科普-中华学生百科全书-第506部分
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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�
