二維納米薄膜材料概述

1、二維納米材料概述 -納米薄膜概述 班級(jí)：材料科學(xué)與工程103班 姓名：盧忠 學(xué)號(hào)：201011601322摘要 納米科學(xué)技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代末期誕生并快速崛起的新科技，而其二維納米結(jié)構(gòu)納米薄膜在材料應(yīng)用以及前景上都占據(jù)著重要的地位。納米薄膜材料是一種新型的薄膜材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，它在功能材料和結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域都具有良好的發(fā)展前景。本論文著重介紹納米薄膜的制備方法、特性以及研究前景。納米薄膜材料性能較傳統(tǒng)的薄膜材料有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是納米磁性多層膜、顆粒膜作為一種新型的復(fù)合材料將是今后的研究方向。關(guān)鍵詞：納米；薄膜材料目錄一.薄膜材料定義.（1）二.納米薄膜的分類.（1）三.納米薄膜

2、的制備方法.（2）四.納米薄膜特性.（4）五.應(yīng)用及前景.（6）參考文獻(xiàn)一.薄膜材料定義：納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒構(gòu)成的薄膜或?qū)⒓{米晶粒薄膜鑲嵌于某種薄膜中構(gòu)成的復(fù)合膜，以及層厚在納米量級(jí)的單層或多層薄膜，通常也稱作納米顆粒薄膜和納米多層薄膜。二.納米薄膜的分類 1.納米薄膜，按用途分為兩大類:納米功能薄膜和納米結(jié)構(gòu)薄膜。納米功能薄膜:主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性，通過復(fù)合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。 納米結(jié)構(gòu)薄膜:主要是通過納米粒子復(fù)合，提高材料在機(jī)械方面的性能。2.按膜的功能分納米磁性薄膜納米光學(xué)薄膜納米氣敏膜納濾膜、納米潤(rùn)滑膜納米多孔膜LB（Langmu

3、ir Buldgett）膜SA（分子自組裝）膜3.按膜層結(jié)構(gòu)分類單層膜 如熱噴涂法的表面膜等雙層膜 如在真空氣相沉積的反射膜上再鍍一層多層膜 指雙層以上的膜系4.按膜層材料分金屬膜，如Au、Ag等合金膜，如Cr-Fe、Pb-Cu等氧化物薄膜非氧化物無(wú)機(jī)膜有機(jī)化合物膜三.納米薄膜的制備方法納米材料的合成與制備一直是納米科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的研究課題，新材料制備工藝過程的研究與控制對(duì)納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。最早是采用金屬蒸發(fā)凝聚-原位冷壓成型法制備納米晶體，相繼又發(fā)展了各種物理、化學(xué)方法，如機(jī)械球磨法、非晶晶化法、水熱法、溶膠-凝膠法等。1.化學(xué)法：指在鍍膜技術(shù)中，有化學(xué)反應(yīng)參與，通

4、過物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)薄膜的生長(zhǎng)。（1）化學(xué)還原法（2）化學(xué)氣相沉積法（CVD）：包括常壓、低壓、等離子體輔助氣相沉積等。該方法通過在高溫、等離子或激光輔助等條件下控制反應(yīng)氣壓、氣流速率、基片材料溫度等條件，從而控制納米微粒薄膜的成核生長(zhǎng)過程；或者通過薄膜后處理，控制非晶薄膜的晶化過程，從而獲得納米結(jié)構(gòu)的薄膜 。用CVD法制備薄膜材料是通過使原料氣體以不同的能量使其產(chǎn)生各種法學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物在基片上生長(zhǎng)、沉積成固體薄膜。（3）高溫分解法（4）溶膠-凝膠法：這種方法是20世紀(jì)60年代作為一種制備玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料的合成工藝而開發(fā)的。溶膠凝膠法可以賦予基體多種特殊性能，其中包括機(jī)械、化學(xué)保護(hù)、光學(xué)、

5、電磁和催化等。溶膠凝膠法制備薄膜，首先必須制得穩(wěn)定的溶膠，按其溶膠的方法，將溶膠凝膠工藝分為有機(jī)途徑和無(wú)機(jī)途徑，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。與其他制備薄膜的方法相比，溶膠凝膠法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，溫度低，易于大面積制備各種不同形狀、材料的薄膜，用料省、成本較低。（5）電浮法（6）陰極電鍍法2.物理法：指在薄膜沉積過程中，不涉及化學(xué)反應(yīng)，薄膜的生長(zhǎng)基本是物理過程。物理氣相沉積（PVD）是一類常規(guī)的薄膜制備手段，它包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。主要通過兩種途徑制膜：（1）在非晶薄膜晶化過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成。（2）在薄膜的成核過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成。物理氣相沉積主要包括以下三點(diǎn)：氣相物質(zhì)的產(chǎn)生。在蒸發(fā)鍍膜方法中

6、，用加熱源使其蒸發(fā)；而在濺射鍍膜中，則用具有一定能量的粒子轟擊靶材。 氣相物質(zhì)的輸送。由于有氣體存在時(shí)會(huì)與氣相物質(zhì)發(fā)生碰撞，因此氣相物質(zhì)的輸送往往在真空中進(jìn)行。 氣相物質(zhì)的沉積。 氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個(gè)凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成單晶膜、多晶膜或者非晶態(tài)膜。3. 分子組裝方法（1）LB膜技術(shù)LB膜技術(shù)就是先將雙親分子在水面上形成有序的緊密單分子薄膜，再利用端基的親水、疏水作用將單層膜轉(zhuǎn)移到固體基片上。由于基片與分子之間的吸附作用，單分子層級(jí)成績(jī)?cè)诠腆w基片上。這樣基片反復(fù)的進(jìn)出水面就可以形成多層膜。LB膜隨著轉(zhuǎn)移方式的不同可得到X型、Y型和Z型。LB膜的制備是將懸浮在氣/液界面的

7、單分子膜轉(zhuǎn)移到基片表面。最常用的方法是垂直拉提法、水平拉提法、亞相降低法、擴(kuò)散吸附法和接觸法。（2）分子自組裝技術(shù)分子自組裝（SA）薄膜技術(shù)是一種在平衡條件下通過建的相互作用，自發(fā)結(jié)締形成性能穩(wěn)定的、結(jié)構(gòu)完整的薄膜的方法。SA成膜技術(shù)主要包括基于化學(xué)吸附的自組裝成膜技術(shù)，和基于物理吸附的離子自組裝膜技術(shù)。基于化學(xué)吸附的SA技術(shù)其基本方法是：將表面修飾有某種物質(zhì)的基片浸入待組裝分子的溶液中，待組裝分子一端的反應(yīng)基于基片表面發(fā)生自動(dòng)連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面形成化學(xué)鍵連接的二維有序單層膜；如果單層膜表面也有具有某種反應(yīng)活性的基團(tuán)，則又可以和別的物質(zhì)反應(yīng)，如此重復(fù)就構(gòu)建成同質(zhì)或異質(zhì)的多成膜。SA技術(shù)

8、形成的多層膜有如下主要特征：. 原位自發(fā)形成；. 熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；.物理基片形狀如何，其表面均可形成均勻一致的覆蓋層；.高密度堆積和低缺氧濃度；. 分子有序排列；.可人為設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)來獲得預(yù)期的物理和化學(xué)性質(zhì)；. 有機(jī)合成和制膜有很大的靈活性?；谖锢砦降腟A膜技術(shù)基于物理吸附的SA膜技術(shù)又叫做離子自組裝技術(shù)，其原理是將表面帶負(fù)電荷的基片浸入陽(yáng)離子聚電解質(zhì)溶液中，由于靜電吸引，陽(yáng)離子聚電解質(zhì)聚集到基片表面，使基片表面帶正電，然后將基片再浸入陰離子聚電解質(zhì)溶液中，如此重復(fù)進(jìn)行，就會(huì)形成多層聚電解質(zhì)自組裝膜。 這種建立在靜電互相作用原理基礎(chǔ)上的自組裝技術(shù)，是一種新型的制備聚合物納米復(fù)合

9、膜的方法。它的特點(diǎn)是：對(duì)沉積過程或膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子級(jí)控制；.利用連續(xù)沉積的方法，可實(shí)現(xiàn)層間分子對(duì)稱或非對(duì)稱二維或三維超晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)膜的光、電、磁、非線性光學(xué)性能的功能化；.可形成仿真生物膜；.層與層之間膜的穩(wěn)定性極好；.與基于化學(xué)吸附法制備有機(jī)復(fù)合膜相比，具有較好的重復(fù)性。四.納米薄膜特性1.納米薄膜的力學(xué)性能：納米薄膜的性能強(qiáng)烈依賴于晶粒(顆粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多層膜的結(jié)構(gòu)，這也就是日前納米薄膜研究的主要內(nèi)容。硬度：納米多層膜的硬度與材料系統(tǒng)的組分、各組分的相對(duì)含量、薄膜的調(diào)制波長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。 機(jī)械性能較好的薄膜材料一般由硬質(zhì)相如陶瓷材料)和韌性相(如全屬材料)共同構(gòu)成。

10、因此如果不考慮納米效應(yīng)的影響和硬質(zhì)相含量較高時(shí)，則薄膜材料的硬度較高，并且與相同材料組成的近似混合的薄膜相比，硬度均有所提高。韌性：多層膜結(jié)構(gòu)可以提高材料的韌性，其增韌機(jī)制主要是裂紋尖端鈍化、裂紋分支、層片拔出以及沿界面的界面開裂等，在納米多層膜中也存在類似的增韌機(jī)制。 影響韌性的因素主要有組分材料的相對(duì)含量及調(diào)制波長(zhǎng)。在金屬/陶瓷組成的多層膜中，可以把金屬作為韌性相，陶瓷為脆性相，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在TiC/Fe、Ti/Al、TiC/W多層膜系中，當(dāng)金屬含量較低時(shí)，韌性基本上隨金屬相含量的增加而上升，但是在上升到一定程度時(shí)反而下降。耐磨性：研究發(fā)現(xiàn)合理搭配材料可以獲得較好的耐磨性。從結(jié)構(gòu)上看，多層膜

11、的晶粒小，原子排列的晶格存在缺陷的可能性增多，晶粒內(nèi)的晶格點(diǎn)陣畸變和晶格缺陷的增多，使晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移阻礙增加；此外，多層膜相界面結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，由于不同材料位錯(cuò)能的差異，也會(huì)導(dǎo)致薄膜材料的耐磨性的不同。2.光學(xué)性能（1）藍(lán)移和寬化用膠體化學(xué)法制備TiO2/SnO2超顆粒及其復(fù)合LB膜具有特殊的紫外-可見光吸收光譜。TiO2/SnO2超顆粒具有量子尺寸效應(yīng)使吸收光譜藍(lán)移。TiO2/SnO2-硬脂酸復(fù)合LB膜具有良好的抗紫外線性能和光學(xué)透過性。（2）光學(xué)線性與非線性光學(xué)線性效應(yīng)是指介質(zhì)在光波場(chǎng)作用下，當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度與光波電場(chǎng)的一次方成正比的現(xiàn)象。一般說來，多層膜的每層膜厚度與激

12、子玻爾半徑(aB)相近或小于aB時(shí)，在光的照射下，吸收譜上會(huì)出現(xiàn)激子吸收峰,這種現(xiàn)象也屬于光學(xué)效應(yīng)。半導(dǎo)體InCaAlAs和InCaAs構(gòu)成的多層膜，通過控制InCaAs膜的厚度，可以很容易地觀察到激子吸收峰。光學(xué)非線性是在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度中就會(huì)出現(xiàn)與外加電磁場(chǎng)的二次、三次乃至高次方成比例的項(xiàng)。對(duì)于納米材料，小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)、量子限域和激子是引起光學(xué)非線性的主要原因。3.電磁學(xué)特性（1）磁學(xué)特性 磁性材料在吸波材料中最具特色和發(fā)展?jié)摿Γ叽艑?dǎo)率金屬材料一般具有高電導(dǎo)率，高頻下易產(chǎn)生大渦流，對(duì)電磁波強(qiáng)反射而難以被吸收。采用薄膜多層化設(shè)計(jì)，用絕緣介質(zhì)層將高磁導(dǎo)率金屬層間

13、隔形成納米多層膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，可能獲得高頻下的高磁導(dǎo)率和大磁損耗。某文獻(xiàn)研究報(bào)道了C0923zr7Ndn，薄膜材料的高頻磁譜特性，該材料具有高的磁損耗，有可能成為GHz頻段抗EMI材料，難以應(yīng)用于高于2 GHz頻段。華中科技大學(xué)鄧聯(lián)文吲等人研究一種能用于微波吸收的高磁損耗型納米多層膜材料，并獲得了高于2GHz頻段的高磁導(dǎo)率。（2）電學(xué)特性有人在Au/Al2O3de 顆粒膜上觀察到電阻反常現(xiàn)象，隨著納米金顆粒含量的增加，電阻不但不減小，反而急劇增加。實(shí)驗(yàn)證明，材料的導(dǎo)電性與材料顆粒的臨界尺寸有關(guān)。當(dāng)材料顆粒小于臨界尺寸時(shí)，它可能失去原來的電學(xué)性。（3）氣敏特性采用PECVD方法制備的SnO2超微粒顆

14、粒薄膜比表面積大，存在不飽和配位鍵，表面存在很多活性中心，容易吸附多種氣體而在表面進(jìn)行反應(yīng)，是很好的制備傳感器的功能膜材料。五.應(yīng)用及前景1.應(yīng)用（1）金屬的耐蝕薄膜：非晶態(tài)合金膜是一種無(wú)晶界的，高度均勻的單相體系，且不存在一般金屬或合金所具有的晶體缺陷，因此，它不存在晶體間腐蝕和化學(xué)偏析，具有極強(qiáng)的防腐蝕性能。 如化學(xué)沉積制備非晶態(tài)的Ni-P合金。由于它沒有晶態(tài)Ni-P合金所具有的兩相組織，無(wú)法構(gòu)成微電池。其鍍層可使金屬材料原來敏感的點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和氫脆等易腐蝕性都得到改善。（2）多功能薄膜SnO2由于：SnO2具有良好的吸附性、較低的電阻溫度系數(shù)及化學(xué)穩(wěn)定性，因此容易沉積在諸如玻

15、璃、陶瓷材料、氧化物材料及其他種類的襯底材料上。SnO2薄膜的主要用途有：薄膜電阻器、透明電極、氣敏傳感器、太陽(yáng)能電池、熱反射鏡、光電子器件、電熱轉(zhuǎn)化等。2. 前景納米薄膜在很多領(lǐng)域內(nèi)都有著廣闊而先進(jìn)的應(yīng)用前景，利用它獨(dú)有的物理化學(xué)性質(zhì)及特性，設(shè)計(jì)出新型納米結(jié)構(gòu)性器件和納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破，而功能性的薄膜材料一直是目前研究的熱點(diǎn)。利用納米薄膜吸收光譜的藍(lán)移和紅移特性，人們已經(jīng)制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并且在日常的生產(chǎn)和生活中獲得了廣泛的應(yīng)用；在一些硬度高的耐磨涂層或薄膜中添入納米相，可進(jìn)一步提高納米薄膜的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性；利用納米粒子涂料形成的涂層具有良好的吸收能力，可對(duì)重型設(shè)備起到隱身作用，納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵等具有導(dǎo)體性質(zhì)的粒子，有很好的靜電屏蔽作用；美國(guó)科學(xué)家將PAH、PSS沉積到多空聚丙烯膜上，二氧化碳和氮?dú)獾倪x擇透過性表明固體二甲基硅烷沉積多層膜后有較高的選擇性。在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的要求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來越。新材料的創(chuàng)新，以及在此