科普-中华学生百科全书-第632章
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材料工程放异彩
现代显微测试技术的迅猛发展，使人们在观测材料的结构时，能从晶体
再细微到分辨出原子和电子，因而对材料所具有的独特的物理性质（电学、
光学、磁学、热学、能量转换等）能够不断地揭示，给人类提供了设计新材
料，改造、利用现有材料的依据。自然科学的进步和高新技术的旋风，为材
料工程增添了异彩，已经培育出现代材料科学的灿烂花朵。而且由于高科技
的涌现，人们已经制造出了许许多多性能奇妙的新材料，成为材料园地中的
佼佼者。用于材料工程上的技术繁多，有离子束、电子束、激光束、电解、
电镀、化学镀、高压力、快速冷凝等等，都在制备新材料方面做出了重大贡
献。
载能束巧夺天工
载能束指的是电子束、离子束、激光束。将这些具有高能的束流强行注
入材料内部，在材料的表层可以迅速加热到高温，也可以实现快速冷却，冷
却速度达每秒 1012摄氏度。这两种作用和载能束的本身都能对材料发挥奇特
的作用。载能束本身的离子作为掺杂物质，掺入材料表面，能改变材料表面
的成份。快速加热和快速冷却，会引起材料内部的结构变化，使原子重新组
合，新的化合物可由此产生。
1973 年，迪利那利发明了用离子注入的方法把晶体合金转变成非晶合金
（有关非晶合金的性质，在“繁星闪烁”一章中另行详述），这个方法是事
先选择要注入合金晶体的元素，然后，把这些元素放入放电管，在放电管两
端加上高电压，放电过程中使放入元素变成离子。这种放电管叫离子源所形
成的离子进入磁质量分析仪，通过分析仪选出所需能量的离子，在高电压的
电场下加速，使离子具有较高的能量（大约有几十万电子伏特），用这样的
离子束流去轰击金属或合金表面。当注入的离子大于金属总原子量的 10％
时，可以使被注入的金属表面形成一层非晶态膜。非晶态膜比晶态金属的硬
度要高几十至几百倍，这样就提高了材料的强度。
高剂量的离子注入晶态金属或合金，导致晶态金属的结构受到破坏，使
晶态表面产生极高的应力密度。因此，在这些非晶化的合金表面，得到高强
度、高硬度、高韧性的特性，其成份结构和原来材料截然不同。这叫做材料
的表面改性。
但是，并不是任意注入离子和被注入的金属合金进行任意组合都能使材
料表面非晶化。如果用被注入的合金的自身离子束注射，如铜离子注入金属
铜，就不能形成表面非晶化。近年来，用离子注入法已制造出的非晶化表面
的金属（合金）有：钨离子注入金属铜；钽离子注入金属铜；磷离子注入金
属镍；磷离子注入不锈钢；金离子注入铂金；铁离子注入镝金属；镍离子注
入镝等等。这些制造成功的金属，引起了人们的注意，有的已在工业生产中
获得有效应用。
离子注入技术可以通过束流的控制，实现金属表面的局部非晶化。使人
们能进行随意操作，使用巧妙自如。如采用大面积的扫描离子注入，就可以
获得人们梦寐以求的大面积金属表面非晶化的保护层，而且，在室温条件下
就可以实现。离子注入的前景是非常美妙的。
载能束改变材料表面的结构，可以大大提高材料的抗磨损性能。载能束
加热的金属，可以在改性材料表面上形成扩散层，增加材料的抗磨、抗腐蚀
的性能。如将铝蒸气扩散到钢上，铝的扩散层对钢起着很好的防护作用。1978
年，英国哈威尔原子能中心的研究者 N·E·W 哈特勒公布了用氮离子注入能
提高钢的抗磨能力，大大激起了人们的兴趣。目前，用氮离子注入人工髋关
节材料钒铝钛（TiAL6V4）进行表面改性，已发现其耐磨性能提高到原来的 1000
倍，效果特别奇妙。激光表面处理在工业上已获得广泛应用，如对邮票打孔
机的滚筒经激光处理之后，把一个滚筒原先只能打印 150 万张的记录提高到
1500 万张，就是一个成功的例子。
载能束的表面改性技术，从精细工艺、精致图案到较大的面积，可以无
所不包地解决表面改性问题，其效果被人们称颂不已，真可谓巧夺天上。
制膜术交响曲
当人们漫步在高科技的商品市场时，会惊奇地看到许多小巧美观、令人
爱不释手的电子整机，如袖珍型电视机、盒式录相机、微型计算机等等。这
些产品之所以小巧玲珑，是由于微电子技术的迅速发展。微电子技术已进入
制作超大规模集成电路及其微组装阶段。在微组装中使用多层布线板、各种
微型片式元件（包括各种集成电路）和表面安装技术（即纳米技术）。若剖
析这些奇异的电子整机，不难发现，它们的各部分所用的材料基本上是薄膜，
可见功能薄膜是微电子技术的基础。在高科技蓬勃发展的今天，向材料科学
提出了特殊要求，其中之一就是要求提供性能极为稳定的控制和测量元件。
宇航和生物医学要求的微型元件，特殊功能的高性能微元件，太阳能电池等，
都要求制作出纯度很高，厚度是几百 到几个微米的膜质优良、厚度均匀的
功能膜。在高科技发展的大潮中，各种各样功能膜的制备，汇成了美妙的制
膜技术交响曲。
在制膜技术中，膜料也可按成分、结构、性能、用途和制备方法分类。
按成分，现有的薄膜有元素金属膜、合金薄膜、元素半导体薄膜、化合物半
导体薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜、高分子薄膜、混合物薄膜等。按组织
结构则分为单晶薄膜、多晶薄膜和非晶薄膜。在实用上广泛采用按用途分类，
如电子薄膜、光学薄膜、机械薄膜、装璜薄膜等。电子薄膜中又分为超导电
薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导电薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、保护薄膜、
铁电薄膜、磁性薄膜等。其他还有性能特殊的压电薄膜、热电薄膜、光电薄
膜、电光薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。有不少薄膜具有两种或多种优良性
能，它们可以有几种用途。
展望微电子工程，从单晶硅片到晶体三极、二极管及传感器等，都需要
建立高级的严密的制膜技术。要想在 1／1000 毫米到 3／100 毫米厚的单晶硅层
上掺入磷或锑以变成一个半导体层，必须经过一系列制膜技术制成器件，需
要按不同要求镀上膜，并在上面划出几百甚至是上千个彼此孤立的分区，这
些分区都有截然不同的特性和功能，每个区域就是不同的器件，它们都承担
一种结构元件的功能。可见，薄膜技术十分重要，而技术要求又是十分苛刻
的。
制膜技术有两大类，那就是用物理方法和化学方法。要制出膜质优良、
性能稳定的功能薄膜，常用物理方法加工，用这种方法制膜都要在真空抽机
（机械泵和油扩散泵）抽成的高真空容器中进行。目前，用化学方法制膜在
膜质上还达不到要求，所以多采用物理方法，首先将要制造功能薄膜的原料
（块状或片状）进行加热蒸发，形成原子蒸气，然后让它在要使用的衬底上
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�
