二维纳米材料     DATE: 2019-08-05 19:36

  二维纳米材料_化学_自然科学_专业资料。第五章 二维纳米结构-纳米薄膜 第一节 纳米薄膜的分类 ? 纳米薄膜(nano-thin film) ? 定义:1) 由纳米晶粒构成的薄膜; 将纳米晶 粒嵌在某种薄膜中的复合膜;每层厚度在纳 米量

  第五章 二维纳米结构-纳米薄膜 第一节 纳米薄膜的分类 ? 纳米薄膜(nano-thin film) ? 定义:1) 由纳米晶粒构成的薄膜; 将纳米晶 粒嵌在某种薄膜中的复合膜;每层厚度在纳 米量级的单层或多层膜. ? 分类级别 ? 1) 按微结构分类. 含有纳米粒子;厚度为纳 米级 ? 2)按用途分类. 功能纳米薄膜,结构纳米薄膜 ? 3) 根据层数分类 单层或多层 第二节 纳米薄膜的制备方法 真空蒸发(单源单层蒸发、单源多层蒸发,多源反应共蒸发) 磁控溅射 物理方法 溅射 射频溅射(单靶反应溅射、多靶反应其溅射) 离子束溅射 分子束外延(MBE) 化学气相沉积 金属有机化学气相沉积 热解化学气相沉积 激光诱导化学气相沉积 等离子体增强化学气相沉积 化学方法 微波等离子体化学气相沉积 溶胶-凝胶法(Sol-gel) SA膜技术 电镀法 分子组装法 LB膜技术 一、物理法 1 真空蒸发镀膜 加热方式有:电阻加热,电子束加热,高频 加热 原理:经高温蒸发的原料蒸气在基体上成膜 电子束加热法装置原理图 真空蒸镀法的应用 ? 蒸镀法具有速度快的优点,可用于制备不 同功能的纳米膜,如导电膜,光学增透膜, 金属膜等。 ? 缺点:膜强度不高,控制合金成分有效率 低。 2、溅射镀膜 ? 原理:在真空室中,利用荷能粒子轰击靶 材表面,使被轰击出的粒子在基片表面成 膜。 ? 离子溅射产生原理:高能辐射离子轰击固 体,部分被轰击的原子克服表面能飞离固 体的现象 溅射产额与入射离子能量关系 贱射技术 ? ? ? ? ? 直流溅射技术 三极和四极溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 射频磁控溅射SiO2装置图 溅射镀膜技术的应用 ? 低温合成高温材料 SiC用CVD法温度为1330度,而用溅射法 只需500度。 ? 多层结构的连续合成 3 离子镀膜 ? 离子 镀是指在镀膜的同时,利用离子轰击 基体表面和膜层的镀膜技术,其目的是改 善膜层的性能。 ? 离子镀的分类: 1) 空心阴极离子镀 2) 多弧离子镀 3)离子束辅助沉积 4 分子束外延法 ? 原理:在超高真空下,使具有一定热能的 两种或两种以上的分子(原子)束喷射至被加 热的衬底上,在衬底表面进行反应,并生 成薄膜样品的过程。 二、化学法 1 化学气相沉积法(CVD) CVD的分类: CVD 流 封 低 中 高 低 常 通 闭 温 温 温 压 压 式 式 热 C V D 等 离 子 C V D 激 光 C V D 紫 冷 热 外 壁 壁 C 式 式 V D 无 机 物 C V D 金 属 有 机 物 C V D CVD的特点 ? 中温和高温下,通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固 体 ? 可以在常压或者低于常压下进行沉积 ? 采用特殊技术,沉积可以在更低温度下进行 ? 可以改变沉积层的化学成分,得到混合沉积层 ? 可以控制沉积层的密度与纯度 ? 绕镀性好,可在复杂形状的基体及颗粒材料上沉积 ? 气流条件通常是层流的,在基体表面形成厚的边界层 ? 沉积层通常具有柱状晶体结构,不耐弯曲,但通过其他技术可以改善。 ? 可以形成多种金属,合金,陶瓷和化合物的沉积层。 CVD的反应类型 热分解或高温分解反应 SiH4(g) Ni(CO)4(g) 还原反应 CH3SiCl3(g) SiCl4(g) + 2H2(g) WF6(g) 氧化反应 SiH4(g) + O2(g) 水解反应 2ALCl3(g) 复合反应 TiCl4(g) +CH4(g) AlCL3(g) + NH3(g) +3CO2(g) +3H2(g) Al2O3(s) + 6HCl(g) +3CO(g) SiO2(s) + 2H2(g) + 3H2(g) Si(s) + 2 H2(g) Ni(s) + 4CO(g) SiC(s) Si(g) W(S) + + + 3HCl(g) 4HCl(g) 6HF(g) TiC(s) + 4HCl(g) AlN(s) + 3HCl(g) CVD的原理 ? 以TiCl4 +CH4+H2反应 析出TIC为例 基片 H2 TiCl4 =Ti+HCl TIC层 CH4 =C+H2 CH4 废气 反应气体 TICl4+H2+CH4 H2 TiCl4 析出过程 ? 反应气体向基片表面扩散 ? 气体分子被吸附到基片或薄膜表面 ? 气体分子、原子在基片或薄膜表面发生化 学反应 ? 反应产物沉积在基片上形成薄膜,反应副 产物离开基体表面。 2. 溶胶-凝胶法(Sol-gel) 优点: 1) 工艺简单,便于推广 2) 温度底,不排斥易挥发原料 3) 制膜形状多样和基片材料选择性高 4) 有效控制薄膜的成分和结构 5) 用料省,成本降低 三、分子组装法 ? 分子组装技术:将具有一定功能的分子(包 括生物分子),在分子或超分子尺度范围内, 通过物理或化学的方法聚集成稳定的有序 体系的方法。 ? 分子组装技术 ? LB膜技术和分子自组装技术 LB膜技术 ? 由Langmuir-Blodgett首先发现。 ? 技术内容:将双亲分子在水面形成有序的 紧密单分子层膜,再利用端基的亲水、疏 水作用将单层膜转移至固体基片上。 ? LB膜的分类 ? X型,Z型和Y型 LB膜的制备方法 ? A. 垂直提拉法 ? B. 水平附着法 水平附着法优点 ? 单分子层排列整齐 ? 避免垂直提拉法所存在的流动变形问题 C. 亚相降低法 D 单分子层扫动法 第三节 纳米薄膜的性能 一 力学性能 a) 膜的硬度跟系统有关.有些比正常形态硬, 有些变软. b) 韧性. 多层膜会提高材料的韧性. c) 耐磨 bt365体育在线投注较少. 但如果合理地搭配材料可 大大提高材料的耐磨性 二 光学性能 a) 蓝移和宽化 b) 线性和非线性. 三 电磁学性能 a) 永久磁体潜在材料 b) 增国电导率. 如非晶Si膜 c) 改变巨磁电阻效应 d) 气敏特性,可充当气体反应催化剂 第四节 纳米薄膜的应用 ? 一 纳米光学薄膜 用于分解有机物,氧化室内有 ? ? ? ? ? ? 害气体. 吸收紫外线,保护眼睛. 增加光反射率,节 能 二 纳米耐磨损膜与纳米润滑膜 纳米磁性薄膜 用于读出磁头,磁敏传感器,磁敏开 关 纳米气敏薄膜 纳米渗透薄膜 纳米绝缘薄膜 纳米光电转换薄膜 制作分子电池 已用于瑞士的欧米茄表 CVD的反应系统 高 压 气 体 高 压 气 体 气 体 纯 化 装 置 流 量 调 节 测 定 器 原 料 的 蒸 发 和 升 华 器 气体 混合 反 应 炉 泵 废气 处理器


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