納米二氧化硅

1、納米二氧化硅材料及其電學(xué)納米二氧化硅材料及其電學(xué)性質(zhì)的技術(shù)研究進(jìn)展性質(zhì)的技術(shù)研究進(jìn)展 摘要摘要: 納米技術(shù)日新月異，納米材料科學(xué)也不斷的進(jìn)步。納米二氧化硅作為納米材料的一員，其制備方法不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用范圍不斷拓展，已逐漸成為重要的無(wú)機(jī)納米材料。本文主要對(duì)納米二氧化硅的制備技術(shù)進(jìn)行了全面介紹，對(duì)各種制法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述，闡明了改性機(jī)理, 列舉了常見的改性方法，并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)做了重點(diǎn)論述。對(duì)具體的應(yīng)用，尤其是近年來(lái)各新興領(lǐng)域的應(yīng)用作了簡(jiǎn)要的概括。研究納米二氧化硅的意義研究納米二氧化硅的意義:納米二氧化硅為無(wú)定型白色粉末，是一種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的非金屬材料，微粒結(jié)構(gòu)非常特殊，表現(xiàn)出奇異或反常的物

2、理化學(xué)特性，具有卓越的光、力、電、熱、磁、放射、吸收等特殊性能，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性，有著不可取代的作用，因此，研究納米二氧化硅材料具有十分重大的意義 1 納米二氧化硅的制備方法納米二氧化硅的制備方法 1. 氣相法氣相法 2. 溶膠溶膠凝膠法凝膠法 3. 反相膠束微乳液法反相膠束微乳液法 4. 沉淀法沉淀法 5. 硅單質(zhì)法硅單質(zhì)法 1.1 氣相法 該法是采用四氯化硅在氫氧焰中水解制得。水解產(chǎn)生的二氧化硅分子凝集成顆粒。這些顆?；ハ嗯鲎?，熔結(jié)成一體，形成三維和有分支的鍵狀聚集體一旦這些聚集體溫度低于二氧化硅熔點(diǎn)，則進(jìn)一步碰撞，引起鍵的機(jī)械纏繞，生成附聚物。由于氣相法物質(zhì)濃度小，生成的粒子凝

3、聚少。這樣生成的納米SiO2又稱無(wú)水納米SiO2，它是球形粒子，純度高，表面羥基少，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.998以上，直徑在819nm，比表面積在130480m2/g，dbp吸收值1.502.00cm3/g。 1.2 溶膠溶膠凝膠法凝膠法 該法工藝一般是通過正硅酸乙脂(TEOS)的水解聚合而形成二氧化硅溶膠，其過程包括了TEOS在溶膠凝膠過程的催化效應(yīng)，溶劑效應(yīng)，添加劑效應(yīng)等。其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為:SiOR+HOHSiOH+ROHSiOR+HOSiSiOSi+ROHSiOR+HOSiSiOSi+HOH 凝膠化后，再經(jīng)過陳化、千燥和熱處理得到產(chǎn)物。 1.3 反相膠束微乳液法反相膠束微乳液法 該法是液

4、相化學(xué)制備法中最新穎的一種，微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑、油、水組成。首先形成乳液，劑量小的溶劑被包裹在劑量大的溶劑中形成一個(gè)個(gè)微泡，微泡表面由表面活性劑組成，尺寸大小在5100nm之間。從微泡中生成固相可使成核生長(zhǎng)、凝結(jié)和團(tuán)聚等過程局限在一個(gè)微小的球形液滴內(nèi)，從而形成球形顆粒，又避免了顆粒之間進(jìn)一步團(tuán)聚。 1.4 沉淀法沉淀法 沉淀法是液相化學(xué)合成高純度納米級(jí)二氧化硅粒子采用的最廣泛的方法。它是以水玻璃和鹽酸或其他酸化劑為原料，適時(shí)加入表面活性劑到反應(yīng)體系中，控制合適的合成溫度，直至沉淀溶液的pH值為8左右加入穩(wěn)定劑，將得到的沉淀用離心法分離洗滌，經(jīng)一定且合適的溫度干燥，最后在馬福爐

5、中高溫灼燒一定時(shí)間后得到白色輕質(zhì)的SiO2粉末。 1.5 硅單質(zhì)法硅單質(zhì)法 將純水、分散劑和硅單質(zhì)加入到三口燒瓶中，開動(dòng)攪拌，用NaOH溶液調(diào)pH=10，加熱升溫，維持溫度在8090，反應(yīng)10h，其間補(bǔ)加氨水，以維持反應(yīng)液pH=9.510.5。加入有機(jī)硅改性劑，繼續(xù)反應(yīng)1h，待溫度降至室溫后，減壓過濾，濾液即為納米SiO2水分散液。 上述介紹最常用的制備納米二氧化硅方法，氣相法的優(yōu)點(diǎn)是顆粒的尺寸較小，純度高，但合成的條件難控制，而且造價(jià)高；溶膠凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，成分容易控制，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的純度高，但原材料價(jià)格昂貴，凝膠顆粒之間燒結(jié)性差，產(chǎn)物干燥時(shí)收縮性大;沉淀法生成的二氧化硅顆

6、粒均勻，并且由于成本低，工藝容易控制，設(shè)備投資小，可大量生產(chǎn)，適于工業(yè)化。 2 納米材料二氧化硅的改性納米材料二氧化硅的改性 醇、酸改性法醇、酸改性法 表面活性劑改性法表面活性劑改性法 硅烷偶聯(lián)劑改性法硅烷偶聯(lián)劑改性法2.1 醇、酸改性法 實(shí)驗(yàn)表明，醇、酸類化合物可與納米SiO2表面的大量-OH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣就可以在納米粒子表面接枝有機(jī)基團(tuán)，使改性后的粒子疏水性能提高，從而提高了納米粒子與有機(jī)物的相容性。2.2 表面活性劑改性法 在二氧化硅膠液中添加表面活性劑，可以在納米粒子間建立一個(gè)能壘來(lái)提抗團(tuán)聚的發(fā)生，表面活性劑主要通過以下兩種方式改性納米二氧化硅：一是通過物理吸附使表面活性劑鏈吸附在

7、納米粒子表面；另一種方式是化學(xué)方應(yīng)，即活性劑中的某些基團(tuán)與粒子表面的 -OH等發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到對(duì)粒子表面改性的目的。 2.3 硅烷偶聯(lián)劑改性法硅烷偶聯(lián)劑既含有與二氧化硅表面-OH反應(yīng)的極性基團(tuán)又含有與有機(jī)溶劑相溶的有機(jī)鏈，使其在納米二氧化硅粒子的改性實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行了表面處理，從不同側(cè)面考察了不同硅烷偶聯(lián)劑對(duì)粒子之間相互作用、納米SiO2橡膠相互作用等，結(jié)果表明，偶聯(lián)劑降低了粒子之間的相互作用，而且不同的偶聯(lián)劑對(duì)改性樣品的某一性能影響程度不同。 3 納米二氧化硅的主要應(yīng)用納米二氧化硅的主要應(yīng)用 由于納米SiO2的量子尺寸、量子隧道效應(yīng)和它的特殊光、電特性、

8、高磁阻現(xiàn)象、非線性電阻現(xiàn)象以及高溫下仍具有的高強(qiáng)、高韌、穩(wěn)定性好等奇異特性，使納米SiO2可廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，幾乎涉及所有應(yīng)用SiO2粉體的行業(yè)。現(xiàn)已達(dá)百噸生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)過兩年多的市場(chǎng)開拓和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于電子封裝材料、高分子復(fù)合材料、塑料、涂料、橡膠改性、顏料、陶瓷、粘結(jié)劑、玻璃鋼、藥物載體、化妝品及殺茵材料等領(lǐng)域，為傳統(tǒng)產(chǎn)品的提檔升級(jí)換代帶來(lái)劃時(shí)代的意義。 4 納米二氧化硅的電學(xué)性質(zhì)納米二氧化硅的電學(xué)性質(zhì) 納米SiO2具有絕緣性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)。利用納米SiO2的多孔性質(zhì)可應(yīng)用于過濾薄膜、薄膜反應(yīng)和相關(guān)的吸收劑以及分離技術(shù)、分子工程和生物工程等，從

9、而在光催化、微電子和透明絕熱等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。在微電子工藝中，納米SiO2薄膜因其優(yōu)越的電絕緣性和工藝的可行性而被廣泛采用。 5 納米二氧化硅的電學(xué)方面的應(yīng)用納米二氧化硅的電學(xué)方面的應(yīng)用 在半導(dǎo)體中的應(yīng)用在半導(dǎo)體中的應(yīng)用在電極中的應(yīng)用在電極中的應(yīng)用 在集成電路中的應(yīng)用在集成電路中的應(yīng)用 5.1 在半導(dǎo)體中的應(yīng)用在半導(dǎo)體中的應(yīng)用納米SiO2是絕緣的，且其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，因此納米SiO2被用作半導(dǎo)體材料的隔離帶，鈍化層，也就是絕緣層，保護(hù)層。 5.2 在電極中的應(yīng)用在電極中的應(yīng)用 納米材料的特異性能，尤其是其大的比表面積和完整的表面結(jié)構(gòu)，使其成為優(yōu)良的電極材料。納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)

10、展前途的材料，作為電極修飾劑有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著世界各國(guó)對(duì)納米微粒和納米材料研究的不斷探入，制備納米金屬氧化物及復(fù)合金屬氧化物粉體技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，納米金屬氧化物修飾電極的制備及其應(yīng)用也日益受到科研工作者的青睞。納米SiO2作為納米材料中的一種，同樣也具有這方面的性能，不僅比與一般的電極相比具有更高的穩(wěn)定性，導(dǎo)電性和催化性能，同時(shí)也賦予電極某些新的電學(xué)和化學(xué)特性。5.3在集成電路中的應(yīng)用 隨著大規(guī)模集成電路器件集成度的提高，多層布線技術(shù)變得愈加重要，如邏輯器件的中間介質(zhì)層將增加到45層，這就要求減小介質(zhì)層帶來(lái)的寄生電容。目前普遍采用的制備介質(zhì)層的SiO2，其介電常數(shù)約為4.0，并具有良好的機(jī)械性能。如用于硅大功率雙極晶體管管芯平面和臺(tái)面鈍化，提高或保持了管芯的擊穿電壓，并提高了晶體管的穩(wěn)定性。這種技術(shù)，完全達(dá)到了保護(hù)鈍化器件的目的，使得器件的性能穩(wěn)定、可靠，減少了外界對(duì)芯片沾污、干擾，提高了器件的可靠性能。 現(xiàn)在，納米SiO2應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域的研究局面己全面展開，并已在上述諸多領(lǐng)域中獲得成功應(yīng)用。相信各行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)只要在實(shí)際應(yīng)用中，通過必要的化學(xué)和機(jī)械分散手段將納米SiO2軟團(tuán)聚體顆粒充分、均勻地分散在基材中，完全可以提高傳統(tǒng)材料的