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第639部分

中华学生百科全书-第639部分

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冷凝、沉淀(衬底可用晶片、玻璃、金属片)。要使功能膜成膜均匀,具有
一定的机械强度,必须精确控制真空容器中的气氛和成膜时给衬底加热的温
度。改变气氛和温度,可以制备出各种不同类型、不同质量、具有特殊功能
的薄膜。根据成膜的原理和蒸发源不同,按其特点可分为:电阻加热、电子
束加热、激光束加热、高频电流加热、高压直流(磁控)溅射、13.56 兆赫
频率源的射频溅射、离子束溅射等。目前,经过改进已使用于制备半导体制
膜的最完备的设备称为分子束外延设备。
制膜技术非常奇妙而丰富地制造出许多功能膜。1975 年,斯皮尔等人用
硅烷直流辉光放电分解沉积制成非晶态硅薄膜。自它问世以来,这种薄膜已
作为一种新能源材料,开辟了广阔的前景。以往太阳能电池主要用硅、铁化
镉(CdFe)和砷化镓(GaAs)的晶体,生产晶体的工序比较复杂,材料损耗
很多,价格昂贵。用非晶硅薄膜作成太阳电池吸收太阳能量比晶体硅多 10
倍,而电池工作区最佳厚度为 0.5~0.7μm(微米),(1/1000 毫米),为
单晶硅电池厚度的 1/500,而且在各种各样的衬底上容易成膜,如玻璃、不
锈钢、陶瓷、塑料薄膜等。它们的面积可以大于 30×30cm2(平方厘米),
而且有利于发展成为多种材料的迭层式太阳能电池,大大地提高太阳能的转
换效率。非晶硅薄膜还用于集成电路,制作成极灵敏的传感器元件,组成控
制和检测的仪器。如用非晶态硅一氢合金膜制成的光电图像传感器,可获得
非常清晰的图像。
非晶态硒薄膜,是静电复印材料,具有可作成大面积、膜质优良、长期
使用不发生结构变化、抗震、耐磨等优点,已获得广泛应用。
运用制膜技术,可以制备出许多具有独特的电学、光学、热学、声学等
性能的铁电薄膜,可望它与半导体硅和砷化镓组合在光电子学、集成光学、
微电子学等高技术领域中有广泛的应用,因而引起了国际科技界、产业界、
军事界以及政府部门的极大关注。因为铁电薄膜可制成随机存取存贮器,具
有永久存贮的能力,断电时也能保持存贮信息,其读写周期短,抗辐射损伤
能力强,存贮器体积小,适合于计算机对高速度、高密度和永久存贮的要求。
美国卡利沙力公司和日本 NEC 公司已先后推出了 16K 和 64K 的 FRAM 器件。科
学家们预测 1995 年 FRAM 将在国际存贮器市场中占 48%。
早在公元前,人们已发现了金刚石。本世纪 80 年代在制膜技术获得重大
突破之后,金刚石制膜技术获得了完满的成功。早在 1704 年,牛顿首先提出
了金刚石是碳的一种结构形态的假设,1797 年,这个假想获得了实验上的证
实。后来,用天然的或高压合成的金刚石颗粒制成了整流二极管、光探测器、
发光管。1982 年,在天然的金刚石上成功制作成双极型晶体管、横辐射探测
器,用于温度 2~1000K 的范围内对电阻变化反应非常灵敏的热敏传感器。这
样,科技界、产业界对于金刚石薄膜作为半导体材料应用于电子器件上寄托
了极大的希望,金刚石薄膜可能会成为新一代的半导体材料。
制膜技术,还可以做成像彩虹那样,使每层薄膜之间没有明显分界面的
功能膜,这种材料叫梯度材料。它们各层之间,成份组成和性能(弹性、导
热性、热胀性等)也是渐渐变化的。1989 年,这种梯度材料已经走出了实验
室,投入了应用,已取得明显效益。飞机上采用梯度功能材料是应用的一个

重要方面。另外,用于医学,如假牙的制作,它可以改变假牙的结构,可作
成一截坚硬、耐磨、耐腐蚀,而另一截则与牙床结合成非常吻合的结构。这
样,用梯度材料做成的假牙质量优良,且使用舒适,非常令人满意。
制膜技术还可以制备两种不同材料薄层(几个纳米至几十纳米厚)交替
生长出多层结构,这就是通常所谓的超晶格(在半导体上又称量子阱)。其
最典型的超晶格结构是砷化镓/砷化铝镓这种结构可以作为性质优良的半导
体器件。近年来,人们还制备出非晶态半导体的超晶格结构。金属超晶格和
磁性元素/非磁性元素超晶体,以及稀土金属超晶格等。人们可以利用超晶格
的电性、磁性制出各种具有特性的功能器件。如钯/钴超晶格,可以成为磁光
可擦写存贮或磁泡存贮器件。
在制膜技术中,新功能膜在高科技园地犹如百花争艳,正在不断展示出
它们的丰姿。

定向生长的晶体

晶体结晶的过程,是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导
致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态,在一
个个有规律排列的晶粒的边界上,在结晶过程中,杂质就会挤入晶粒之间,
而且产生杂质富集,这些杂质在低温时,会使晶体畸弯,有时对金属整体有
一定的强化作用。但在高温下,晶界部分首先熔化。在外力作用下,这种杂
质晶界首先使晶粒间相对运动,晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这
样,人们就很容易想到,要提高金属的强度,就要消除晶粒间的晶界,生长
成单晶体,实现这种设想的技术称为晶体的定向生长。
控制晶体定向生长,是一种极其复杂的很难掌握的技术。70 年代,工程
技术人员想通过铸型的水冷底板来控制高温金属融熔体的冷却速度,期望能
制成一种特殊的飞机叶片。这种叶片上的晶粒要沿着主要受力的方向排列(工
程上称为沿主应力方向排列),这种飞机叶片,在最容易破裂的方向上消除
了晶界,形成了条状的晶柱,人们称为柱晶合金。和原来的合金相比,柱晶
合金的高温强度及热疲劳强度都有显著提高。这种加工方法后来发展成生产
单晶合金工艺。在柱晶生长晶路上增设一条弯的通道,只让一条晶柱通过,
并经过严密控制冷却条件,就可制备一个具有完整晶粒的构件。在这种构件
上,横向、纵向均无任何界面,或者说接近于没有缺陷。
定向单晶合金比普通多晶合金的工作温度可提高 80℃~100℃。在同样
高的工作温度下,单晶合金做成的构件的工作寿命比普通多晶合金的构件要
长 7 倍以上。
单晶合金已开发了近百种,成为各种工程构件。美国的波音系列客机、
欧洲的空中公共汽车系列客机、美国的战斗机、预警机和轰炸机都使用了单
晶合金。美国航天飞机的主发动机,由于选用单晶合金而赢得“安全”之美
名。我国的单晶合金生产工艺已在国内开花结果,进入了高技术的各个领域。

太空生长晶体

“敢上九天揽月,敢下五洋捉鳖”,这过去是一种神话,人类用这句话
来表达改造自然的决心。然而这类神话却吸引了一批科学的探索者,为实现

这种神话而献身。他们企盼着能在失重和高洁净的太空随心所欲地产生各种
性能优良的材料,特别是单晶材料。科学家们在 1983 年 12 月发射的宇宙飞
船空间实验室 1 号中,进行了制备单晶的实验,把在地球上生长单晶体的设
备和方法,搬上太空实验室并制造出半导体硅和半导体锑化镓晶体,从而在
人类的科学技术发展史上,写下了太空生长晶体的光辉一页。
在太空实验室里生长晶体,仍旧是采用地球上的硅单晶“区熔法”的生
长设备。其具体作法是:在一个密封炉体内,使用两个作为加热源的卤光灯,
聚焦于双椭圆炉体的共焦点上,形成一个熔区,熔区因加热炉移动而移动。
单晶硅的生长是用一定形状的多晶硅棒作原料,在氩气氛保护下通过掺硼工
序逐步完成的。宇航员通过程序控制装置自动调节卤光灯的功率。生长硅单
晶时,卤光灯功率是 200~800 瓦特,晶体在生长过程中以 8 转/分的速度旋
转。随着炉体的移动,晶体以 5 毫米/分的速度慢慢生长,这次实验的生长时
间定为 21 分钟。
单晶硅和锑化镓,在太空生长,记录了世界材料制备步入太空的光辉一
页,是人类步入太空进行科学实验的重要记载。而且,其数据完整,步骤清
楚。当进行结果分析时,人们惊奇地发现,太空生长晶体所呈现出的“生长
条纹”与地球上生长晶体的条纹有明显的不同。科学家们从这些科学记录中
提出了一系列的新概念和新理论。
太空生长晶体的成功,给人类在宇宙生产设备的研制和生产产品的设计
方面提供了可能和重要依据,人类开发宇宙和移民太空已不是遥远的事情
了。

21 世纪的突破

全球经济腾飞的洪流,势不可挡,汹涌澎湃,冲击着科学、技术、产业、
文化的经络,展示出未来 21 世纪的宏伟蓝图。材料仍然是 21 世纪经济发展
的柱石,科学家们已经预言:非晶态如繁星密布;高温超导将掀起第四次技
术革命;纳米将是 21 世纪的材料新单元;高分子将功盖全球。这一切将汇成
21 世纪的最强音,人类的文明将进入新纪元。

繁星闪烁

非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物
质,按组成物质的原子模型,分为两大类:一类为“有序结构”的晶态物质,
它的原子占据着布拉菲点阵上的顶点,而每个晶胞则呈有规律的周期性排
列。另一类是气体、液体和某些固体(非晶固体)则称为“无序结构”。气
体相当于物质的稀释态,液体和非晶态固体相当于物质的凝聚态。液体分子
就像口袋里装着的小弹子,一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态也
可获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体一样,以同样的紧密程度,
一个紧挨着一个无序堆积(杂乱无章地堆积)。所不同的是在液体中,分子
很容易流动。而在稠密的糊状物中,分子滑动则变得很困难。非晶固体中的
分子则不能滑动,具有固有的形状和很大的刚硬性,被称为“凝结的液体”。
“非晶态”的概念在人们的头脑里是相对于“晶态”而言的。金属和很
多固体,它们的结构状态是按一定的几何图形、有规则地周期排列而成,就
是我们曾定义的“有序结构”。而在非晶态材料的结构中,它只有在一定的
大小范围内,原子才形成一定的几何图形排列,近邻的原子间距、键长才具
有一定的规律性。例如非晶合金,在 15~20 范围内,它们的原子排列成四
面体的结构,每个原子就占据了四面体的棱柱的交点上。但是,在大于 20
的范围内,原子成为各种无规则的堆积,不能形成有规则的几何图形排列。
因此,这类材料具有独特的物理、化学性能,有些非晶合金的某些性能要比
晶态更为优异。
在人类发展史上,非晶态物质如树脂、矿物胶脂等,早在几千年前的远
古时代,已被人类的祖先所利用。在我国,玻璃制造至少已有 2000 年的历史。
近半个世纪以来,人们几乎全部致力于理想的晶态物质及其超高纯度高均匀
方面的研究,而忽略了非晶态物质的开发。
20 世纪 30 年代,克拉默尔用气相沉积法获得了第一个非晶态合金。50
年代中期,科洛密兹等人,首先发现了非晶

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