纳米薄膜材料的制备.ppt

纳米薄膜材料的制备方法 2 纳米材料由于其特殊的性质 近年来引起人们极大的关注 随着纳米科技的发展 纳米材料的制备方法已日趋成熟 纳米技术对21世纪的信息技术 医学 环境 自动化技术及能源科学的发展有重要影响 对生产力的发展有重要作用 概述 按原理可分为 化学方法 1 化学气相沉积 CVD 2 溶胶 凝胶 Sol Gel 法 3 电沉积法等 物理方法 1 分子束外延法 2 磁控溅射法等 4 化学气相沉积法的原理化学气相沉积是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法 该方法是在一个加热的衬底上 通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程 它利用挥发性的金属化合物的蒸发 通过化学反应生成所需化合物在保护气体环境下快速冷凝 从而制备各类物质的纳米微粒 化学气相沉积法 5 化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀 纯度高 粒度小 分散性好 化学反应活性高 工艺可控和连续 可对整个基体进行沉积等优点 此外 化学气相沉积法因其制备工艺简单 设备投入少 操作方便 适于大规模生产而显示出它的工业应用前景 因此 化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径 化学气相沉积法缺点是衬底温度高 随着其它相关技术的发展 由此衍生出来的许多新技术 如金属有机化学缺陷相沉积 热丝化学气相沉积 等离子体辅助化学气相沉积 等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术 化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺 广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备 用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属 氧化物 氮化物 碳化合物 复合氧化物等膜材料 优缺点 6 溶胶 凝胶法原理溶胶 凝胶法是用易水解的金属化合物 无机盐或金属盐 在某种溶剂中形成均质溶液 溶质发生水解反应生成纳米级的粒子并形成溶胶 溶胶经蒸发干燥转变为凝胶 该法为低温反应过程 允许掺杂大剂量的无机物和有机物 再经干燥 烧结等后处理得到所需的材料 其基本反应有水解反应和聚合反应 溶胶 凝胶法 7 溶胶 凝胶法可在低温下制备纯度高 粒径分布均匀 化学活性高的单 多组份混合物 并可制备传统方法不能或难以制备的产物 溶胶 凝胶法制备的材料具有多孔状结构 表面积大 有利于在气敏 湿敏及催化方面的应用 可能会使气敏 湿敏特性和催化效率大大提高 这种方法得到的粉体均匀分布 分散性好 纯度高 且锻烧温度低 反应易控制 副反应少 工艺操作简单 但一般来说 这种方法所用原料成本较高 所制的膜致密性较差 易收缩 开裂 适用范围不够广泛 优缺点 8 分子束外延法原理分子束外延法是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术 在超高真空条件下 由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸汽 经小孔准直后形成的分子束或原子束 直接喷射到适当温度的单晶基片上 同时控制分子束对衬底扫描 就可使分子或原子按晶体排列一层层地生长在基片上形成薄膜 分子束外延法 9 分子束外延法的优点是 生长温度底 能把诸如扩散这类不希望出现的热激活过程减少到最低 生长速率慢 外延层厚度可以精确控制 生长表面或界面可以达到原子级光滑度 因而可以制备极薄的薄膜 超高真空下生长 与溅射方法相比更容易进行单晶薄膜生长 并为在确定条件下进行表面研究和外延生长机理的研究创造了条件 生长的薄膜能保持原来靶材的化学计量比 可以把分析测试设备 如反射式高能电子衍射仪 四极质谱仪等与生长系统相结合以实现薄膜生长的原位监测 缺点有衬底选择 掺杂技术以及其他辅助技术要求较高 激光器效率低 电能消耗较大 投资较大 由于分子束外延设备昂贵而且真空度要求很高 所以要获得超高真空以及避免蒸发器中的杂质污染需要大量的液氮 因而提高了日常维持的费用 目前 用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜 以及交替生长不同组分 不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料 优缺点 10 磁控溅射原理指电子在电场的作用下 在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞 使其电离产生出氩离子和新的电子 新电子飞向基片 氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶 并以高能量轰击靶表面 使靶材料发生溅射 在溅射粒子中 中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜 而产生的二次电子会受到电场和磁场作用 产生E B所指的方向漂移 简称E B漂移 其运动轨迹近似于一条摆线 磁控溅射法 11 磁控溅射法具有设备简单 成膜速率高 基片温度低 膜的粘附性好