金属薄膜制备及物性测量系列实验

� 收稿日期: 2005- 10- 10 � 基金项目:国家工科物理基础课程教学基地项目;北京科技大学教研基金资助项目 � 作者简介:吴平( 1962� ) ,女,安徽望江人,北京科技大学物理系教授,博士生导师,博士, 主要从事功能薄膜材料、软物质研究以及物理实验 的教学与研究. 金属薄膜制备及物性测量系列实验 吴 � 平,邱 � 宏,黄筱玲 ,田 � 跃,赵雪丹,潘礼庆,王凤平,罗 � 胜 (北京科技大学 应用科学学院物理系,北京 � 100083) 摘要:介绍了由模拟真空实验和 金属薄膜的制备!、 金属薄膜厚度的测量!、 金属薄膜电阻率的测量! ,以及 金属薄膜生 长过程的动态监测!等 4 个实验组成的金属薄膜制备与物性测量系列实验. 这组实验与现代科学技术发展联系紧密, 仪器设备 可靠,操作简单, 适合于普通物理实验阶段的研究性教学. 关键词:金属薄膜; 普通物理实验;研究性教学 中图分类号: O 4- 33� � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 1000�0712(2006) ( 05)�0039�03 � � 普通物理实验是理、工科大学生进入大学后最 先接触的实践课, 是学生接受系统的实验方法和实 验技能训练的开端. 课程中所涉及的实验知识、实验 技能和实验方法是后继实践训练的基础, 也是学生 以后从事各项科学探索和工程实践的基础, 对学生 实践能力的培养和创新意识的形成起着至关重要的 作用.物理实验在培养创新性人才过程中所起的不 可替代的作用已经被越来越多的人所认识. 在普通 物理实验课程教学阶段, 如何从教学体系和课程内 容、教学模式和管理、教学环境以及考核方式等方 面,对学生进行科学研究的意识和思维方法的培养, 特别是如何在大面积教学上(面向数千名学生)实现 这样的目标,是一个非常需要研究和有意义的课题. 笔者在开发适合这个阶段的研究性实验项目和教学 内容方面作了一些探索, 开设出具有研究性实验教 学特点的金属薄膜制备及物性测量系列实验[ 1~ 3] . 该系列实验作为普通物理实验课程中具有研究性特 点的综合性实验,已经在北京科技大学理、工科各专 业大学生必修的 大学物理实验!课程中开设了 3 年,每年面向 2 500多名学生. 1 � 金属薄膜制备及物性测量系列实验 金属薄膜制备及物性测量系列实验由模拟真空 实验和 金属薄膜的制备!, 金属薄膜厚度的测量!, 金属薄膜电阻率的测量!,以及 金属薄膜生长过程 动态特性监测!等 4个实验组成,每个实验既可以独 立进行,也可以组成一个单元作为一个大的研究性 实验进行.笔者在教学实践中进行了研究性实验教 学的探索,并将计算机仿真实验与实物仪器设备实 验有机地结合起来. 金属薄膜制备及物性测量系列实验的第一部分 内容是模拟真空实验. 这个模拟真空实验可以作为 系列实验的预习.首先在计算机上做真空仿真实验. 通过仿真预习实验, 学生可以了解获得低真空的手 段,检测真空度的装置的结构、原理和使用方法, 真 空系统的基本操作规程, 抽气速率随抽气时间的变 化规律等,实验中提示学生注意观察所用真空系统 的极限真空,以及利用火花计观察辉光放电现象和 发生辉光放电现象的气压范围.经过仿真预习实验 的学习后, 以第一个实验 金属薄膜的制备!所用的 小型直流溅射镀膜仪作为一个实际真空系统, 让学 生通过实际的操作, 了解获得低真空的手段, 熟悉抽 真空的基本操作规程, 观察和测量系统真空度随抽 气时间的变化规律以及系统的极限真空等. 在第一个实验 金属薄膜的制备!实验中, 学生 将学会和掌握目前在科研和生产中最常用的一种薄 膜制备方法及其原理. 图 1是用直流溅射法制备金 属薄膜实验的仪器装置图.该装置的真空系统由一 个机械泵和一个玻璃罩真空室组成,玻璃罩与基座 和顶盖间用橡胶圈密封. 整个真空系统的安装简单 可靠,按下总电源开关就可以对系统抽真空, 整个真 空系统几乎不需要维护. 在 金属薄膜的制备!实验中,基本实验内容为 制备不同厚度的金薄膜以及制备测量金薄膜厚度所 用的台阶样品, 金薄膜的厚度通过控制溅射时间来 控制.当系统达到极限真空后,要对镀膜室充氩气准 第 25卷第 5 期 大 � 学 � 物 � 理 Vol. 25 No. 5 2006年 5 月 COLLEGE � PHYSICS May. 2006 图 1� 直流溅射法制备金属薄膜实验仪器装置 备进行溅射,这时可以提示学生把充氩后真空室的 压强与真空仿真实验中观察到的发生辉光放电现象 的气压范围联系起来.在实验过程中, 可以提示学生 注意观察辉光放电的颜色与溅射束流、氩气压强之 间的关系, 并指出影响薄膜沉积速率的主要因素,如 衬底与靶之间的距离、氩气压强、溅射电压、溅射电 流等等,引导学生 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,通过实验来研究每 一个因素对薄膜沉积速率的影响.由于镀膜室是透 明的,故可以很方便地观察到沉积过程中金薄膜的 颜色随厚度的变化. 在提示学生观察这一现象的同 时,还可以引导学生设计实验方案,利用单色仪来研 究不同厚度金薄膜的光谱透射特性. 第二个实验 金属薄膜厚度的测量!, 是用多光 束干涉法测量金薄膜的厚度,通过对上述实验中所 制备的台阶样品的测量, 得到一定溅射条件下的金 薄膜沉积速率, 进而由薄膜沉积时间得到前面实验 中所制备的各个金薄膜样品的厚度. 在这个实验过 程中,学生可以亲身体验用光学方法测量纳米级厚 度的整个过程. 实验中还可以引导学生对比有、无半 透膜时干涉条纹衬度的变化,并可利用小型镀膜机, 让学生自制不同厚度的半透膜,了解半透膜厚度对 条纹衬度的影响,找出最佳半透膜厚度. 第三个实验是 金属薄膜电阻率的测量!. 图 2 为实验仪器装置图. 这个实验的目的是让学生学习 掌握在科研和生产实践中被广泛应用的四探针法测 量金属薄膜电阻率的原理和方法,并通过测量不同 厚度的金属薄膜的电阻率,了解金属薄膜材料的尺 寸效应.通过这一实验,还可以使学生了解金属薄膜 材料的电学性质同常见的块体材料的电学性质之间 既存在着差别, 也存在着联系. 第四个实验为 金属薄膜生长过程的动态监 测!,图 3为实验装置图.薄膜生长模式大致可以分 为三种:岛状生长模式、层状生长模式和层状/岛状 图 2� 薄膜电阻率测量装置 的中间生长模式.在金属薄膜的生长过程中, 要经历 一个从生长初期的不连续状态向连续薄膜的转变, 因而金属薄膜的电阻要经历从较大到小的转变. 利 用金属薄膜电阻的这种变化,可以对金属薄膜的生 长过程进行动态监控.在这个实验中, 学生要自己设 计和制作掩模, 从而对微电子器件制作过程的掩模 的作用有一个直观地了解;另外,学生要自己设计用 于测量低电阻的四端接线所用的电极的布局, 因此 可以对用于低电阻测量的四端接线法有更深刻的理 解.图 4为一种引线电极掩膜, 图 5为用该电极掩模 制备的引线电极及四端接线图. 图 3� 金属薄膜生长过程的动态监测实验装置 图 4� 引线电极掩膜及引线电极制备 40��� 大 � 学 � 物 � 理 � � 第 25 卷 图 5� 引线电极及四端接线 2 � 教学效果 金属薄膜制备及物性测量系列实验已在我校 理、工科大学生必修的大学物理实验课中开设了 3 年,每年面向全校2 500多名学生,受到了学生、特别 是冶金、材料、自动化以及物理专业学生的欢迎, 常 有学生在做毕业论文期间和读研究生期间又回到物 理实验室,利用这个系列实验的装置和方法制作电 极、催化物薄膜,测量金属薄膜、高分子导电薄膜、半 导体薄膜的电阻率等.其中金属薄膜电阻率的测量、 金属薄膜的制备及薄膜电阻的动态监测实验项目已 于2004年通过了教育部科学技术成果鉴定, 薄膜生 长过程动态特性监测及电阻率测量装置获 2004年 教育部第三届全国高校物理实验教学仪器评比一等 奖,并有清华大学、北京师范大学、华中科技大学、山 东大 学、北 京工 业大 学等 多所 高校 引 入了 相关实验仪器装置和实验内容. 这组实验贴近当今 高新技术,将普通物理实验与现代科学技术发展紧 密联系起来,不但让学生学会和了解目前在科研、开 发、生产中使用的物理制备和测量方法,还能使学生 了解一些基本的物理现象,如:辉光放电、原子发光、 溅射现象、原子碰撞现象、气体分子散射现象、真空 知识、四端引线测量低电阻的原理和方法、等厚干涉 现象、欧姆定律等;并且使学生学习掌握了一些真空 装置、电压 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 、电流表、电流源、电压源、四探针、读数 显微镜、千分尺等实验仪器的使用方法. 实践表明, 该系列实验教学内容新颖、丰富, 物理图像清晰、直 观,与当今高新技术发展结合紧密,能引起学生的学 习兴趣.实验装置设计精巧、耐用, 测量结果可靠,维 护量极小, 操作简单,可使学生将更多精力放在实验 的物理方面.实验中贯穿的研究性思想和研究性题 目与大学一、二年级学生的实验技能和知识基础平 滑衔接,学生在做扩展和延伸内容时不觉得困难和 无从下手,较好地实现了我们培养学生研究意识和 科学研究思维方式的意图. 参考文献: [ 1] � 邱宏,吴平, 王凤平 ,等. 把 四探针测量金属薄膜电阻 率!引入普通物理实验[ J] . 大学物理, 2004, 23( 5) : 59. [ 2] � 吴平,邱宏, 孙续贵,等. 将科学研究的思维方式引进普 通物理实验教学[ J] . 实验技术与管理, 2003, 20(1) : 73. [ 3] � 梁栋,邱宏, 田跃,等. 用干涉方法测量薄膜的几何厚度 [ J] .物理实验, 2002, 22( sup) : 13. A group of experiments of metal film preparation and physical property measurement WU Ping, QIU Hong, HUANG Xiao�ling, TIAN Yue, ZHAO Xue�dan, PAN Li�qing, WANG Feng�ping, LUO Sheng ( Department of Physics, School of Applied Science, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract:A group of experiments of metal film preparation and physical property measurement, consisting of vacuum experiment , metal film preparation, film thickness measurement , film resist ivity measurement and film resistance dynamic measurement experiments, were developed to attempt rearch based teaching in the general physical experiment course. These experiments have close relationship with modern science and technology. The equipments are reliable and easy to be operated, suitable to rearch based teaching in the general physical experiment course. Key words:metal film; general physical experiment; rearch based teaching 第 5期 � � � � 吴 � 平等: 金属薄膜制备及物性测量系列实验 41���