薄膜课件溶胶和LB7

薄膜制备的溶胶－凝胶法和LB膜1/10/20231薄膜制备的溶胶－凝胶法和LB膜1/10/20231Sol-Gel(溶胶凝胶法)是制备无机膜的常用方法之一溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。1/10/20232Sol-Gel(溶胶凝胶法)1/10/20232

简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。1/10/20233简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的溶胶－凝胶法的发展历程1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。1/10/20234溶胶－凝胶法的发展历程1846年法国化学家J.J.Ebelm溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶多孔材料干凝胶致密块体1/10/20235溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝溶胶－凝胶法的应用（2）

－功能材料中制备粉体材料La2O3La(NO3)3溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液La:Fe=1:1柠檬酸LaFeO3的超细粉末10～100nmLa3+、Fe3+的柠檬酸溶液50～80℃含La3+、Fe3+的凝胶含La3+、Fe3+的溶胶60～90℃干凝胶热处理120℃1/10/20236溶胶－凝胶法的应用（2）

－功能材料溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备纤维Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）放置、脱水（室温～80％）拉纤维（室温）加热（10℃/h）500℃1h，冷却至室温1/10/20237溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备纤维Si(OCH3)4H溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备膜材料Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液粘性溶胶包覆膜保持2～4h，室温包覆Nd.SiO2膜加热1h1/10/20238溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备膜材料Nd(NO3)3.溶胶－凝胶法的优缺点优点：（1）所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料，实验装置相比真空沉积简单，便宜。

缺点：原料成本较高；存在残留小孔洞；反应时间较长；凝胶在干燥过程中放出气体并收缩；有机溶剂对人体有一定的危害性1/10/20239溶胶－凝胶法的优缺点优点：1/10/20239薄膜制备的LB技术

由表面化学家Langmuir和Blodgett(LB)在1933年发现它是利用分子活性在气液界面上形成凝结膜，将该膜逐次叠积在基片上形成分子层或称膜的方法。可生长高质量、有序单原子层或多原子层，介电强度很高，可用于电子仪器和太阳能系统上，目前主要用脂肪酸等有机物制备。基本原理:一清洁亲水基片在待沉积单层扩散前浸入水中，然后单层扩散并保持在一定的表面压力状态下，基片沿着水表面缓慢抽出，则在基片上形成一单层膜。1/10/202310薄膜制备的LB技术由表面化学家Langmuir和BlodgLB技术1/10/202311LB技术1/10/202311有机L-B膜生长生长单分子层LB膜将溶解好的溶液用微量注射器适量地滴在超纯水（亚相）的表面上，溶液立即向外扩散，扩散过程中，有机溶剂挥发掉，留下无序分布的分子，这时分子间平均间隔比较大，有几个分子长，相互作用力很弱，表面压为0，通过调节挡板，减少表面积，表面压发生变化，在某个特殊位置，分子全部整齐排列，形成单分子膜，可以用-A曲线来判断。疏水端亲水端马达衬底表面压强天平反馈马达挡板水浴槽(Teflon，惰性材料)亚相用于制备L-B膜的装置示意图1/10/202312有机L-B膜生长生长单分子层LB膜将溶解好的溶液用微量注射器L-B膜材料的基本要求：分子具有两亲性：亲水端，如羧基-COOH，不溶于水；足够长的疏水脂肪链（16~22个碳），这样分子在水面上铺展而不溶解。溶剂的选择也很重要：溶质材料必须首先溶解于一种适当的溶剂中（氯仿、正已烷等）化学惰性；足够的溶解力；不溶于亚相，且在亚相上具有良好的铺展性；挥发适中；密度较小(<1)；高纯。亚相：通常用超纯水衬底：石英玻璃、硅片、GaF2、云母片、不锈钢片、半导体、铂、金等。衬底要先进行亲水或着疏水处理，根据薄膜制备过程来确定。1/10/202313L-B膜材料的基本要求：1/10/202313固相液态相气态相1020302022242628表面压分子面积Å2-A曲线：表面压与单分子占有面积的关系曲线膜天平：随时监测表面压的压力传感器，检测单分子层内表面压的变化而引起的表面张力的变化，判断是否得到固相（整齐排列）。A0A0：固态层内单分子的占有面积1/10/202314固相液态相气态相1020302022242628表面压分子面有机L-B膜生长L-B膜的成膜，有多种方法：1。垂直提拉法，有X,Y,Z三种膜式，以亲水基片为例交替型X—下压法,Y—上拉、下压,Z—上拉垂直提拉时，水面上的单分子层中会产生非均匀流动，容易引起变形，可能会引起膜层质量的劣化。1/10/202315有机L-B膜生长L-B膜的成膜，有多种方法：交替型X—下压2。水平附着法3。亚相降低法有机L-B膜生长L-B膜制备需要注意的问题：需要完全控制气氛、温度、湿度对防震要求高——防震台清洁空气，特别避免有机气体对空气的污染

系统昂贵1/10/2023162。水平附着法有机L-B膜生长L-B膜制备需要注意的问题：1非线性光学电子器件作为半导体器件传感器的应用（场发射器件、光传感器、生物传感器）从20世纪80年代开始，LB膜又引起物理学、生物学、电子学、光学、化学、材料科学和摩擦学等领域国内外学者的普遍关注，并在许多方面得到了应用，其在摩擦学领域中的应用研究也有一定的发展。近年来，功能材料的发展带动器件的构造向着小型化、集成化、多功能化和高可靠性的方向发展。LB膜作为高技术领域中的一项新技术，是实现分子组装和纳米尺度润滑的有效方法之一，越来越受到重视。LB膜的应用前景1/10/202317LB膜的应用前景1/10/202317薄膜制备的溶胶－凝胶法和LB膜1/10/202318薄膜制备的溶胶－凝胶法和LB膜1/10/20231Sol-Gel(溶胶凝胶法)是制备无机膜的常用方法之一溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。1/10/202319Sol-Gel(溶胶凝胶法)1/10/20232

简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。1/10/202320简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的溶胶－凝胶法的发展历程1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。1/10/202321溶胶－凝胶法的发展历程1846年法国化学家J.J.Ebelm溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶多孔材料干凝胶致密块体1/10/202322溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝溶胶－凝胶法的应用（2）

－功能材料中制备粉体材料La2O3La(NO3)3溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液La:Fe=1:1柠檬酸LaFeO3的超细粉末10～100nmLa3+、Fe3+的柠檬酸溶液50～80℃含La3+、Fe3+的凝胶含La3+、Fe3+的溶胶60～90℃干凝胶热处理120℃1/10/202323溶胶－凝胶法的应用（2）

－功能材料溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备纤维Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）放置、脱水（室温～80％）拉纤维（室温）加热（10℃/h）500℃1h，冷却至室温1/10/202324溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备纤维Si(OCH3)4H溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备膜材料Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液粘性溶胶包覆膜保持2～4h，室温包覆Nd.SiO2膜加热1h1/10/202325溶胶－凝胶法的应用

－功能材料中制备膜材料Nd(NO3)3.溶胶－凝胶法的优缺点优点：（1）所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料，实验装置相比真空沉积简单，便宜。

缺点：原料成本较高；存在残留小孔洞；反应时间较长；凝胶在干燥过程中放出气体并收缩；有机溶剂对人体有一定的危害性1/10/202326溶胶－凝胶法的优缺点优点：1/10/20239薄膜制备的LB技术

由表面化学家Langmuir和Blodgett(LB)在1933年发现它是利用分子活性在气液界面上形成凝结膜，将该膜逐次叠积在基片上形成分子层或称膜的方法。可生长高质量、有序单原子层或多原子层，介电强度很高，可用于电子仪器和太阳能系统上，目前主要用脂肪酸等有机物制备。基本原理:一清洁亲水基片在待沉积单层扩散前浸入水中，然后单层扩散并保持在一定的表面压力状态下，基片沿着水表面缓慢抽出，则在基片上形成一单层膜。1/10/202327薄膜制备的LB技术由表面化学家Langmuir和BlodgLB技术1/10/202328LB技术1/10/202311有机L-B膜生长生长单分子层LB膜将溶解好的溶液用微量注射器适量地滴在超纯水（亚相）的表面上，溶液立即向外扩散，扩散过程中，有机溶剂挥发掉，留下无序分布的分子，这时分子间平均间隔比较大，有几个分子长，相互作用力很弱，表面压为0，通过调节挡板，减少表面积，表面压发生变化，在某个特殊位置，分子全部整齐排列，形成单分子膜，可以用-A曲线来判断。疏水端亲水端马达衬底表面压强天平反馈马达挡板水浴槽(Teflon，惰性材料)亚相用于制备L-B膜的装置示意图1/10/202329有机L-B膜生长生长单分子层LB膜将溶解好的溶液用微量注射器L-B膜材料的基本要求：分子具有两亲性：亲水端，如羧基-COOH，不溶于水；足够长的疏水脂肪链（16~22个碳），这样分子在水面上铺展而不溶解。溶剂的选择也很重要：溶质材料必须首先溶解于一种适当的溶剂中（氯仿、正已烷等）化学惰性；足够的溶解力；不溶于亚相，且在亚相上具有良好的铺展性；挥发适中；密度较小(<1)；高纯。亚相：通常用超纯水衬底：石英玻璃、硅片、GaF2、云母片、不锈钢片、半导体、铂、金等。衬底要先进行亲水或着疏水处理，根据薄膜制备过程来确定。1/10/202330L-B膜材料的基本要求：1/10/202313固相液态相气态相1020302022242628表面压分子面积Å2-A曲线：表面压与单分子占有面积的关系曲线膜天平：随时监测表面压的压力传感器，检