新型電子薄膜材料（第二版）

第1章 緒論
1.1 薄膜的定義及特性
1.1.1 薄膜的定義
1.1.2 薄膜材料的分類
1.1.3 薄膜材料的特殊性
1.1.4 薄膜結構的缺陷
1.1.5 薄膜的光學特性
1.2 薄膜材料研究現狀
1.3 新型薄膜材料發展前景
參考文獻

第2章 矽基半導體薄膜材料
2.1 概述
2.2 矽基非晶態半導體薄膜
2.2.1 非晶半導體薄膜材料的結構特點
2.2.2 非晶態半導體薄膜材料的製備方法
2.2.3 非晶態半導體薄膜材料的能帶模型
2.2.4 非晶態半導體薄膜材料的電學特性
2.2.5 非晶態半導體的光學性質
2.2.6 非晶半導體薄膜材料在光電器件方面的獨特性能
2.2.7 非晶半導體薄膜材料品質的研究近況
2.3 多晶矽和微晶矽薄膜
2.3.1 μcSi∶H薄膜
2.3.2 多晶Si薄膜
2.4 薄膜電晶體與大面積液晶顯示器
2.4.1 aSi∶H TFT的結構、製備和工藝
2.4.2 aSi∶H TFT的工作特性
2.4.3 新型μcSi∶H /aSi∶H雙有源層結構的薄膜電晶體
2.4.4 aSi∶H TFT在有源矩陣中的應用
參考文獻

第3章 金剛石薄膜及相關材料
3.1 概述
3.2 金剛石薄膜
3.2.1 金剛石薄膜的結構
3.2.2 金剛石薄膜的優異特性
3.2.3 金剛石薄膜的製備方法
3.2.4 強碳化物形成元素襯底上金剛石薄膜的生長特性及過渡層的研究
3.2.5 織構金剛石薄膜的製備
3.3 類金剛石膜（DLC）
3.3.1 類金剛石薄膜的相結構
3.3.2 類金剛石膜的製備方法
3.3.3 類金剛石薄膜直流電導特性的研究
3.3.4 類金剛石膜的光學特性
3.3.5 類金剛石薄膜的力學特性
3.3.6 類金剛石膜的其他特性
3.3.7 類金剛石膜的應用
3.4 立方氮化硼薄膜
3.4.1 氮化硼的四種異構體
3.4.2 立方氮化硼的性質和應用前景
3.4.3 立方氮化硼薄膜的製備方法
3.4.4 氮化硼薄膜的n型摻雜
3.4.5 氮化硼薄膜的p型摻雜
3.4.6 立方氮化硼薄膜的研究現狀及面臨的問題
3.5 βC3N4薄膜
3.5.1 βCNx薄膜的原子結構
3.5.2 βC3N4薄膜的製備與特性表徵
3.5.3 βC3N4的應用前景
3.6 BCN薄膜
3.6.1 BCN薄膜的結構
3.6.2 BCN薄膜的製備
3.6.3 BCN薄膜的電學性質
3.6.4 BCN薄膜的光學帶隙
3.7 其他硬質薄膜
3.7.1 氮化物、磷化物、硼化物及氧化物
3.7.2 硬質薄膜材料的物性
3.7.3 硬質複合薄膜材料
3.7.4 固體潤滑膜
3.8 寬頻隙薄膜材料場電子發射研究的現狀和問題
3.8.1 概述
3.8.2 金剛石薄膜的場電子發射
3.8.3 類金剛石（DLC）薄膜的場發射
3.8.4 其他寬頻隙材料薄膜的場發射
3.8.5 存在的問題
參考文獻

第4章 碳基薄膜材料
4.1 概述
4.2 碳的價鍵結構
4.2.1 碳的價鍵結構
4.2.2 碳的同素異構體
4.3 富勒烯薄膜材料
4.3.1 碳富勒烯的結構
4.3.2 C60富勒烯薄膜的表徵
4.3.3 C60富勒烯薄膜的製備
4.3.4 富勒烯的性質
4.3.5 C60富勒烯薄膜在有機電致發光器件中的應用
4.3.6 C60單電子管
4.4 碳納米管薄膜材料
4.4.1 碳納米管的結構
4.4.2 碳納米管的性質
4.4.3 碳納米管薄膜的製備方法
4.4.4 取向生長碳納米管薄膜的製備及場致電子發射特性
4.4.5 單壁碳納米管三極管
4.5 石墨烯薄膜材料
4.5.1 石墨烯的結構和性質
4.5.2 石墨烯薄膜的製備與表徵方法
4.5.3 氧化石墨還原法製備石墨烯薄膜
4.5.4 化學氣相沉積法製備石墨烯
4.5.5 功能化石墨烯的應用
4.5.6 石墨烯場效應管
參考文獻

第5章 硫系及其他多元化合物薄膜
5.1 概述
5.2 硫系化合物半導體
5.2.1 硫系化合物半導體材料的形成能力
5.2.2 硫系化合物材料的製備方法
5.2.3 硫系化合物摻雜的特點
5.2.4 硫系非晶態半導體的電學性質
5.2.5 硫系半導體的光致結構變化效應
5.3 薄膜靜電成像——複印鼓
5.3.1 靜電成像原理
5.3.2 靜電成像的基本過程
5.3.3 薄膜靜電成像的材料
5.3.4 影印機
5.4 納米Sn太陽能吸熱膜
5.4.1 太陽能吸熱膜的基本原理
5.4.2 納米Sn吸熱膜的製備方法和特性
參考文獻

第6章 薄膜太陽能電池材料
6.1 概述
6.2 aSi∶H太陽能電池
6.2.1 單晶太陽能電池與非晶矽太陽能電池的優缺點
6.2.2 aSi∶H太陽能電池的工作原理和參數
6.2.3 aSi∶H太陽能電池的結構和性能
6.2.4 aSi∶H太陽能電池的製造
6.2.5 提高aSi∶H太陽能電池效率和降低成本的一些措施
6.2.6 aSi∶H薄膜太陽能電池的研究進展
6.2.7 其他矽基薄膜太陽能電池
6.3 第ⅢA～ⅤA族化合物太陽能電池
6.3.1 第ⅢA～ⅤA族化合物材料
6.3.2 第ⅢA～ⅤA族化合物太陽能電池
6.3.3 第ⅢA～ⅤA族化合物太陽能電池的發展趨勢
6.4 聚光太陽能電池
6.4.1 聚光太陽能電池的優勢
6.4.2 多結太陽能電池在聚光光伏中的應用
6.4.3 聚光光伏系統的發展
6.5 CdTe太陽能電池
6.5.1 多晶薄膜CdTe太陽能電池的出現與發展
6.5.2 大面積多晶薄膜CdTe太陽能電池
6.5.3 CdTe太陽能電池的研究進展
6.6 銅銦硒（CIS）及銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池
6.6.1 CIS和CIGS薄膜太陽能電池
6.6.2 製備CIGS薄膜過程中的摻鎵技術
6.6.3 CIGS薄膜太陽能電池的研究進展
6.7 有機薄膜太陽能電池
6.7.1 有機小分子太陽能電池和聚合物太陽能電池
6.7.2 染料敏化太陽能電池
6.7.3 有機太陽能電池能量轉化效率（ηp）的研究
6.7.4 有機太陽能電池穩定性的研究
參考文獻

第7章 納米薄膜材料與可見光發射
7.1 概述
7.1.1 半導體納米材料的特殊性質及研究意義
7.1.2 半導體量子點
7.2 發光機理及Si發光面臨的問題
7.2.1 發光機理及發光類型
7.2.2 可見發光材料
7.2.3 人眼的視感度與LED的視感度
7.2.4 Si發光面臨的問題
7.3 Ge/Si超晶格和量子阱結構材料
7.3.1 Ge/Si超晶格
7.3.2 Si/Si-xGex超晶格
7.3.3 Si/SiO超晶格
7.4 Ge/SiO2、Si/SiO2納米膜發光
7.4.1 Ge納米發光膜的製備
7.4.2 Ge納米晶的發光特性
7.4.3 Ge納米晶發光機理
7.4.4 矽納米晶雷射器初現端倪
7.5 多孔矽發光
7.5.1 多孔矽的結構
7.5.2 多孔矽的光學性質
7.5.3 多孔矽的形成機理
7.5.4 多孔矽的製作及其鈍化
7.6 氮化鎵基薄膜材料發光
7.6.1 氮化鎵基材料的特點及其應用
7.6.2 氮化鎵基材料的製備
7.6.3 氮化鎵基器件
7.7 薄膜發光顯示器（第ⅡA～ⅥA族化合物）
7.7.1 薄膜電致發光顯示器件的製備方法及結構
7.7.2 薄膜電致發光的物理過程
7.7.3 薄膜電致發光材料
7.7.4 薄膜電致發光器件
7.8 矽中摻鉺的發光特性及機理
7.8.1 鉺在Si中的原子構型
7.8.2 鉺在Si中的電子態
7.8.3 摻鉺矽的發光機理
7.8.4 摻鉺矽發光管與Si積體電路的集成
7.9 ZnO量子點——半導體雷射器新材料
7.9.1 ZnSe基雷射器存在的問題
7.9.2 ZnO材料的基本特性
7.9.3 ZnO的外延生長
7.9.4 ZnO量子點的光學特性
參考文獻

第8章 介質薄膜材料
8.1 概述
8.2 電介質薄膜及應用
8.2.1 氧化物電介質薄膜的製備及應用
8.2.2 低介電常數含氟氧化矽薄膜
8.3 鐵電薄膜及應用
8.3.1 鐵電薄膜的結構製備和特性
8.3.2 鐵電薄膜的應用
8.4 壓電薄膜及應用
8.4.1 壓電薄膜的製造技術
8.4.2 壓電薄膜的壓電性能
8.4.3 壓電薄膜的應用
參考文獻

第9章 高溫超導薄膜材料
9.1 概述
9.2 高溫超導薄膜的製備
9.2.1 對制膜技術的要求
9.2.2 高溫超導薄膜的製備方法
9.2.3 阻擋層技術
9.3 高溫超導薄膜材料的結構和性質
9.3.1 高溫超導薄膜材料的結構
9.3.2 高溫超導薄膜材料的性質
9.4 高溫超導薄膜材料的應用
9.4.1 概述
9.4.2 高溫超導約瑟夫森結技術及其應用
9.4.3 高溫超導探測器的研究進展與應用前景
9.4.4 高溫超導薄膜無源器件及應用
參考文獻

第10章巨磁阻薄膜材料
10.1概述
10.2磁性多層膜的巨磁阻效應
10.2.1GMR效應的發現和簡單原理
10.2.2GMR及層間耦合的振盪現象
10.2.3GMR與多層膜結構的依賴關係
10.2.4GMR材料的應用
10.3顆粒膜的巨磁阻效應
10.3.1顆粒膜及其製備
10.3.2顆粒膜的巨磁電阻效應
10.3.3間斷膜和混合膜的巨磁電阻效應
10.4自旋閥多層膜的巨磁阻效應
10.4.1自旋閥多層結構和巨磁阻效應
10.4.2磁控濺射法製備自旋閥多層膜
10.5摻雜稀土錳氧化物的巨磁電阻效應
10.5.1摻雜稀土錳氧化物的巨磁電阻效應
10.5.2摻雜稀土錳氧化物材料的結構和早期的研究結果
10.5.3錳氧化物的巨磁電阻機制的研究
參考文獻2

第11章其他薄膜材料
11.1概述
11.2超晶格和量子阱薄膜材料
11.2.1超晶格概念的提出、發展及其意義
11.2.2不同類型的半導體超晶格材料及其主要特徵
11.2.3半導體超晶格材料的生長技術
11.2.4超晶格微結構材料的主要性能及應用
11.3有機電致發光薄膜
11.3.1有機電致發光的特點
11.3.2器件的結構和製備
11.3.3有機電致發光膜材料
11.3.4藍色有機電致發光
11.4透明導電膜及其在電子工業方面的應用
11.4.1透明導電膜的種類與特性
11.4.2透明導電膜的製備方法
11.4.3透明導電膜的用途
11.5窄帶隙紅外光導薄膜材料（HgCdTe）
11.5.1紅外探測器與HgCdTe
11.5.2HgCdTe薄膜材料的製備方法和特性
11.6變色薄膜材料
11.6.1電致變色膜
11.6.2光學變色膜
11.6.3熱致變色膜
11.7防偽技術和光學防偽膜
11.7.1防偽技術的現狀與薄膜防偽技術的發展
11.7.2光學防偽膜的基本原理
11.7.3整膜防偽膜的設計與工藝
11.7.4碎膜防偽技術要點
11.7.5防偽膜防偽效果的加強
參考文獻3

第12章薄膜製備的新技術和檢測手段
12.1概述
12.2濺射法
12.2.1基本原理
12.2.2射頻濺射
12.2.3磁控濺射
12.3微波電子迴旋共振化學氣相沉積法
12.3.1原理
12.3.2特點
12.3.3系統
12.4分子束外延法
12.4.1基本概念
12.4.2生長原理及方法
12.4.3生長特點
12.5金屬有機化學氣相沉積法
12.5.1原理
12.5.2制膜系統
12.5.3特點
12.6直流電弧等離子體噴射化學氣相澱積法
12.7溶膠凝膠法
12.7.1概述
12.7.2溶膠凝膠方法製備薄膜工藝
12.8電沉積法
12.8.1概述
12.8.2特點
12.9脈衝鐳射沉積法
12.9.1基本原理及物理過程
12.9.2特點
12.10觸媒化學氣相沉積法
12.11薄膜檢測手段
12.11.1薄膜厚度測量
12.11.2掃描電子顯微鏡分析
12.11.3原子力顯微鏡分析
12.11.4X射線衍射（XRD）分析
12.11.5傅裡葉變換紅外光譜分析
12.11.6鐳射拉曼光譜（Raman）分析
12.11.7X射線光電子能譜分析
12.11.8俄歇電子能譜分析
12.11.9二次離子質譜分析
12.11.1盧瑟福背散射分析
參考文獻3

21世紀是新材料的時代。能源、材料、資訊科學是新技術革命的先導和支柱。作為特殊形態材料的薄膜，已成為微電子學、光電子學、磁電子學、刀具超硬化、感測器、太陽能利用等新興交叉學科的材料基礎，並廣泛滲透到當代科技的各個領域，而且特殊功能、特殊用途的電子薄膜材料的開發本身就是材料高技術學科的重要組成部分。

《新型電子薄膜材料》第一版是2002年9月出版的，距今已近十年，隨著薄膜製備技術與分析手段的發展，編者受化學工業出版社之邀，在基本保持第一版原貌的基礎上，重新編寫了《新型電子薄膜材料》第二版。

太陽能電池材料和技術是新能源領域的重要研究課題，而“薄膜太陽能電池材料”作為太陽能電池的主要研究領域之一，近幾年來發展迅猛。在第二版中，“薄膜太陽能電池材料”作為單獨一章列出。本章將第一版中有關太陽能電池的內容集中在一起，並增加了第ⅢA～ⅤA族化合物太陽能電池、聚光太陽能電池和有機薄膜太陽能電池的內容，反映了有關薄膜太陽能電池材料和技術研究的最新成果。碳基薄膜材料，包括富勒烯薄膜、碳納米管薄膜和石墨烯薄膜，也是近年來光電子薄膜材料的主要研究熱點之一，應用前景廣闊。在第二版中，碳基薄膜材料為新增內容，也作為獨立的一章列出。由於增加了新的章節，原書的部分章節編號在第二版中做了變動。

本書所增加的內容，除了包括編著者自己近年來的研究成果和綜述文章外，還編入了當前有關薄膜材料科學與技術的前沿資料。本書第1章～第3章、第5章、第7章、第11章由陳光華編寫；第4章和第8章～第10章由鄧金祥編寫；第6章由陳光華、鄧金祥和崔敏編寫；第12章由宋雪梅編寫。研究生滿超、楊學良和陳亮為本書的編寫提供了幫助，特此表示感謝。

由於編者水準和時間有限，書中疏漏在所難免，懇請讀者批評指正。

編著者
2011年12月

能源、材料、資訊科學是新技術革命的先導和支柱。作為特殊形態材料的薄膜，已成為微電子學、光電子學、磁電子學、刀具超硬化、感測器、太陽能利用等新興交叉學科的材料基礎，並廣泛滲透到當代科技的各個領域，而且特殊功能、特殊用途的電子薄膜材料的開發本身就是高技術的重要組成部分。隨著電子薄膜科學與技術的迅速發展，各種新的成膜方法不斷湧現，特別是以等離子體反應法為代表的新技術得到開發，制膜品質也得到大大改善。傳統的所謂鍍膜，已從單一的真空蒸鍍發展到包括蒸鍍、離子鍍、濺射鍍膜、化學氣相沉積、PCVD、MOCVD、分子束外延、液相生長、微波法及MWECR法等在內的成膜技術；包括離子刻蝕、反應離子刻蝕、離子注入和離子束混合改性等在內的微細加工技術，以及薄膜沉積過程監測控制、薄膜檢測、薄膜應用在內的，內容十分豐富的電子薄膜技術，並正逐漸成為一門高新技術產業。

近年來，各國都投入了大量人力、物力、資金來研究材料的薄膜化。國際上有關真空技術、表面科學、薄膜、材料科學、應用物理、固體物理、電子技術等方面的專刊、論文、專題報告多不勝收、比比皆是。每年都要舉行多次國際會議，並為此專門出版了《Thin Solid Films》期刊。

電子薄膜技術與電子薄膜材料屬於邊緣學科，它的發展涉及幾乎所有前沿學科，而它的應用與推廣又滲透到各個學科以及應用技術的領域。至今，薄膜技術與薄膜材料已涉及電子、電腦、磁記錄、資訊、感測器、能源、機械、光學、航空、航太、核工業等各個部門。不同專業的科學工作者，不同行業的技術人員已經或正在打破學科的界限，開展薄膜技術與薄膜材料的研究開發工作。

在，電子薄膜行業已具有相當的規模。目前直接或間接從事薄膜科學與技術的工程技術人員、科技工作者人數很多，跨越機械、電子、能源、材料、資訊、航空航太等各個行業，而且這支隊伍正在迅速擴大。目前在許多高校都開設有“薄膜科學與技術”方面的課程，加強高水準人才的培養。在膜系開發、工藝研究、設備研製、檢測與機理研究等方面都取得了可喜的成績。相信在不遠的將來，中國將會成為薄膜科學與技術領域研究和開發的大國。

本書所編著的內容，是介紹當前各類固體薄膜科學與技術研究和發展的前沿資料，其中也包括國內學者和我們自己的研究成果和綜述文章。在編著中我們力圖做到：基本概念清楚和易於理解，盡可能反映當前的學科先進水準，簡明、系統地介紹各類電子薄膜的微觀結構，各種特性、製備方法和應用情況。

本書共分10章，主要內容如下。

① 新型半導體薄膜材料包括非晶態半導體多晶Si、微晶Si、太陽電池、薄膜電晶體和大面積液晶顯示器。

② 各種超硬和寬頻隙薄膜材料包括金剛石和類金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜、βC3N4薄膜、BCN膜及其他硬質薄膜。

③ 納米薄膜和可見光發射膜包括多孔Si、氮化鎵、矽中摻鉺、薄膜發光顯示器等。

④ 硫系及其他多元化合物薄膜包括硫系化物、CdTe和CuInSe2太陽能電池、靜電影印機。

⑤ 介質膜、高溫超導膜、巨磁阻薄膜。

⑥ 超晶格和量子阱膜、有機發光膜、透明導電膜、紅外膜、變色膜、防偽膜等。
⑦ 介紹多種制膜方法和檢測手段等。

本書可作為有關專業高年級大學生及研究生的教學參考書，對於從事電子薄膜研製、生產和使用的專業人員有重要參考價值。

本書第1～5章由陳光華編寫；第6～8章由鄧金祥編寫；第9章由陳鵬和陳光華編寫；第10章由宋雪梅編寫。

由於我們水準有限，本書中的錯誤和缺點在所難免，我們衷心希望得到讀者的指正。

陳光華
2002年3月