二维纳米材料

1、第五章第五章 二维纳米结构二维纳米结构-纳米薄膜纳米薄膜第一节第一节 纳米薄膜的分类纳米薄膜的分类 纳米薄膜纳米薄膜(nano-thin film) 定义定义:1) 由纳米晶粒构成的薄膜由纳米晶粒构成的薄膜; 将纳米晶将纳米晶粒嵌在某种薄膜中的复合膜粒嵌在某种薄膜中的复合膜;每层厚度在纳每层厚度在纳米量级的单层或多层膜米量级的单层或多层膜. 分类级别分类级别 1) 按微结构分类按微结构分类. 含有纳米粒子含有纳米粒子;厚度为纳厚度为纳米级米级 2)按用途分类按用途分类. 功能纳米薄膜功能纳米薄膜,结构纳米薄膜结构纳米薄膜 3) 根据层数分类根据层数分类 单层或多层单层或多层第二节第二节 纳米薄

2、膜的制备方法纳米薄膜的制备方法物理方法真空蒸发(单源单层蒸发、单源多层蒸发，多源反应共蒸发)溅射磁控溅射射频溅射(单靶反应溅射、多靶反应其溅射)离子束溅射分子束外延(MBE)化学方法化学气相沉积金属有机化学气相沉积热解化学气相沉积激光诱导化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积微波等离子体化学气相沉积溶胶-凝胶法(Sol-gel)电镀法分子组装法SA膜技术LB膜技术一、物理法一、物理法1 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 加热方式有：电阻加热，电子束加热，高频加热方式有：电阻加热，电子束加热，高频加热加热原理：经高温蒸发的原料蒸气在基体上成膜原理：经高温蒸发的原料蒸气在基体上成膜电子束加热法装置原理图电子

3、束加热法装置原理图真空蒸镀法的应用真空蒸镀法的应用 蒸镀法具有速度快的优点，可用于制备不蒸镀法具有速度快的优点，可用于制备不同功能的纳米膜，如导电膜，光学增透膜，同功能的纳米膜，如导电膜，光学增透膜，金属膜等。金属膜等。 缺点：膜强度不高，控制合金成分有效率缺点：膜强度不高，控制合金成分有效率低。低。2、溅射镀膜、溅射镀膜 原理：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶原理：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片表面成材表面，使被轰击出的粒子在基片表面成膜。膜。 离子溅射产生原理：高能辐射离子轰击固离子溅射产生原理：高能辐射离子轰击固体，部分被轰击的原子克服表面能飞离固体，部分被轰

4、击的原子克服表面能飞离固体的现象体的现象溅射产额与入射离子能量关系溅射产额与入射离子能量关系贱射技术贱射技术 直流溅射技术直流溅射技术 三极和四极溅射三极和四极溅射 射频溅射射频溅射 磁控溅射磁控溅射 离子束溅射离子束溅射射频磁控溅射射频磁控溅射SiO2装置图装置图溅射镀膜技术的应用溅射镀膜技术的应用 低温合成高温材料低温合成高温材料 SiC用用CVD法温度为法温度为1330度，而用溅射法度，而用溅射法只需只需500度。度。 多层结构的连续合成多层结构的连续合成3 离子镀膜离子镀膜 离子离子 镀是指在镀膜的同时，利用离子轰击镀是指在镀膜的同时，利用离子轰击基体表面和膜层的镀膜技术，其目的是改基

5、体表面和膜层的镀膜技术，其目的是改善膜层的性能。善膜层的性能。 离子镀的分类：离子镀的分类：1) 空心阴极离子镀空心阴极离子镀2) 多弧离子镀多弧离子镀3)离子束辅助沉积离子束辅助沉积4 分子束外延法分子束外延法 原理：在超高真空下，使具有一定热能的原理：在超高真空下，使具有一定热能的两种或两种以上的分子两种或两种以上的分子(原子原子)束喷射至被加束喷射至被加热的衬底上，在衬底表面进行反应，并生热的衬底上，在衬底表面进行反应，并生成薄膜样品的过程。成薄膜样品的过程。二、化学法二、化学法1 化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD) CVD的分类的分类:CVD流 封通 闭式 式低 中温 温 高温低

6、常压 压 热CVD等离子CVD激光CVD紫外CVD冷壁式热壁式无机物CVD金属有机物CVDCVD的特点的特点中温和高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固中温和高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体体可以在常压或者低于常压下进行沉积可以在常压或者低于常压下进行沉积采用特殊技术，沉积可以在更低温度下进行采用特殊技术，沉积可以在更低温度下进行可以改变沉积层的化学成分，得到混合沉积层可以改变沉积层的化学成分，得到混合沉积层可以控制沉积层的密度与纯度可以控制沉积层的密度与纯度绕镀性好，可在复杂形状的基体及颗粒材料上沉积绕镀性好，可在复杂形状的基体及颗粒材料上沉积气流条件

7、通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但通过其他技术可以改善。沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但通过其他技术可以改善。可以形成多种金属，合金，陶瓷和化合物的沉积层。可以形成多种金属，合金，陶瓷和化合物的沉积层。CVD的反应类型的反应类型热分解或高温分解反应SiH4(g)Si(s) + 2 H2(g)Ni(CO)4(g)Ni(s) + 4CO(g)CH3SiCl3(g)SiC(s) + 3HCl(g)还原反应SiCl4(g) + 2H2(g)Si(g) + 4HCl(g)WF6(g) + 3H2(g) W(

8、S)+ 6HF(g)氧化反应SiH4(g) + O2(g) SiO2(s) + 2H2(g)水解反应2ALCl3(g) +3CO2(g) +3H2(g)Al2O3(s)+ 6HCl(g) +3CO(g)复合反应TiCl4(g) +CH4(g) TiC(s) +4HCl(g)AlCL3(g) + NH3(g) AlN(s) + 3HCl(g)CVD的原理的原理 以以TiCl4 +CH4+H2反应反应析出析出TIC为例为例基片TIC层反应气体TICl4+H2+CH4H2TiCl4H2TiCl4=Ti+HClCH4CH4=C+H2废气析出过程析出过程 反应气体向基片表面扩散反应气体向基片表面扩散 气

9、体分子被吸附到基片或薄膜表面气体分子被吸附到基片或薄膜表面 气体分子、原子在基片或薄膜表面发生化气体分子、原子在基片或薄膜表面发生化学反应学反应 反应产物沉积在基片上形成薄膜，反应副反应产物沉积在基片上形成薄膜，反应副产物离开基体表面。产物离开基体表面。2. 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法(Sol-gel)优点优点:工艺简单工艺简单,便于推广便于推广温度底温度底,不排斥易挥发原料不排斥易挥发原料制膜形状多样和基片材料选择性高制膜形状多样和基片材料选择性高有效控制薄膜的成分和结构有效控制薄膜的成分和结构用料省用料省,成本降低成本降低三、分子组装法三、分子组装法 分子组装技术：将具有一定功能的分子分子组装

10、技术：将具有一定功能的分子(包包括生物分子括生物分子)，在分子或超分子尺度范围内，在分子或超分子尺度范围内，通过物理或化学的方法聚集成稳定的有序通过物理或化学的方法聚集成稳定的有序体系的方法。体系的方法。 分子组装技术分子组装技术 LB膜技术和分子自组装技术膜技术和分子自组装技术LB膜技术膜技术 由由Langmuir-Blodgett首先发现。首先发现。 技术内容：将双亲分子在水面形成有序的技术内容：将双亲分子在水面形成有序的紧密单分子层膜，再利用端基的亲水、疏紧密单分子层膜，再利用端基的亲水、疏水作用将单层膜转移至固体基片上。水作用将单层膜转移至固体基片上。 LB膜的分类膜的分类 X型，型，

11、Z型和型和Y型型LB膜的制备方法膜的制备方法 A. 垂直提拉法垂直提拉法 B. 水平附着法水平附着法 单分子层排列整齐单分子层排列整齐 避免垂直提拉法所存在的流动变形问题避免垂直提拉法所存在的流动变形问题水平附着法优点水平附着法优点C. 亚相降低法亚相降低法D 单分子层扫动法单分子层扫动法第三节第三节 纳米薄膜的性能纳米薄膜的性能一一 力学性能力学性能膜的硬度跟系统有关膜的硬度跟系统有关.有些比正常形态硬有些比正常形态硬,有些变软有些变软.韧性韧性. 多层膜会提高材料的韧性多层膜会提高材料的韧性.a) 耐磨耐磨 研究较少研究较少. 但如果合理地搭配材料可但如果合理地搭配材料可大大提高材料的耐磨性大大提高材料的耐磨性二二 光学性能光学性能蓝移和宽化蓝移和宽化线性和非线性线性和非线性.三三 电磁学性能电磁学性能永久磁体潜在材料永久磁体潜在材料增国电导率增国电导率. 如非晶如非晶Si膜膜改变巨磁电阻效应改变巨磁电阻效应a) 气敏特性气敏特性,可充当气体反应催化剂可充当气体反应催化剂第四节第四节 纳米薄膜的应用纳米薄膜的应用 一一 纳米光学薄膜纳米光学薄膜 用于分解有机物用于分解有机物,氧化室内有氧化室内有害气体害气体. 吸收紫外线吸收紫外线,保护眼睛保护眼睛. 增加光反射率增加光反射率,节节能能 二二 纳米耐磨损膜与纳米润滑膜纳米耐磨损膜与纳米润滑膜 纳米磁