《纳米薄膜》课件.ppt

第五章纳米薄膜， 纳米薄膜：具有纳米级厚度和特殊性能的薄膜纳米粒子薄膜：由纳米粒子堆积或自组装形成或嵌入聚合物中的薄膜纳米晶薄膜：由纳米级晶相形成的薄膜纳米多层薄膜：以纳米薄膜为基本结构单元有序叠加形成的薄膜调制波长：多层薄膜“超晶格”薄膜中相邻两层金属或合金的厚度之和：当调制波长大于或等于每层薄膜单晶晶格常数的数倍时薄膜，不同纳米结构薄膜的结构比较，纳米结构薄膜，纳米颗粒薄膜，纳米晶体薄膜，纳米多层薄膜，基底，纳米颗粒，纳米(晶体)相，纳米薄膜，5.1纳米薄膜的性能和应用，5.1.1机械性能，超高硬度，TiC/Fe(8nm/6nm)多层薄膜，维氏硬度42GPa(TiC硬度29GPa)，然而，TiC/聚四氟乙烯：8GPa， 纳米多层膜的硬度值与调制波长之间的关系大致遵循霍尔-佩奇公式：具有良好力学性能的薄膜材料一般由硬相(如陶瓷材料)和韧相(如金属材料)组成，而多层膜、TiC/铜、TiC/AlN多层膜的调制波长，在传统的多层结构材料(如钢化玻璃)中发生增韧，其增韧机理是裂纹尖端钝化、裂纹分叉、层拔出和沿界面的界面开裂等。 纳米材料也存在类似的增韧机制。影响纳米多层膜韧性的因素：组分材料的相对含量和调制波长。当韧性相(金属)含量较低时，韧性随着韧性相含量的增加而增加，但当韧性相含量增加到一定程度时，韧性会降低。例如，TiC/Fe，TiC/Al，TiC/W，耐磨性，铜/镍多层膜的调制波长越小，其磨损临界载荷越大，5.1.1机械性能，5.1.2磁性能，-Fe/Ne2F 4B永磁体-纳米双相交换耦合多层膜，当软磁相或硬磁相的厚度达到一定临界值时，永磁膜的成核场在1988年达到最大值，巴黎大学物理系的Fert教授， 法国发现铁/铬多层膜具有巨磁电阻效应(材料的电阻率随材料磁化状态的变化而显著变化)Ni80Fe20/铜纳米多层膜，NiFe膜厚度为3纳米，铜膜厚度为0.4 4纳米，铜膜厚度为巨磁电阻效应的正态分布，最大值在1纳米，5.1.3光学性质， 激子吸收峰的膜厚效应：当每层多层膜的厚度等于或小于激子玻尔半径(B)时，在光照射下吸收光谱中会出现激子吸收峰。 例如，如果对于InGaAlAs/InGaAlas多层膜改变InGaAlas膜的厚度，则可以容易地观察到激子吸收峰值光的反射膜厚度效应。当满足薄膜的光学厚度时，即薄膜涂覆前后反射率不变，该薄膜层称为“无影响薄膜层”。当膜的光学厚度满足时，该膜称为a/4膜。这时，当12时，反射率降低。因此，涂覆折射率比衬底低的薄膜有助于降低反射率。特别是当满足条件时，r/4=0，并且达到零反射率。这部电影叫做/2电影。此时，应用：制备抗反射涂料、珠光颜料等。光学性质为5.1.3，制备方法为5.2，真空镀膜方法为5.2.1，P-托，d-分子直径，1托=1毫微克=1333帕，真空度为1Pa=5.67厘米，发现于19世纪，镜子是在1877年通过金属溅射制备的，在真空中在固体表面(基底)上沉积一层金属、半导体或介电膜的过程通常称为真空镀膜的基本要求。来自蒸发源的蒸汽分子或原子与待涂覆基底之间的距离小于涂覆室中残留气体分子的平均自由程()。真空热蒸发、电阻加热电子束加热、高频感应加热、激光加热、真空离子镀：靶和衬底是两个不同的电极，在一定的真空度下，当氩被充入时，部分靶材料由于气体离子轰击而电离成离子，形成与传统镀膜相比，真空离子膜具有与基底附着力强、不易脱落、膜质量好、硬度高、耐磨、真空磁控阴极溅射等优点：在阴极上施加550伏负高压后，当真空度达到一定程度(1-10-1 pa)时会产生辉光放电等离子体。引入真空室的溅射气体分解成带正电的离子和电子。带正电的气体离子被阴极表面吸附并撞击目标，导致目标表面发射出原子，然后这些原子沉积在物体表面。5.2.1真空镀膜法，5.2.2溶胶-凝胶法，首先用金属无机盐或金属醇盐在一定溶剂中通过缓慢水解法制备胶体溶液，然后通过浸涂法或旋涂法在基材上形成薄膜。膜的厚度可以通过多种涂覆工艺来控制，从而容易产生微裂纹。5.2.3LB膜，单分子膜技术，朗缪尔在20世纪20年代首次实现了单分子膜向固体基底的转移。十年后，布洛杰特实现了多层薄膜的连续转移。水-空气界面上的不溶性成膜材料分子紧密有序地排列形成单分子膜，然后转移到固体基质上。应用：光学器件，敏感(红外敏感，气敏)器件，分子器件，光致变色(热致，电致变色)LB膜，三阶段：5.2.3LB膜，在液体表面形成单层。首先，成膜物质溶解在不溶于水的有机分子如苯和氯仿中，然后滴到水面上展开。物质分子被吸附在水蒸气界面上。溶剂挥发后，通过活动挡板减少每个分子所占的面积，在一定的表面压力下，所有分子形成一个成对排列的单分子层，密集填充在亚相表面。当固体基质以一定速度降低时，一个单层转移到基质上。5.2.3LB薄膜法，类型X:当衬底插入水面时发生薄膜沉积。它的结构特征是所有的分子都在一个方向上排列，亲水基团在基质的外面。Y型：在这种LB膜中，分子膜沉积在每次进入或离开水面时形成膜的基底上。其结构特征是亲水端与亲水端相连，亲油端与亲油端相连，形成多层分子膜。Z型：当基质被插入水面时，分子的亲水基团面向基质。它的结构特征与x型相同。所有分子都在一个方向上排列，但表面活性剂的方向与x型相反。其他LB膜也分为混合LB膜、交替LB膜、聚合物LB膜和非均相重叠LB膜。5.2.4电化学沉积法，制备金属薄膜的主要材料：电解质和氯化铜已经扩展到其他无机非金属材料，而有机溶剂被用作源材料，如金刚石和氮化碳薄膜。5.2.5分子束外延沉积薄膜的基本原理：在超高真空条件下，从昆森蒸发器蒸发的分子束或原子束直接沉积在衬底表面，在真空室中没有碰撞，并沿着原始衬底的晶格方向生长。用这种方法获得的薄膜晶体质量很高。同时，分子束外延设备上配备了许多先进的表征设备，可以用来实时表征和监测薄膜的生长。分子束外延是最先进的薄膜制备方法之一。它特别适用于制备三-五，二-六化合物半导体超晶格纳米材料，5.2.6其他方法，化学气相沉积(化学气相沉积)，等离子体辅助气相沉积(化学气相沉积)，物理气相沉积(PVD)，逐层自组装(LBL)，挥发诱导自组装(EISA)，含硅类金刚石碳纳米涂层，参考： Thinsolidlms 434(2003)4954， 等离子体增强化学气相沉积法制备的具有硅氧结构的类金刚石碳纳米涂层(由非晶硅氧和非晶碳氢互穿网络组成)含硅类金刚石碳纳米涂层的热稳定性增强适用于高温环境的涂层，层层自组装纳米薄膜(层基层)，在低应力下具有良好的摩擦行为，这是由高应力下的质子交换膜决定的， 上述组装涂层法可用于研究不同纳米粒子对摩擦行为的影响规律，(2)(PAH 2.5/PAA 2.5)1/(PAH 2.5/MWNT 2.5)5x，(1)PAH/PAA(PEMs)-银纳米粒子纳米组装涂层在不同应力下具有最佳的摩擦行为，即摩擦系数小、磨损小，参考文献： Journalofappliedpolymersity聚合度，92(1)336 P256-260，有机-无机复合材料的连续自组装，硬度