磁學性能。本章將係統地介紹各類薄膜缺陷的形成原因、結構特點及其錶徵方法。 點缺陷（Point Defects）: 包括空位（Vacancy）、間隙原子（Interstitial Atom）和取代原子（Substitutional Atom）。本書將探討在不同生長環境下，這些點缺陷是如何形成的，例如由於原子化學計量比失調、摻雜、以及能量粒子轟擊等。點缺陷的濃度和分布對薄膜的擴散、電荷傳輸和發光特性有著直接影響。 綫缺陷（Line Defects）: 主要指位錯（Dislocation）。位錯是晶體結構中一種重要的綫性缺陷，它的存在會顯著降低材料的屈服強度，但同時也是實現塑性變形的重要機製。本書將詳細介紹刃位錯、螺位錯以及混閤位錯的結構，並重點分析它們在薄膜生長過程中的形成機製，例如由於晶格失配、基底粗糙度、以及原子沉積的不均勻性。位錯的運動和湮滅也是薄膜應力弛豫的重要途徑。 麵缺陷（Planar Defects）: 包括晶界（Grain Boundary）、相界（Phase Boundary）、孿晶界（Twinning Boundary）和堆積層錯（Stacking Fault）。 晶界: 在多晶薄膜中，相鄰晶粒之間的界麵。晶界是原子排列高度無序的區域，具有較高的錶麵能，容易吸附雜質，並且對電荷和晶格擴散起到阻礙或促進作用，具體取決於材料性質和晶界結構。本書將討論晶界網絡的形成、晶界能以及不同傾角和取嚮的晶界對薄膜性能的影響。 相界: 不同晶相或原子結構區域之間的界麵。相界的形成是材料發生相變的重要標誌，其結構和能量對相變過程和最終相組成至關重要。 孿晶界: 原子排列呈鏡像對稱關係的界麵。孿晶的形成通常與應力或相變有關，並對材料的力學性能和相穩定性産生影響。 堆積層錯: 晶體層錯排列不正確形成的缺陷，通常發生在具有層狀結構的材料中。 體缺陷（Volume Defects）: 如微裂紋（Microcracks）、空洞（Voids）、夾雜物（Inclusions）等。這些宏觀或亞微觀缺陷通常對薄膜的力學強度和可靠性造成嚴重破壞。本書將分析這些缺陷在製備過程中産生的根源，以及它們如何影響薄膜的完整性。 本書還將重點介紹多種先進的錶徵技術，用於識彆和分析薄膜中的缺陷，包括透射電子顯微鏡（TEM）及其高分辨率成像技術，掃描電子顯微鏡（SEM）觀察錶麵形貌和斷口，X射綫衍射（XRD）分析晶體結構和位錯密度，原子探針斷層掃描（APT）提供三維原子尺度的缺陷信息，以及拉曼光譜、X射綫光電子能譜（XPS）等對缺陷相關的化學環境進行分析。 第三章 薄膜錶麵演化與形貌控製 薄膜的錶麵形貌是其最終應用性能的直接體現。應力、缺陷以及生長動力學共同作用，驅動薄膜錶麵發生復雜而動態的演化。本章將深入探討薄膜錶麵演化的基本規律，並介紹實現錶麵形貌可控的策略。 生長模式與錶麵形貌: 不同薄膜材料和生長條件下的原子吸附、擴散和成核行為，決定瞭薄膜的生長模式，例如層狀生長（Frank-van der Merwe）、島狀生長（Volmer-Weber）和層狀-島狀混閤生長（Stranski-Krastanov）。本書將分析不同生長模式如何導緻平整錶麵、島狀結構、階梯狀錶麵或粗糙錶麵。 應力誘導的錶麵重構與圖案化: 薄膜內部的應力，特彆是應力梯度，可以驅動錶麵原子的遷移和重排，導緻錶麵齣現周期性的波紋、溝槽或島狀結構，形成自發的錶麵圖案化。本書將探討驅動這種重構的物理機製，如彈性能量最小化、錶麵擴散等。 缺陷對錶麵形貌的影響: 錶麵缺陷（如吸附位、颱階邊緣）是新的原子成核或擴散的優先位置。內部缺陷（如位錯端部）也可以通過影響局部應力或擴散路徑，對錶麵形貌的形成産生影響。本書將分析缺陷與錶麵粗糙度、晶粒尺寸等錶麵特徵之間的關聯。 再結晶與退火處理: 退火處理是一種常用的後處理技術，旨在通過加熱來降低薄膜中的缺陷濃度、弛豫應力並改善晶粒結構。然而，不當的退火條件可能導緻薄膜錶麵發生粗化、形成多孔結構或發生相分離，從而劣化性能。本書將深入研究再結晶過程中晶粒生長、晶界遷移以及錶麵形貌演變的動力學。 錶麵粗糙度的控製與優化: 錶麵粗糙度會影響薄膜的光學反射率、電學接觸電阻、以及催化活性等。本書將介紹通過控製生長參數（如沉積速率、襯底溫度、氣體壓力）、優化錶麵清洗和預處理，以及利用納米結構設計等手段來精確控製薄膜的錶麵粗糙度。 自組織生長與納米結構形成: 在特定的生長條件下，薄膜錶麵可以發生自組織生長，形成周期性的納米結構，如納米綫、納米柱、量子點等。本書將探討驅動這些自組織過程的動力學機製，並介紹如何利用這些機製來製備具有特殊光、電、磁功能的納米材料。 錶麵化學與界麵演化: 薄膜錶麵與周圍環境的化學反應，以及與基底的界麵演化，同樣是影響錶麵形貌和性能的重要因素。本書將討論錶麵氧化、吸附、腐蝕等過程，以及界麵處的擴散和互擴散如何影響薄膜的穩定性。 結論 本書圍繞薄膜材料的應力、缺陷形成和錶麵演化三大核心主題，進行瞭由宏觀到微觀，再到介觀尺度的深入探討。通過理解這些相互關聯的物理過程，我們能夠更有效地設計和製備高質量的薄膜材料，從而推動相關高科技領域的持續進步。本書期望為讀者提供一個堅實的理論基礎和豐富的實踐指導，助力他們在薄膜科學與技術的研究與應用中取得更大的成就。

評分☆☆☆☆☆

這本《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》真是一部令人嘆為觀止的著作！從拿到書的那一刻起，我就被它厚重的體量和嚴謹的編排所吸引。翻開第一頁，仿佛進入瞭一個全新的微觀世界，作者以極其生動形象的語言，描繪瞭薄膜材料在各種內外應力作用下，那些肉眼不可見的細微變化。他對“應力”這個概念的剖析，絕不僅僅停留在教科書式的定義，而是深入到材料內部原子間的相互作用，熱應力、機械應力、化學應力等等，都得到瞭詳盡的論述。我尤其印象深刻的是，作者並非簡單地羅列各種應力類型，而是巧妙地將它們置於真實的製備和使用環境中，比如在沉積過程中，原子如何在基底上“安傢落戶”，又如何因為能量的不均而産生初始應力，這對於理解後續的薄膜性能至關重要。

評分☆☆☆☆☆

作為一名研究薄膜材料的學生，我常常在文獻中遇到各種各樣的理論模型，但往往難以將其融會貫通。《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》這本書在這方麵做得非常齣色。作者並沒有將理論模型孤立地呈現，而是將它們置於解決實際問題的框架之下。他詳細解釋瞭各種模型的物理意義，以及它們在描述應力、缺陷和錶麵演化方麵的適用性。例如，他對Stranski-Krastanov生長模式的深入解析，結閤瞭熱力學和動力學兩個層麵的考量，讓我對薄膜生長過程有瞭更全麵的理解。書中還涉及瞭有限元分析、分子動力學模擬等計算方法，為讀者提供瞭解決實際問題的工具。

評分☆☆☆☆☆

書中所探討的“缺陷”的形成，更是讓我大開眼界。我一直以為缺陷隻是材料性能的“瑕疵”，但在這本書中，我看到瞭它們的多樣性和復雜性。作者將原子空位、間隙原子、位錯、晶界等等，都如數傢珍般一一展現，並且詳細闡述瞭它們是如何在應力驅動下産生的。他並沒有迴避那些“棘手”的問題，例如在薄膜生長後期，應力積纍到一定程度時，如何誘發錶麵形核、應力釋放而産生的微裂紋，甚至是在某些特殊情況下，某些“缺陷”反而可以作為應力緩和劑，起到意想不到的作用。他對於這些缺陷的形成機製的解析，邏輯嚴謹，論證充分，引用的實驗數據和理論模型也十分豐富，讓我對薄膜材料的內在品質有瞭更深刻的認識。

評分☆☆☆☆☆

這本書並非僅僅是對薄膜材料“是什麼”的介紹，更重要的是它解釋瞭“為什麼會這樣”。作者在闡述每一個現象時，都追溯其根本原因。例如，他探討瞭應力産生的原因，不僅有工藝參數的直接影響，還涉及到材料本身的晶體結構、化學鍵閤等內在因素。同樣，缺陷的形成也與材料的生長環境、雜質含量等息息相關。這種“追根溯源”的寫作方式，使得讀者能夠真正理解薄膜材料的內在規律，而不是死記硬背一些結論。這種深入的思考和分析，對於培養批判性思維至關重要，也讓我受益匪淺。

評分☆☆☆☆☆

這本書的另一個亮點在於其豐富的實例分析。作者在理論論述的間隙，插入瞭許多具有代錶性的薄膜材料的案例，比如半導體薄膜、金屬薄膜、介質薄膜等等。他結閤這些具體材料的實際應用場景，詳細闡述瞭應力、缺陷和錶麵演化對它們性能的影響。比如，在解釋應力對半導體薄膜載流子遷移率的影響時，他會以應變工程為例，說明如何通過引入人為應力來提高器件性能。這些生動的實例，不僅鞏固瞭書中的理論知識，也讓我看到瞭薄膜材料在科技前沿領域的廣泛應用前景。

評分☆☆☆☆☆

總而言之，《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》是一部極具價值的學術專著。它以其深刻的洞察力、嚴謹的邏輯、生動的論述和豐富的實例，為讀者構建瞭一個關於薄膜材料的完整知識體係。這本書不僅滿足瞭我對薄膜材料的求知欲，更點燃瞭我對科學探索的熱情。我強烈推薦給所有對薄膜材料感興趣的讀者，無論你是初學者還是資深研究者，相信你都能從中獲得豐厚的收獲。

評分☆☆☆☆☆

最讓我著迷的部分，莫過於“錶麵演化”這一章節。這本書之所以命名為《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》，恰恰點明瞭其核心的研究脈絡。作者從宏觀到微觀，從靜態到動態，全方位地展示瞭薄膜錶麵是如何隨著時間和環境的變化而不斷“呼吸”和“成長”的。他詳細分析瞭不同生長模式（如層狀生長、島狀生長）如何影響錶麵粗糙度和形貌，以及應力如何驅動錶麵重構，甚至催生納米結構的自組裝。我尤其喜歡他對原子尺度錶麵動力學的描述，比如錶麵擴散、蒸發-凝結過程，以及這些微觀過程如何纍積演變成宏觀的錶麵形態。讀到這裏，我仿佛能“看到”那些原子在錶麵上跳躍、遷移，最終“雕刻”齣迷人的錶麵紋理。

評分☆☆☆☆☆

閱讀《薄膜材料：應力、缺陷的形成和錶麵演化》的過程中，我發現作者在敘述上有著非常獨特的節奏感。他不會一開始就拋齣復雜的概念，而是循序漸進，從簡單的物理現象入手，逐步引入更深層次的理論。例如，在講解錶麵能時，他會先從宏觀的液體錶麵張力說起，然後逐漸過渡到薄膜錶麵的原子排列和配位失調，最終解釋錶麵能對薄膜生長和演化的影響。這種“抽絲剝繭”的敘述方式，極大地降低瞭閱讀門檻，即使是對薄膜材料不太熟悉的讀者，也能隨著作者的思路，逐漸進入核心的研究領域。

評分☆☆☆☆☆

對於想要深入研究薄膜材料領域的學者和工程師來說，這本書絕對是一本不可多得的參考書。它不僅提供瞭紮實的理論基礎，更引導讀者去思考材料的內在機製和演化規律。書中的每一頁都凝聚著作者深厚的學術功底和嚴謹的治學態度，大量的參考文獻和詳細的公式推導，都為讀者提供瞭進一步深入研究的綫索。更重要的是，它激發瞭我對薄膜材料的好奇心，讓我看到瞭這個領域無限的可能性，也讓我對未來的研究方嚮有瞭更清晰的規劃。

評分☆☆☆☆☆

這本書的行文風格與其內容一樣，充滿深度和廣度。我喜歡作者在論述復雜概念時，總能穿插恰當的比喻和類比，這讓那些原本枯燥的物理化學原理變得生動易懂。例如，在解釋應力對錶麵形貌的影響時，他將薄膜比作一張拉伸的橡皮膜，細微的形變就可能導緻錶麵齣現褶皺，這形象地說明瞭錶麵重構的本質。同時，作者在引用前人的研究成果時，也做到瞭既尊重又批判，他不僅梳理瞭已有的理論，更指齣瞭其中的不足之處，並在此基礎上提齣瞭自己的見解，這是一種非常成熟的學術態度，也讓本書充滿瞭前瞻性。