表面分析与薄膜表征

表面分析薄膜表征技术能够研究材料最外层的纳米至微米尺度结构,评估其成分、厚度、均匀性和结构完整性。此类分析可深入揭示材料的表面化学特性、涂层及层状结构,这些因素直接影响材料的性能、耐久性和功能性。

通过椭偏仪、拉曼光谱和光致发光(PL)光谱等技术,可实现对薄膜厚度与光学特性的无损测量,以及元素分析,满足质量控制与法规符合性要求。该分析在半导体、光伏、涂层、冶金及先进制造等领域不可或缺,因为这些领域中材料的表面与薄膜特性决定了其行为表现、效率和使用寿命。

表面与薄膜分析的关键应用有哪些?

通过实现对材料特性的精确控制和优化,表面与薄膜分析确保了众多行业的质量保证、创新与研究,例如:

  • 半导体与微电子 – 确保精确的层厚、成分和均匀性,例如在半导体制造中,或测量可能影响器件性能的表面不规则性。
     
  • 光伏与储能 – 表征透明导电薄膜、太阳能电池板吸收层或电池电极涂层,以及燃料电池膜的表面粗糙度、孔隙率和化学成分,以提高效率。
     
  • 冶金与腐蚀研究 – 分析氧化层和耐腐蚀涂层以评估耐久性,并研究层状金属结构中的元素分布。
     
  • 先进材料与纳米技术 – 测量微米和纳米级传感器与执行器的特性,分析纳米材料的结构与电子性能,用于石墨烯和二维材料的研究与工业应用。
     
  • 显示与光电子学 – 测量有机和无机层的厚度与成分,以提高 OLED 和 LED 薄膜、触控屏或其他透明导电层的效率。
     
  • 包装 – 分析薄阻隔层与表面涂层,用于评估氧气和水分阻隔效率、功能涂层的附着力,以及食品、药品和高科技包装中使用的多层薄膜的均匀性。

 

表面与薄膜分析研究哪些材料特性?

表面与薄膜分析聚焦于材料的最外层,这里是关键相互作用和功能行为发生的区域。分析特性包括:

结构与形态特性

重点研究薄膜的物理形状、几何特征及内部结构。

  • 形貌特征: 微观/纳米尺度的表面特征、粗糙度及三维轮廓。
     
  • 薄膜厚度: 控制光学、电学和机械性能的关键参数。
     
  • 应力/应变:可能导致材料翘曲、分层或失效的内部机械力。
     
  • 结晶度:结构有序程度;影响光学与电子特性。
     
  • 机械性能: 硬度、弹性、附着力及耐磨性。
     
  • 缺陷、污染物与质量控制: 检测和识别薄膜表面或内部的颗粒物,以及可能影响薄膜质量、均匀性和生产良率的结构异常。

光学与电子特性

涵盖材料与光和电的相互作用机制,这对功能材料和光电子材料至关重要。

  • 折射率: 决定薄膜中的反射、折射及光传播特性。
     
  • 带隙: 对半导体和光电器件(如太阳能电池、LED)的性能具有决定性影响。
     
  • 载流子浓度: 电荷载流子数量,是决定导电性和电子传输特性的关键参数。
     
  • 电学特性: 导电性、电阻率、介电行为等。
     
  • 磁学特性: 磁化强度、矫顽力等,适用于自旋电子学与存储器件。

化学与组分特性

描述决定材料稳定性、性能及相容性的元素与分子构成。

  • 化学成分: 薄膜或表面的元素组成。
     
  • 化学计量比: 精确的元素比例,对于钙钛矿或氧化物等功能材料至关重要。

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HORIBA 为表面和薄膜分析提供哪些解决方案?

HORIBA 解决方案在表面和薄膜分析领域具有独特贡献,并将其与支持性研究和工业应用相结合,以获得对材料性能的全面理解。

拉曼与光致发光光谱仪

拉曼光谱是表面与薄膜分析的有力工具,可对分子组成、结晶度及应变效应进行无损表征。通过检测分子振动模式和晶格结构,拉曼技术能够揭示薄膜均匀性、相纯度及应力分布等关键信息,这些特性对优化材料性能至关重要。

稳态和时间分辨光致发光(PL)光谱是研究薄膜光学与电学特性的关键方法。该技术可测量载流子寿命、缺陷态及能带结构,有助于评估材料质量与效率。在光电子器件、LED 开发及钙钛矿太阳能电池领域,该方法被广泛应用,通过优化发光特性与能量转换性能来提升器件可靠性与工作效率。

椭偏仪

椭偏仪是一种高灵敏度技术,能以纳米级精度测量薄膜的厚度、折射率和光学常数。由于其非接触且无损的特性,该技术被广泛应用于沉积过程监控、多层镀层分析以及材料光学行为评估。在半导体制造、显示技术和光学镀膜领域,这项技术发挥着关键作用,通过对薄膜特性的精确控制来提升产品性能与效率。

原子力显微镜-拉曼联用(AFM-Raman)解决方案

原子力显微镜-拉曼光谱(AFM-Raman) 技术将原子力显微镜(AFM)与拉曼光谱联用,可实现纳米级表面形貌成像与化学成分表征的同步分析。原子力显微镜可测量表面形貌、粗糙度及粘附力、弹性、硬度等力学性能,而拉曼光谱则提供互补的分子与结构信息。这种双重表征能力在薄膜涂层、半导体加工和生物材料领域尤为重要,因为理解纳米尺度下的物理与化学性质对于功能材料的质量控制和基础研究具有关键意义。

射频辉光放电光谱仪

与仅针对表面的分析技术不同,(辉光放电发射光谱法(GDOES)) 使研究人员能够分析埋藏界面、扩散剖面和多层涂层,这对于理解材料表面以下的成分至关重要。该技术广泛应用于半导体、冶金、腐蚀研究和先进涂层领域,在这些领域中,控制层厚度、成分和污染物对材料性能与耐久性具有决定性作用。

其他技术

  • X 射线荧光光谱(XRF) – 用于杂质检测和镀层厚度测量的无损元素分析技术,对半导体、光伏和冶金行业的质量控制与合规性至关重要。
     
  • 阴极发光(CL)光谱 – 可揭示薄膜中的光学缺陷与杂质,广泛应用于太阳能电池开发等工业领域。
     
  • 荧光光谱 – 用于分析表面涂层与带隙,在显示器和光伏领域具有重要价值。
     
  • 颗粒分析 – 检测并识别表面颗粒,对半导体制造等洁净室环境中的污染控制至关重要。
     
  • 元素分析 – 高灵敏度测量碳(C)、氧(O)、氮(N)、氢(H)和硫(S)等元素,对金属、陶瓷及电子材料的纯度控制至关重要。
LabRAM Odyssey Semiconductor
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Photoluminescence and Raman Wafer Imaging

UVISEL PLUS椭圆偏振光谱仪
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研究级经典型椭偏仪

SignatureSPM
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物理化学同步扫描探针显微镜

GD-Profiler 2™辉光放电光谱仪
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用辉光放电光谱仪去发现一个崭新的信息世界

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微区X射线荧光分析仪

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模块化科研级稳瞬态荧光光谱

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激光粒度分析仪

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穿透层层表象:利用拉曼光谱技术分析多层包装

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