薄膜是一層厚度在納米到幾微米范圍內的材料。許多行業利用不同的沉積方法來制造薄膜。薄膜在我們的日常生活中得到了廣泛的應用，例如每個家庭都用金屬涂層玻璃作為鏡子。Vac-Coat作為真空涂層系統的制造商和設計者，使用物**相沉積（PVD）方法，如濺射、熱蒸發和脈沖激光沉積（PLD），來創建不同類型的真空涂層系統。

薄膜在固體上的沉積有助于改善其表面性能。通過這種方式，在塊體材料上形成薄膜用于在塊體表面上獲得所需的機械、電氣或光學行為，從而在表面上實現更高的導電性、耐腐蝕性、反射性或硬度等特殊特征。

圖1：薄膜厚度范圍

在基材上沉積薄膜有幾個階段，包括吸附、表面擴散和成核，每個階段都取決于材料和基材的性質、沉積方法和參數。吸附質和基材表面之間的相互作用決定了薄膜的生長模式和結構。 

圖2：薄膜沉積工藝

有許多沉積方法可以在具有無數結構的各種基板上創建不同材料的薄膜。這些方法分為兩大類：化學方法和物理方法。 

在化學沉積中，前驅體流體在基材上的反應導致固體上形成薄層。電鍍、溶膠-凝膠、浸涂、旋涂、化學氣相沉積（CVD）、等離子體增強CVD（PECVD）和原子層沉積（ALD）是流行的化學沉積方法。

薄膜的物理沉積主要是通過在低壓環境中沉積材料的蒸汽來實現的，因此稱為物**相沉積（PVD）。PVD方法具有良好的精度和均勻性，受到了高度重視。濺射、熱蒸發、碳涂層、電子束蒸發、分子束外延（MBE）和脈沖激光沉積（PLD）等各種技術是眾所周知的物**相沉積方法。

與塊狀材料相比，它們具有不同的光學、電學和機械性能。以下是對這些功能的簡要描述。

薄膜的電性能取決于薄膜材料（金屬、半導體或絕緣體）和基板。然而，影響電導率的主要因素之一是尺寸效應。與塊體材料相比，薄膜內的電荷載流子具有更短的平均自由程，這與更多的散射點（如結構缺陷和晶界）相結合，導致電導率降低。 

材料的光學性質由其折射率和消光系數等光學系數決定。這些參數受到材料電導率的影響，因此，由于前一節的內容，薄膜的光學性質與結構缺陷和特征有關，如空隙、局部缺陷和氧化物鍵。在薄膜的情況下，透射和反射系數高度依賴于薄膜的粗糙度和厚度。

圖3：Si 襯底上的SiO₂薄膜顏色隨薄膜厚度的變化而變化

薄膜的力學性能取決于薄膜的厚度和微觀結構，與塊狀薄膜相比，表現出不同的行為。在沉積過程中和之后，薄膜中儲存的應力，特別是在物**相沉積方法中，提高了其屈服強度和硬度等力學性能。薄膜中存在晶粒邊界、摻雜劑和位錯等微觀結構，導致其硬度高于塊體對應物。 

薄膜的元素組成可以通過盧瑟福背散射光譜（RBS）等離子散射技術或X射線光電子能譜（XPS）等光譜技術進行研究。 

晶體結構和微觀結構可以通過各種方法進行表征，如X射線衍射（XRD）和拉曼光譜。薄膜形態主要通過場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）進行研究。

薄膜厚度可以在沉積過程中和沉積后通過各種技術進行測量，如石英晶體微天平（QCM）傳感器、橢圓偏振、輪廓測量和干涉測量。

上個世紀許多行業的進步是由于薄膜及其沉積方法的發展。這些行業包括半導體電子、磁記錄介質、集成電路、LED、光學涂層（如抗反射涂層）、硬質涂層，以保護工具、制藥、醫藥和許多其他行業。

它們在各個領域有多種應用；此外，它們在研究和開發具有獨特和特殊性質的材料方面發揮著重要作用，例如使研究量子現象成為可能的超晶格。此外，它們非常重要，因為它們區分了材料表面與其本體的性質和反應，并且它們具有可用于各種應用的廣泛性質。 

用于制造反射涂層、抗反射涂層、太陽能電池、顯示器、波導和光學探測器陣列。

用于制造絕緣體、導體、半導體器件、集成電路和壓電驅動器。

通常用于制造存儲磁盤。

它們用于抵抗合金化、擴散、腐蝕和氧化，以及制造氣體和液體傳感器。

摩擦學涂層，可防止磨損，提高硬度和附著力，并利用微觀機械性能。

它們用于創建隔熱層和散熱器。

此外，它們在工業和研究中有許多應用，包括裝飾涂料、生物傳感器、等離子體器件、光伏電池、電池和聲波諧振器。

圖4：薄膜應用

自 20世紀 70年代以來，薄膜技術得到了飛速發展，無論在學術上還是實際應用中都取得了可喜的成果。薄膜技術、薄膜材料和表面科學的相互結合推動了薄膜產品的全方位發展。隨著科學技術的發展，各種特殊用途對薄膜技術和薄膜材料提出了各種各樣的要求，是機遇也是挑戰。

主要參考文章：

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6.Winkler, Adolf. “Initial stages of organic film growth characterized by thermal desorption spectroscopy.” Surface science 643 (2016): 124-137.

7.Acosta, Edwin. “Thin films/properties and applications.” Thin Films. IntechOpen, 2021.

8.https://www.soapbubble.dk/en/articles/thin-film-interference