二維納米材料

1、第五章第五章 二維納米結(jié)構(gòu)二維納米結(jié)構(gòu)-納米薄膜納米薄膜第一節(jié)第一節(jié) 納米薄膜的分類納米薄膜的分類 納米薄膜納米薄膜(nano-thin film) 定義定義:1) 由納米晶粒構(gòu)成的薄膜由納米晶粒構(gòu)成的薄膜; 將納米晶將納米晶粒嵌在某種薄膜中的復(fù)合膜粒嵌在某種薄膜中的復(fù)合膜;每層厚度在納每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜米量級(jí)的單層或多層膜. 分類級(jí)別分類級(jí)別 1) 按微結(jié)構(gòu)分類按微結(jié)構(gòu)分類. 含有納米粒子含有納米粒子;厚度為納厚度為納米級(jí)米級(jí) 2)按用途分類按用途分類. 功能納米薄膜功能納米薄膜,結(jié)構(gòu)納米薄膜結(jié)構(gòu)納米薄膜 3) 根據(jù)層數(shù)分類根據(jù)層數(shù)分類 單層或多層單層或多層第二節(jié)第二節(jié) 納米薄

2、膜的制備方法納米薄膜的制備方法物理方法真空蒸發(fā)(單源單層蒸發(fā)、單源多層蒸發(fā)，多源反應(yīng)共蒸發(fā))濺射磁控濺射射頻濺射(單靶反應(yīng)濺射、多靶反應(yīng)其濺射)離子束濺射分子束外延(MBE)化學(xué)方法化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積熱解化學(xué)氣相沉積激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積微波等離子體化學(xué)氣相沉積溶膠-凝膠法(Sol-gel)電鍍法分子組裝法SA膜技術(shù)LB膜技術(shù)一、物理法一、物理法1 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 加熱方式有：電阻加熱，電子束加熱，高頻加熱方式有：電阻加熱，電子束加熱，高頻加熱加熱原理：經(jīng)高溫蒸發(fā)的原料蒸氣在基體上成膜原理：經(jīng)高溫蒸發(fā)的原料蒸氣在基體上成膜電子束加熱法裝置原理圖電子

3、束加熱法裝置原理圖真空蒸鍍法的應(yīng)用真空蒸鍍法的應(yīng)用 蒸鍍法具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，可用于制備不蒸鍍法具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，可用于制備不同功能的納米膜，如導(dǎo)電膜，光學(xué)增透膜，同功能的納米膜，如導(dǎo)電膜，光學(xué)增透膜，金屬膜等。金屬膜等。 缺點(diǎn)：膜強(qiáng)度不高，控制合金成分有效率缺點(diǎn)：膜強(qiáng)度不高，控制合金成分有效率低。低。2、濺射鍍膜、濺射鍍膜 原理：在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶原理：在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，使被轟擊出的粒子在基片表面成材表面，使被轟擊出的粒子在基片表面成膜。膜。 離子濺射產(chǎn)生原理：高能輻射離子轟擊固離子濺射產(chǎn)生原理：高能輻射離子轟擊固體，部分被轟擊的原子克服表面能飛離固體，部分被轟

4、擊的原子克服表面能飛離固體的現(xiàn)象體的現(xiàn)象濺射產(chǎn)額與入射離子能量關(guān)系濺射產(chǎn)額與入射離子能量關(guān)系賤射技術(shù)賤射技術(shù) 直流濺射技術(shù)直流濺射技術(shù) 三極和四極濺射三極和四極濺射 射頻濺射射頻濺射 磁控濺射磁控濺射 離子束濺射離子束濺射射頻磁控濺射射頻磁控濺射SiO2裝置圖裝置圖濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用 低溫合成高溫材料低溫合成高溫材料 SiC用用CVD法溫度為法溫度為1330度，而用濺射法度，而用濺射法只需只需500度。度。 多層結(jié)構(gòu)的連續(xù)合成多層結(jié)構(gòu)的連續(xù)合成3 離子鍍膜離子鍍膜 離子離子 鍍是指在鍍膜的同時(shí)，利用離子轟擊鍍是指在鍍膜的同時(shí)，利用離子轟擊基體表面和膜層的鍍膜技術(shù)，其目的是改基

5、體表面和膜層的鍍膜技術(shù)，其目的是改善膜層的性能。善膜層的性能。 離子鍍的分類：離子鍍的分類：1) 空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍2) 多弧離子鍍多弧離子鍍3)離子束輔助沉積離子束輔助沉積4 分子束外延法分子束外延法 原理：在超高真空下，使具有一定熱能的原理：在超高真空下，使具有一定熱能的兩種或兩種以上的分子兩種或兩種以上的分子(原子原子)束噴射至被加束噴射至被加熱的襯底上，在襯底表面進(jìn)行反應(yīng)，并生熱的襯底上，在襯底表面進(jìn)行反應(yīng)，并生成薄膜樣品的過程。成薄膜樣品的過程。二、化學(xué)法二、化學(xué)法1 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(CVD) CVD的分類的分類:CVD流 封通 閉式 式低 中溫 溫 高溫低

6、常壓 壓 熱CVD等離子CVD激光CVD紫外CVD冷壁式熱壁式無機(jī)物CVD金屬有機(jī)物CVDCVD的特點(diǎn)的特點(diǎn)中溫和高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學(xué)反應(yīng)而沉積固中溫和高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學(xué)反應(yīng)而沉積固體體可以在常壓或者低于常壓下進(jìn)行沉積可以在常壓或者低于常壓下進(jìn)行沉積采用特殊技術(shù)，沉積可以在更低溫度下進(jìn)行采用特殊技術(shù)，沉積可以在更低溫度下進(jìn)行可以改變沉積層的化學(xué)成分，得到混合沉積層可以改變沉積層的化學(xué)成分，得到混合沉積層可以控制沉積層的密度與純度可以控制沉積層的密度與純度繞鍍性好，可在復(fù)雜形狀的基體及顆粒材料上沉積繞鍍性好，可在復(fù)雜形狀的基體及顆粒材料上沉積氣流條件

7、通常是層流的，在基體表面形成厚的邊界層氣流條件通常是層流的，在基體表面形成厚的邊界層沉積層通常具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，不耐彎曲，但通過其他技術(shù)可以改善。沉積層通常具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，不耐彎曲，但通過其他技術(shù)可以改善?？梢孕纬啥喾N金屬，合金，陶瓷和化合物的沉積層?？梢孕纬啥喾N金屬，合金，陶瓷和化合物的沉積層。CVD的反應(yīng)類型的反應(yīng)類型熱分解或高溫分解反應(yīng)SiH4(g)Si(s) + 2 H2(g)Ni(CO)4(g)Ni(s) + 4CO(g)CH3SiCl3(g)SiC(s) + 3HCl(g)還原反應(yīng)SiCl4(g) + 2H2(g)Si(g) + 4HCl(g)WF6(g) + 3H2(g) W(

8、S)+ 6HF(g)氧化反應(yīng)SiH4(g) + O2(g) SiO2(s) + 2H2(g)水解反應(yīng)2ALCl3(g) +3CO2(g) +3H2(g)Al2O3(s)+ 6HCl(g) +3CO(g)復(fù)合反應(yīng)TiCl4(g) +CH4(g) TiC(s) +4HCl(g)AlCL3(g) + NH3(g) AlN(s) + 3HCl(g)CVD的原理的原理 以以TiCl4 +CH4+H2反應(yīng)反應(yīng)析出析出TIC為例為例基片TIC層反應(yīng)氣體TICl4+H2+CH4H2TiCl4H2TiCl4=Ti+HClCH4CH4=C+H2廢氣析出過程析出過程 反應(yīng)氣體向基片表面擴(kuò)散反應(yīng)氣體向基片表面擴(kuò)散 氣

9、體分子被吸附到基片或薄膜表面氣體分子被吸附到基片或薄膜表面 氣體分子、原子在基片或薄膜表面發(fā)生化氣體分子、原子在基片或薄膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基片上形成薄膜，反應(yīng)副反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基片上形成薄膜，反應(yīng)副產(chǎn)物離開基體表面。產(chǎn)物離開基體表面。2. 溶膠溶膠-凝膠法凝膠法(Sol-gel)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單,便于推廣便于推廣溫度底溫度底,不排斥易揮發(fā)原料不排斥易揮發(fā)原料制膜形狀多樣和基片材料選擇性高制膜形狀多樣和基片材料選擇性高有效控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)有效控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)用料省用料省,成本降低成本降低三、分子組裝法三、分子組裝法 分子組裝技術(shù)：將具有一定功能的分子分子組裝

10、技術(shù)：將具有一定功能的分子(包包括生物分子括生物分子)，在分子或超分子尺度范圍內(nèi)，在分子或超分子尺度范圍內(nèi)，通過物理或化學(xué)的方法聚集成穩(wěn)定的有序通過物理或化學(xué)的方法聚集成穩(wěn)定的有序體系的方法。體系的方法。 分子組裝技術(shù)分子組裝技術(shù) LB膜技術(shù)和分子自組裝技術(shù)膜技術(shù)和分子自組裝技術(shù)LB膜技術(shù)膜技術(shù) 由由Langmuir-Blodgett首先發(fā)現(xiàn)。首先發(fā)現(xiàn)。 技術(shù)內(nèi)容：將雙親分子在水面形成有序的技術(shù)內(nèi)容：將雙親分子在水面形成有序的緊密單分子層膜，再利用端基的親水、疏緊密單分子層膜，再利用端基的親水、疏水作用將單層膜轉(zhuǎn)移至固體基片上。水作用將單層膜轉(zhuǎn)移至固體基片上。 LB膜的分類膜的分類 X型，型，

11、Z型和型和Y型型LB膜的制備方法膜的制備方法 A. 垂直提拉法垂直提拉法 B. 水平附著法水平附著法 單分子層排列整齊單分子層排列整齊 避免垂直提拉法所存在的流動(dòng)變形問題避免垂直提拉法所存在的流動(dòng)變形問題水平附著法優(yōu)點(diǎn)水平附著法優(yōu)點(diǎn)C. 亞相降低法亞相降低法D 單分子層掃動(dòng)法單分子層掃動(dòng)法第三節(jié)第三節(jié) 納米薄膜的性能納米薄膜的性能一一 力學(xué)性能力學(xué)性能膜的硬度跟系統(tǒng)有關(guān)膜的硬度跟系統(tǒng)有關(guān).有些比正常形態(tài)硬有些比正常形態(tài)硬,有些變軟有些變軟.韌性韌性. 多層膜會(huì)提高材料的韌性多層膜會(huì)提高材料的韌性.a) 耐磨耐磨 研究較少研究較少. 但如果合理地搭配材料可但如果合理地搭配材料可大大提高材料的耐磨性大大提高材料的耐磨性二二 光學(xué)性能光學(xué)性能藍(lán)移和寬化藍(lán)移和寬化線性和非線性線性和非線性.三三 電磁學(xué)性能電磁學(xué)性能永久磁體潛在材料永久磁體潛在材料增國電導(dǎo)率增國電導(dǎo)率. 如非晶如非晶Si膜膜改變巨磁電阻效應(yīng)改變巨磁電阻效應(yīng)a) 氣敏特性氣敏特性,可充當(dāng)氣體反應(yīng)催化劑可充當(dāng)氣體反應(yīng)催化劑第四節(jié)第四節(jié) 納米薄膜的應(yīng)用納米薄膜的應(yīng)用 一一 納米光學(xué)薄膜納米光學(xué)薄膜 用于分解有機(jī)物用于分解有機(jī)物,氧化室內(nèi)有氧化室內(nèi)有害氣體害氣體. 吸收紫外線吸收紫外線,保護(hù)眼睛保護(hù)眼睛. 增加光反射率增加光反射率,節(jié)節(jié)能能 二二 納米耐磨損膜與納米潤(rùn)滑膜納米耐磨損膜與納米潤(rùn)滑膜 納米磁