納米薄膜材料的制備.ppt

1、納米薄膜材料的制備方法,2,納米材料由于其特殊的性質(zhì)，近年來引起人們極大的關(guān)注。隨著納米科技的發(fā)展，納米材料的制備方法已日趨成熟。納米技術(shù)對(duì)21世紀(jì)的信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、自動(dòng)化技術(shù)及能源科學(xué)的發(fā)展有重要影響,對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展有重要作用。,概述：,按原理可分為：,化學(xué)方法,1.化學(xué)氣相沉積(CVD)； 2.溶膠-凝膠(Sol-Gel)法； 3.電沉積法等。,物理方法,1.分子束外延法； 2.磁控濺射法等。,4,化學(xué)氣相沉積法的原理 化學(xué)氣相沉積是迄今為止氣相法制備納米材料應(yīng)用最為廣泛的方法，該方法是在一個(gè)加熱的襯底上，通過一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)元素反應(yīng)形成納米材料的過程。它利用揮發(fā)

2、性的金屬化合物的蒸發(fā)，通過化學(xué)反應(yīng)生成所需化合物在保護(hù)氣體環(huán)境下快速冷凝，從而制備各類物質(zhì)的納米微粒。,化學(xué)氣相沉積法,5,化學(xué)氣相沉積法該法制備的納米微粒顆粒均勻，純度高，粒度小，分散性好，化學(xué)反應(yīng)活性高，工藝可控和連續(xù)，可對(duì)整個(gè)基體進(jìn)行沉積等優(yōu)點(diǎn)。 此外，化學(xué)氣相沉積法因其制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投入少，操作方便，適于大規(guī)模生產(chǎn)而顯示出它的工業(yè)應(yīng)用前景。因此，化學(xué)氣相沉積法成為實(shí)現(xiàn)可控合成技術(shù)的一種有效途徑。 化學(xué)氣相沉積法缺點(diǎn)是襯底溫度高。隨著其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由此衍生出來的許多新技術(shù)，如金屬有機(jī)化學(xué)缺陷相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積及激光誘導(dǎo)化

3、學(xué)氣相沉積等技術(shù)。 化學(xué)氣相沉積法是納米薄膜材料制備中使用最多的一種工藝，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)材料和功能材料的制備。用化學(xué)氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬，氧化物、氮化物、碳化合物、復(fù)合氧化物等膜材料。,優(yōu)缺點(diǎn)：,6,溶膠凝膠法原理 溶膠凝膠法是用易水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬鹽)在某種溶劑中形成均質(zhì)溶液，溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成納米級(jí)的粒子并形成溶膠，溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z(該法為低溫反應(yīng)過程，允許摻雜大劑量的無機(jī)物和有機(jī)物)，再經(jīng)干燥、燒結(jié)等后處理得到所需的材料，其基本反應(yīng)有水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)。,溶膠凝膠法,7,溶膠凝膠法可在低溫下制備純度高、粒徑分布均勻、化學(xué)活性高的單、多組份混合物,并可

4、制備傳統(tǒng)方法不能或難以制備的產(chǎn)物。 溶膠凝膠法制備的材料具有多孔狀結(jié)構(gòu)，表面積大，有利于在氣敏、濕敏及催化方面的應(yīng)用，可能會(huì)使氣敏、濕敏特性和催化效率大大提高。這種方法得到的粉體均勻分布、分散性好、純度高，且鍛燒溫度低、反應(yīng)易控制、副反應(yīng)少、工藝操作簡(jiǎn)單。 但一般來說，這種方法所用原料成本較高，所制的膜致密性較差，易收縮，開裂，適用范圍不夠廣泛。,優(yōu)缺點(diǎn)：,8,分子束外延法原理 分子束外延法是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸汽，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使

5、分子或原子按晶體排列一層層地生長(zhǎng)在基片上形成薄膜。,分子束外延法,9,分子束外延法的優(yōu)點(diǎn)是：生長(zhǎng)溫度底，能把諸如擴(kuò)散這類不希望出現(xiàn)的熱激活過程減少到最低；生長(zhǎng)速率慢，外延層厚度可以精確控制，生長(zhǎng)表面或界面可以達(dá)到原子級(jí)光滑度，因而可以制備極薄的薄膜；超高真空下生長(zhǎng)，與濺射方法相比更容易進(jìn)行單晶薄膜生長(zhǎng)，并為在確定條件下進(jìn)行表面研究和外延生長(zhǎng)機(jī)理的研究創(chuàng)造了條件；生長(zhǎng)的薄膜能保持原來靶材的化學(xué)計(jì)量比；可以把分析測(cè)試設(shè)備，如反射式高能電子衍射儀、四極質(zhì)譜儀等與生長(zhǎng)系統(tǒng)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的原位監(jiān)測(cè)。 缺點(diǎn)有襯底選擇、摻雜技術(shù)以及其他輔助技術(shù)要求較高，激光器效率低，電能消耗較大，投資較大；由于分子束

6、外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以要獲得超高真空以及避免蒸發(fā)器中的雜質(zhì)污染需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費(fèi)用。目前，用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料。,優(yōu)缺點(diǎn)：,10,磁控濺射原理 指電子在電場(chǎng)的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出氬離子和新的電子；新電子飛向基片，氬離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材料發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生EB所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱EB漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。,磁控濺射法,11,磁控濺射法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成膜速率高，基片溫度低，膜的粘附性好，鍍