【《纳米绝缘薄膜概述》3200字】

纳米绝缘薄膜概述目录TOC\o"1-3"\h\u10244纳米绝缘薄膜概述 1199681.1纳米薄膜发展历程 133961.2纳米薄膜的分类 1318711.3纳米薄膜的功能性能 296411.4常用的薄膜制备方法 330181.5常用的薄膜表征手段 5纳米薄膜是指尺寸在nm量级的颗粒（晶粒）构成的薄膜或者厚在nm量级的薄膜，它兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性。纳米薄膜能够通过减少振动，降低噪声，减小摩擦，延长寿命来改善一些材料表面的性能。这些薄膜在很多领域作为耐磨、耐腐蚀涂层及其它功能涂层获得重要应用。1.1纳米薄膜发展历程早在1000多年以前，我国古代就曾用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑，可能是最早的纳米颗粒材料，还有铜镜表面的防锈层，经验证是一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识地开展纳米材料的研究大约始于20世纪50年代，西德的一位科学家观察到BaTi基中的扳性微区，尺寸在10-100nm之间。同时，西德的另一位科学家H.Gleiter对纳米固体的制备、结构及性能等有了进一步的研究。随着技术水平的提高，人们逐步研制出纳米碳管、纳米晶体、纳米薄膜等新型材料。上世纪80年代后期，人们利用粒径为1-15nm的超微颗粒制造了纳米级固体材料，这种材料因有着特殊的功能性能而发展迅速。步入21世纪，由于各种工业领域对于元件微型化、高集成、精密化等要求越来越高，纳米材料的研究与创新使得纳米薄膜领域也蓬勃发展。1.2纳米薄膜的分类按薄膜的用途划分：纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。按薄膜沉积的层数划分：纳米单层（颗粒）薄膜和纳米多层薄膜。按薄膜的组分划分：有机纳米薄膜和无机纳米薄膜。按薄膜的致密度划分：纳米颗粒膜和致密膜。按薄膜的实际应用划分：纳米光学薄膜、纳米耐磨损与纳米润滑膜、纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜、纳米滤膜等。1.3纳米薄膜的功能性能原子及分子的相互作用在纳米尺度范围内强烈地影响物质的宏观性质,使得物质的力学、电磁学、光学等特性发生剧烈变化。当晶粒小到纳米尺度时,由于位错滑移而受到边界的限制，宏观表现出晶体的硬度会比本体材料高出很多[]，这类薄膜局域显著的晶界效应、尺寸效应和量子效应，具有独特的光学、力学、电磁学与气敏特性，在高密度磁性记录材料、超导材料、光电子材料、光学器件等领域表现出广泛的应用前景[]`[]。光学性能：（1）吸收光谱的“蓝移”和宽化。由于薄膜具有晶界效应、量子效应以及小尺寸效应。当膜厚减小时，薄膜能隙增大，出现吸收光谱的蓝移与宽化现象。（2）吸收光谱的“红移”。另一些薄膜[]中，由于晶粒尺寸减小，内应力增加，其电子波函数出现重叠现象，在能级间出现附加能级，使得吸收光谱发生“红移”现象；（3）光学非线性。光学非线性是在强光场的作用下，介质的磁化强度中会出现与外加电磁场的二次、三次以致高次方成比例的项，这就导致了光学非线性的出现。纳米材料的小尺寸效应、宏观量子尺寸效应、量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因。力学性能：（1）硬度。位错塞积理论认为，材料的硬度与微结构的特征尺寸有关，对于纳米薄膜来说，特征尺寸为膜的厚度[]。特征尺寸越小，薄膜具有更高的硬度；（2）耐磨性。对于多层纳米膜来说，其调制波长越小，磨损临界载荷就越大，抗磨损力就越强；（3）韧性。电磁学特性：（1）电学性能。纳米薄膜的电学特性主要与薄膜的厚度和粒径有关，当减小至nm量级时，导电性会发生显著变化，甚至丧失原本的电学性能；（2）磁学性能。纳米薄膜的磁学性能主要来自磁性各向异性，具有垂直磁化的特性；（3）巨磁电阻性能。巨磁电阻效应是纳米磁性薄膜的电阻率受材料磁化状态的变化而显著变化的现象。它与磁性颗粒的直径成反比，但有一个出现前提是颗粒尺寸及其间距要小于电子平均自由程。气敏特性：纳米薄膜的气敏特性是借助于较大的比表面积或大量表面微观活性中心产生的。所以，根据不同的气敏特性可以制作出相应的气敏传感器。1.4常用的薄膜制备方法为了制得具有某种特性或功能的纳米薄膜，人们发明蒸发沉积法、电化学沉积法、化学气相沉积、溅射沉积、溶胶-凝胶法、分子与原子束外延法、分子自组装等的诸多方法[]。其中，薄膜沉积的物理方法主要分为物理气相沉积技术（PVD）和外延技术，其中蒸发、溅射、离子镀是三类基本PVD方法，而外延技术可分为分子束外延、液相外延和热壁外延。真空蒸发沉积法真空蒸发沉积法是应用较为普遍的方法之一，它有两个关键问题，即真空度（保证粒子以直线运动并具有分子流特征，防止蒸发物质和空气分子发生反应混入薄膜形成杂质，影响薄膜质量[]）和相对于蒸发源的基片距离。其主要的工作原理是在10−4−10−6T图2.1电阻加热蒸发沉积装置分子束外延法（MBE）分子束外延法最主要的特点是能精密地控制粒子束流量和沉积条件，是一种用途较广泛的技术，可用于外延生长金属、半导体与绝缘薄膜等。其主要的工作原理是在超高真空条件10−10−10−11Torr下，通过加热束源，把加热气化产生的分子束喷射到基片上进行外延生长。超高真空的沉积过程中，不需要考虑中间化学反应和质量传输的影响，并且溅射溅射是1852年被Grove发现的一种物理现象。固体或液体在一定温度下受到高能离子轰击时，其中的原子会与高能入射离子的碰撞过程中获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射出原子的方式称为溅射。在上世纪二十年代，溅射才发展成一种薄膜沉积技术。溅射法镀膜是指带有电荷的离子在电场中加速后，入射到靶材上与靶原子发生碰撞，把部分动量传递给靶原子，从而使靶原子被溅射出来，沉积在衬底上。溅射阈值一般在10-20eV，入射粒子能量不能过高，这会使过多的离子嵌入靶材反而降低了溅射率；也不能过低，过低不能使靶原子获得足够的能量克服表面束缚离开靶材。这些被溅射的粒子由于具有动能，会沿着一定的方向射向衬底，实现在衬底上沉积薄膜[]。图2.2溅射原理示意图（4）溶胶-凝胶（Sol-Gel）法属于一种胶体化学方法，是将有机金属化合物水解得到溶胶体系，再通过缩聚反应得到前驱体溶液，然后涂到基片上生成薄膜[]。溶质、溶剂以及稳定剂的选取，关系到薄膜的最终质量。溶胶－凝胶法能够使用的制膜工艺主有旋涂法、提拉法、弯液面法等。表2.1对以上方法进行了简单的总结对比。表2.1常用的薄膜制备方法比较制膜方法工作原理特点缺点真空蒸发沉积法在真空室内加热使材料蒸发升华成气态粒子传输到衬底上沉积成膜材料纯度高结晶度好粒度可控要求的技术条件高蒸发材料熔点的限制分子束外延法超高真空下，通过加热束源把加热粒子喷射到衬底进行外延生长精密控制粒子束流量和沉积条件外延生长时间长运行费较高溅射法离子加速后入射到靶与靶原子发生碰撞，使其溅射出来射向衬底沉积对那些难以蒸发的高熔点物质成膜容易实现打火溅射不稳定沉积速率较低膜的缺陷密度较高溶胶-凝胶法有机金属化合物水解后通过缩聚反应得到凝胶制成前驱体溶液，涂到衬底生成薄膜合成温度低易掺杂改性工艺简单、成本低所需时间长凝胶中存在微孔，干燥后会产生收缩脉冲激光沉积法激光通过透镜，聚焦在靶材上烧蚀产生高温高压的等离子体，在衬底上沉积成膜蒸发速率高，过程易于控制容易制备出准确计量比的薄膜薄膜存在表面颗粒的问题很难进行大面积薄膜的均匀沉积1.5常用的薄膜表征手段近年来，薄膜材料的各种表征测试手段也越来越多。若将测试方法按照测试目的来分，可以分为两大类：一类着重于对薄膜宏观特性的测试，如对薄膜厚度、电阻、重量以及薄膜的光学、机械性能等的测试；另一类着重于对薄膜微观情况分析，如薄膜的表面形貌、表面成分、表面结构等的测试。下表是薄膜表征的部分测试手段汇