纳米科技概论PPT学习教案

1、会计学1 纳米科技概论纳米科技概论 纳米薄膜的制备源于经典的方法又加以改 进，是典型的Top down（由上到下）的方法， 具体方法很多，这里仅介绍最基本的几种。 纳米薄膜的制备 （一）溶胶-凝胶法 （二）真空蒸发法 （三）磁控溅射法 （四）分子束外延镀膜法 返回 第1页/共23页 原理：将成膜物质溶于某种有机溶剂，成为溶 胶镀液，采用浸渍或离心甩胶等方法涂敷于基 体表面形成胶体膜，然后脱水而凝结为纳米薄 膜。 溶胶-凝胶法 例如：纳米Cu膜的制备 将硝酸铜Cu（NO3）23H2O和正硅酸乙脂与 乙醇混合形成溶胶，用玻璃（SiO2）衬板浸入 溶胶后进行提拉（提拉速度10-1mm/s），再在 1

2、00温度下干燥成膜，经过450650氢气中 还原处理100分钟左右，就可以获得纳米Cu膜。 第2页/共23页 优缺点： 溶胶-凝胶法 v 采用溶胶-凝胶法制备薄膜具有多组分均匀 混合，成分易控制、成膜均匀、成本低、易于 工业化生产的优点； v 但不是所有的薄膜材料都能很容易制成溶 胶，又很容易找到衬板材料； v 细心完成溶胶制备是本法的重要因素。 返回 第3页/共23页 原理：使待成 膜的物质蒸发 气化，在真空 中使气化的原 子或分子在蒸 发源与基片之 间飞行，达到 基片后在基片 表面积淀。 真空蒸发法 返回 第4页/共23页 磁控溅射是溅射镀膜中的一种，所谓溅射是 指荷能粒子轰击固体表面（靶

3、），使固体原子（ 或分子）从表面射出，射出的粒子大多呈原子态 ，称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是 电子、离子或中性粒子，因为离子可以在电场下 易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作 轰击粒子，该粒子又称入射离子。所以溅射镀膜 又称离子溅射镀膜。 磁控溅射法 第5页/共23页 为了克服成 膜速度低的缺点 ，人们设计了磁 控溅射镀膜，在 溅射靶与基片之 间引入了正交电 磁场，使气体分 子被电离的速率 提高了10倍，达 到了真空蒸发法 的成膜速率。 磁控溅射法 返回 第6页/共23页 它是在超高真空条件下 ，将薄膜的诸组分元素 的分子束流，直接喷到 衬底（半导体材料的单 晶片）表面上，沿

4、着单 晶片的结晶轴方向生长 成一层结晶结构完整的 新的单晶层薄膜。 分子束外延镀膜法 分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。 返回 第7页/共23页 纳米薄膜的应用磁性薄膜 纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息 存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁 电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。 巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改 变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变 化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻 ；若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。 巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元 件、磁敏传感器等方面有很大的应用潜力。 第8页/共23页 纳米磁性颗粒膜

5、是由强磁性的纳米颗粒嵌埋 于与之不相溶的另一相基质之中生成的复合材料 体系，兼具超细颗粒和多层膜的双重特性。通常 采用共蒸发和共溅射等技术制备薄膜。 纳米磁性颗粒膜还存在巨霍尔效应。帕克霍 姆夫等人在Ni-SiO2颗粒膜中发现高达200cm的 饱和Hall电阻率，比普通非磁金属的正常Hall效 应高106倍，比磁性金属中的反常Hall效应大4个 数量级以上。 纳米薄膜的应用磁性薄膜 第9页/共23页 v 纳米硅膜是典型的纳米光学薄膜，它是一种 硅晶态的纳米薄膜，当Si晶粒的平均直径小于 3.5nm时，具有很强紫外光致发光性能。 v GaAs半导体颗粒膜和CdSxSe1-x/玻璃颗粒膜都 具有光

6、吸收带蓝移和吸收带的宽化现象。 v 半导体铟镓砷（InGaAs）和InAlAs构成的多层 膜。通过控制膜的厚度可以改变它的光学线性和 非线性，造成其在吸收谱上出现峰值。 纳米薄膜的应用纳米光学薄膜 第10页/共23页 原理：利用其在吸附某种气体之后引起物理参 数的变化来探测气体。 纳米薄膜的应用纳米气敏膜 v 纳米气敏膜具有比普通膜更好的气敏性、选 择性和稳定性。 v SnO2纳米颗粒气敏膜是当前研究的热点。 第11页/共23页 纳滤膜是一种新型分离膜，采用纳米材料 发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组 分混合物，适宜于分离相对分子质量在200以上 的溶解组分，介于超滤膜和反渗透膜之间。膜

7、 在渗透过程中截留率大于95%的最小分子大小约 为1nm，因此称为“纳滤”。 纳米薄膜的应用纳滤膜 纳滤膜技术因其独特的性能，使得它在许 多领域具有其他膜技术无法替代的地位，它的 出现不仅完善了膜分离过程，而且大有替代某 些传统分离方法的趋势。 第12页/共23页 主要是指在微机电系统（或称纳米机械）表 面的LB膜和改性LB膜润滑，以及SAMS薄膜润滑。 纳米薄膜的应用纳米润滑膜 v SAMS薄膜是指带有反应活性基因的长链单分 子，通过化学键吸附在基底表面形成的有序的单 层或多层分子膜。 v 在微马达中，用SAMS薄膜润滑可以减小启动 摩擦和静摩擦，显著降低磨损； v SAMS的稳定性好，在各

8、种含氧，不含氧的环 境条件下，热稳定温度能达到400。 返回 第13页/共23页 LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔布罗杰 特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳 米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的 重视。 LB膜技术及其应用 第14页/共23页 v 超薄且厚度可准确控制，因此这种纳米薄膜 可满足现代电子学器件（纳电子器件）和光学 器件的尺寸要求。 LB膜的特点 v 膜中分子排列高度有序且各向异性，使之 可根据需要设计，便于实现分子水平上的组装 。 v 制膜条件温和，操作简便。 第15页/共23页 能形成LB膜的材料，大都是表面活性分子，即 两亲分子。若两亲分子

9、材料两者平衡，即称为“ 两亲媒性平衡”，该材料就会吸附于水-气界面。 LB膜的制备 如果把两亲媒性平衡的物质溶于苯、二氯甲 烷等挥发性溶剂中，并把该溶液分布于水面上， 待溶剂挥发后，就留下了垂直站立在水面上的定 向单分子膜，这种在水面上的单分子，上端呈亲 油性（疏水性），下端呈亲水性。 第16页/共23页 将一个亲水性（ 或亲油性）固体表面 垂直而缓慢地插入浮 有单分子层的水中， 将该固体表面垂直上 提时，浮着的单分子 膜就会附着在表面上 ，随沉积过程不同， 所形成的膜的结构分 X、Y、Z三型。 LB膜的制备 第17页/共23页 如果这个固 体基片反复进 出水面，可形 成多层膜（最 多可达到5

10、00层 ），一个分子 的纵向长度为 2-3nm，因此单 分子层的厚度 亦为2-3nm。 LB膜的制备 第18页/共23页 （1）功能化、器件化的LB膜 将具有特殊光 、电、磁、热等性质的过渡金属配合物，组装 到LB膜中将产生具有预期分子排列的功能纳米 薄膜。 LB膜的应用 v 平整、致密和均匀的LB膜还是集成光学， 超晶格薄膜晶体管的活性膜和各种MIS器件的 绝缘膜。 v LB膜可做为电子显微镜的复型膜和光刻技术 中的光蚀膜。 第19页/共23页 （2）LB膜具有极好的生物相溶性，并能把功能分 子固定在既定的位置上，因而LB膜可用作生物细胞 的简化模型，以供对生物生理作用的研究。 LB膜的应用

11、 v 绿色叶绿素可在气/水界面形成稳定的单分子 膜，并组装为LB膜，成为光合作用膜的基础。 v 类胡萝卜素亦是光合作用的色素，它吸收不 被叶绿素吸收的光波，生成生物膜的补充光受体 ，在分子电学中，由于-胡萝卜素含有一不饱 和碳链，这个碳链在一定的多层LB膜集合体中可 以作分子导线。 第20页/共23页 （3）LB膜润滑 LB膜技术被认为是一种能够建构高级分子 系统的潜在技术，但是普通脂肪酸和磷脂材料 制备的LB膜性能不好，因此在微型机械的润滑 上采用改良的LB膜。 LB膜的应用 v 在LB膜分子中引入无机分子制成混合LB膜 ，摩擦系数低，抗磨损性能好。 v 采用外电场改变表面电荷及表面电势，可降 低LB膜的摩擦系数，增加抗磨寿命。 返回 第21页/共