納米薄膜材料

第四章納米薄膜材料4.1納米薄膜材料的功能特性4.1.1薄膜的光學(xué)特性1.藍(lán)移和寬化納米顆粒膜，特別是半導(dǎo)體材料的顆粒膜，都可觀察到吸收帶邊的藍(lán)移和吸收帶的寬化現(xiàn)象。這是由于納米顆粒的量子尺寸效應(yīng),(微粒尺寸下降到一定值時,費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗?吸收光譜閾值向短波方向移動,這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。)

導(dǎo)致納米顆粒膜能帶加寬，從而使吸收帶邊藍(lán)移。由于顆粒尺寸有一個分布，故能隙帶寬有一個分布，引起吸收帶、發(fā)射帶及透射帶寬化。（退色現(xiàn)象：在一定波長光的照射下，吸收帶強度發(fā)生變化的現(xiàn)象）2.光的線性與非線性a.光學(xué)線性效應(yīng)是指介質(zhì)在光波場（紅外、可見、紫外以及X射線）作用下，當(dāng)光強較弱時，介質(zhì)的電極化強度與光波電場的一次方成正比的現(xiàn)象。如光的反射、折射等都屬于線性光學(xué)范疇。

納米薄膜最重要的性質(zhì)是激子躍遷引起的光學(xué)線性與非線性。一般來說，多層膜的厚度與激子玻爾半徑相比擬或小于激子玻爾半徑時，在光的照射下吸收譜上會出現(xiàn)激子吸收峰（量子限域效應(yīng)）。

激子：絕緣體或半導(dǎo)體中，由束縛的電子-空穴對組成的新系統(tǒng)稱為激子。激子作為整體是電中性的。激子代表整個晶體的一個激發(fā)態(tài)，在禁帶中有相應(yīng)的能級，產(chǎn)生一個激子所需要的能量低于禁帶寬度。激子可以通過兩種途徑消失，一種是通過吸收能量，分離成自由電子和空穴；另一種是激子中電子與空穴復(fù)合，同時放出能量。半導(dǎo)體InGaAs-InAlAs構(gòu)成的多層膜（每兩層InGaAs之間夾了一層能隙很寬的InAlAs

圖中數(shù)字表示InGaAs的厚度b.

光學(xué)非線性是在強光場的作用下，介質(zhì)的磁化強度中會出現(xiàn)與外加電磁場的二次、三次以致高次方成比例的項，這就導(dǎo)致了光學(xué)非線性的出現(xiàn)。

對于光子晶體，對稱性的破壞，介電的各異性都會引起光學(xué)非線性；對于納米材料，由于小尺寸效應(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。如果激發(fā)光的能量低于激子共振吸收能量，不會有光學(xué)非線性發(fā)生；只有當(dāng)激發(fā)光的能量大于激子共振吸收能量時，能隙中靠近導(dǎo)帶的激子能級很可能被激子所占據(jù)，處于高激發(fā)態(tài)。這些激子在落入低能級的過程中，由于聲子與激子的交互作用，損失一部分能量，這是引起光學(xué)非線性的一個原因。4.1.2電學(xué)特性

研究納米薄膜的電學(xué)性質(zhì)，可以搞清導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變，以及絕緣體的尺寸限域效應(yīng)。例如，有人在Au/Al2O3顆粒膜上觀察到電阻的反?，F(xiàn)象，隨著Au含量的增加，電阻急劇增加；尺寸的因素在導(dǎo)體和絕緣體的轉(zhuǎn)變中起著重要的作用。這里有一臨界尺寸，當(dāng)金屬顆粒尺寸大于臨界尺寸時，遵守常規(guī)電阻與溫度的關(guān)系；當(dāng)金屬顆粒尺寸小于臨界尺寸時，可能失掉金屬特性。Au/Al2O3顆粒膜的電阻率隨Au含量的變化4.1.3磁阻效應(yīng)材料的電阻值隨磁化狀態(tài)變化的現(xiàn)象稱為磁(電)阻效應(yīng)，對于非磁性金屬，其值甚小，在鐵磁金屬與合金中發(fā)現(xiàn)有較大的數(shù)值。磁阻效應(yīng)習(xí)慣上以Δρ/ρ0表示，Δρ=ρH-ρ0,ρ0和ρH分別代表磁中性狀態(tài)和磁化狀態(tài)下的電阻率。比FeNi合金的Δρ/ρ0大得多的磁阻效應(yīng)稱為巨磁阻效應(yīng)。納米多層膜具有巨磁阻效應(yīng)。例如，1988年首次發(fā)現(xiàn)Fe/Cr多次膜－－20％;1993年，鈣鈦礦氧化物－金屬－絕緣體相變溫度附近－－100％；1995年，F(xiàn)e-Al2O3-Fe--巨磁阻效應(yīng).對納米顆粒膜巨磁阻效應(yīng)的理論解釋：電子在金屬中運動時，受到金屬中的雜質(zhì)、缺陷以及聲子的散射。設(shè)相鄰兩次散射的平均自由時間為τ，τ為散射幾率的倒數(shù)，則電導(dǎo)率σ=ne2τ/m。當(dāng)存在鐵磁組元時，散射幾率與磁化狀態(tài)有關(guān)，因此會出現(xiàn)對一種自旋取向的傳導(dǎo)電子的散射比對另一種自旋取向的傳導(dǎo)電子的散射更強的現(xiàn)象。而電阻率與散射幾率有關(guān)，因而會出現(xiàn)巨磁阻現(xiàn)象。當(dāng)傳導(dǎo)電子自旋與局域磁化矢量平行時，散射小，磁阻效應(yīng)小。反平行時散射大，磁阻效應(yīng)大。顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)與磁性顆粒的直徑成反比，顆粒膜出現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)的前提是顆粒尺寸及其間距小于電子平均自由程?！?.2納米薄膜材料制備技術(shù)納米薄膜分為兩類：一類是由納米粒子組成(或堆砌而成)的薄膜，另一類是在納米粒子間有較多的孔隙或無序原子或另一種材料，即納米復(fù)合薄膜。納米粒子鑲嵌在另一基體材料中的顆粒膜就屬于第二類納米薄膜。納米薄膜的制備方法按原理可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類，按物質(zhì)形態(tài)主要有氣相法和液相法兩種。我們主要介紹以下四種方法：1.物理氣相沉積法(PVD)-----真空蒸發(fā)制膜；濺射制膜；離子鍍膜;2.化學(xué)氣相沉積(CVD);3.溶膠－凝膠(Sol-Gel)法;4.電化學(xué)沉積4.2.1物理氣相沉積法物理氣相沉積(PVD)方法是一類常規(guī)的薄膜制備手段，包括蒸鍍（真空蒸發(fā)）、電子束蒸鍍、濺射等。納米薄膜的獲得主要通過兩種途徑（1）在非晶薄膜晶化的過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成，如采用共濺射方法制備Si/SiO2薄膜，在700-900℃的N2氣氣氛下快速退火獲得納米Si顆粒；（2）在薄膜的成核生長過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成,其中薄膜的沉積條件的控制非常重要。1.氣相沉積的基本過程（1）氣相物質(zhì)的產(chǎn)生一種方法是使沉積物加熱蒸發(fā)，這種方法稱為蒸發(fā)鍍膜；另一種方法是用具有一定能量的粒子轟擊靶材料，從靶材上擊出沉積物原子，稱為濺射鍍膜。（2）氣相物質(zhì)的輸運要求在真空中進(jìn)行，主要是為了避免氣體碰撞妨礙沉積物到達(dá)基片。真空度越高，沉積速度越快。（3）氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。若在沉積過程中，沉積物原子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物膜，稱為反應(yīng)鍍。若用具有一定能量的離子轟擊靶材，以求改變膜層結(jié)構(gòu)與性能的沉積過程稱為離子鍍。2.真空蒸發(fā)制膜在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱為蒸發(fā)制膜，簡稱蒸鍍。（1）蒸鍍原理和液體一樣，固體在任何溫度下也有升華，形成物質(zhì)的蒸氣。在高真空中，將源物質(zhì)加熱到高溫，相應(yīng)溫度下飽和蒸氣向上散發(fā)，在基片上凝固成膜。真空蒸發(fā)裝置原理示意圖（2）蒸鍍方法a.電阻加熱蒸鍍（加熱材料常使用鎢、鉬、鉭等高熔點金屬，蒸發(fā)材料可以是絲狀、帶狀等）b.電子束加熱蒸鍍（可以加熱鎢等高熔點金屬）

電子是由隱蔽在下面的熱陰極發(fā)射的（避免燈絲污染損壞），電子經(jīng)6－10kV加速后，偏轉(zhuǎn)270度之后轟擊蒸發(fā)源。c.合金膜的制備兩種制備方式：單電子束蒸發(fā)源沉積(分餾問題－連續(xù)加料;2000K,Cr蒸氣壓比Ni高100倍)和多電子束蒸發(fā)源沉積。

單蒸發(fā)源和多蒸發(fā)源制取合金膜示意圖d.化合物膜的制備

多數(shù)化合物在加熱蒸發(fā)時會全部或部分分解。所以簡單的蒸鍍技術(shù)無法由化合物直接制成符合化學(xué)計量比的膜。

有些化合物（像硫化物、硒化物和碲化物）很少分解或凝聚時各種組元又重新化合，可以采用蒸鍍。制備化合物膜也可采用反應(yīng)鍍，如鍍制TiC膜是在蒸鍍Ti的同時，向真空中通入乙炔氣，可得到TiC膜層：e.分子束外延外延是指在單晶體上生長出位向相同的同類單晶體（同質(zhì)外延）或者生長出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體。（已經(jīng)達(dá)到單原子層，甚至知道某一層是否排滿，另一層是否開始）（3）蒸鍍用途適合于對膜結(jié)合強度要求不高的某些功能膜，蒸鍍速率快，但對合金膜的成分控制不如濺射法。蒸鍍純金屬膜中，90％是鋁膜。（4）金屬鋁膜的制備

鋁膜的性能和結(jié)構(gòu)與蒸發(fā)工藝有關(guān)（基片溫度150－200℃，不使用W、Mo、Ta蒸發(fā)鋁）：提高基片溫度，增加膜厚－－晶粒尺寸增大－－晶界面積減?。瓬p少電遷移短路通道－－增強抗電遷移－－延長壽命3.濺射制膜濺射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。50年前在實驗室濺射成膜；60年代Ta膜開始工業(yè)應(yīng)用；65年IBM－－射頻建設(shè)－－絕緣體膜反應(yīng)濺射、偏壓濺射、射頻濺射濺射膜有兩種，一種是在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面上成膜，這稱為離子束濺射。另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒子堆積在基片上。（1）離子濺射當(dāng)入射離子的能量在100eV-10keV范圍時，離子會從固體表面進(jìn)入固體內(nèi)部，與構(gòu)成固體的原子和電子發(fā)生碰撞。如果反沖原子的一部分到達(dá)固體表面，且具有足夠的能量，那么這部分原子就會克服逸出功而飛離固體表面，這種現(xiàn)象稱為離子濺射。濺射產(chǎn)額---一個入射離子所濺射出的中性原子數(shù)影響濺射產(chǎn)額的因素：入射離子能量，入射離子種類，靶材等。濺射產(chǎn)額與入射離子的能量關(guān)系濺射方法直流二級濺射結(jié)構(gòu)簡單，控制方便；

膜層有污染（工作壓力大時），速率低，不能鍍厚膜，基片溫升高。

二級濺射裝置B.三級和四級濺射三級濺射是在二級濺射的裝置上附加一個電極，使它放出熱電子強化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。四級濺射是在二級濺射的裝置上，分別放置一個發(fā)射電子的燈絲（熱陰極）和吸引熱電子的輔助陽極，其間形成低電壓、大電流的等離子體弧柱。C.射頻濺射利用射頻輝光放電，可以制取從導(dǎo)體到絕緣體任意材料的膜。射頻是無線電波發(fā)射的頻率。放置基片的電極與機殼相連，它的電位與等離子體相近，幾乎不受等離子轟擊。另一電極對于等離子體處于負(fù)電位，是陰極，受到離子轟擊，用于裝置靶材。缺點：價格高，不適宜工業(yè)生產(chǎn)D.磁控濺射磁控濺射是在陰極靶面上建立一個環(huán)形磁靶，以控制二次電子的運動，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場加速后飛向陽極。使電子盡可能多的碰撞，從而增加等離子體的密度。磁控濺射具有高速、低溫和低損傷的特點。能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運動，路程足夠長，使原子電離機會增加，只有在電子能量耗盡以后才能脫離靶面落在基片上E.合金膜的鍍制濺射是最容易控制合金膜成分的物理氣相沉積技術(shù)。可采用多靶共濺射或者直接采用合金靶進(jìn)行濺射。采用合金靶濺射時，不必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分完全一致的合金膜。雖然各種元素的濺射產(chǎn)額不同，但濺射產(chǎn)額高的元素在沉積過程中會自動貧化，直到膜層成分與靶材一致。F.化合物膜的鍍制化合物膜是指金屬元素與氧、氮、硅、碳、硼等非金屬化合物所構(gòu)成的膜層。化合物膜的鍍制可選用化合物靶濺射和反應(yīng)濺射。反應(yīng)濺射是在金屬靶材進(jìn)行濺射鍍膜的同時，向真空室內(nèi)通入反應(yīng)性氣體，金屬原子與反應(yīng)性氣體在基片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即可得到化合物膜。G.離子束濺射離子束濺射是采用單獨的離子源產(chǎn)生并用于轟擊靶材的離子。寬束離子源是用熱陰極電弧放電產(chǎn)生等離子體。離子束濺射的優(yōu)點是能夠獨立控制轟擊離子的能量和束流密度，并且基片不接觸等離子體，這些都有利于控制膜層質(zhì)量。缺點是鍍膜速率太低。（2）濺射制膜技術(shù)的應(yīng)用

A.濺射制膜法的廣泛應(yīng)用性就薄膜組成而言，可制備單質(zhì)膜、合金膜、化合物膜，就薄膜材料的結(jié)構(gòu)而言，可制備多晶膜、單晶膜、非晶膜，從材料物性來看，可制備光、電、聲、磁或力學(xué)等各類功能材料膜。B.高溫材料的低溫合成

利用濺射技術(shù)可在較低溫度下制備許多高溫材料的薄膜，如TiN、TiC、B4C、BiC、PbTiO3等。

SiC(熔點mp:2700℃,帶隙能量Eg:3.0eV)可用作電致發(fā)光器件（藍(lán)），在－100～500℃具有穩(wěn)定的電阻溫度特性；用CVD法制備時，襯底溫度1330℃（H2，SiH4，C3H8)；濺射法制備溫度在500℃（靶SiC）。C.多層結(jié)構(gòu)的連續(xù)形成

采用變換放電氣體或多靶輪換法可制備化學(xué)組成逐層變化的多層膜。4.離子鍍膜離子鍍就是在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術(shù)。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。離子鍍是鍍膜與離子轟擊改性同時進(jìn)行的鍍膜過程。（1）離子鍍的原理（P61）

離子鍍中轟擊離子的能量比熱蒸鍍和濺射鍍高得多。離子轟擊可以提高靶材原子在膜層表面的遷移率，有利于獲得致密的膜層。1、陰極2、蒸發(fā)源3、進(jìn)氣口4、輝光放電區(qū)5、陰極暗區(qū)6、基片7、絕緣支架8、直流電源9、真空室10、蒸發(fā)電源11、真空系統(tǒng)（2）離子鍍的類型和特點A.空心陰極離子鍍：利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體------適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)B.多弧離子鍍C.離子束輔助沉積

（3）離子鍍的應(yīng)用

利用空心鉭管作為陰極，輔助陽極距陰極較近，陽極是靶材。弧光放電時，電子轟擊靶材，使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時基片加上負(fù)偏壓可從吸引Ar離子轟擊，實現(xiàn)離子鍍。采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬。不需要熔池，陰極靶的位置靈活。優(yōu)點是蒸鍍速率快，缺點是膜層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙很多。離子束輔助沉積。在蒸鍍的同時，用離子束轟擊基片，離子束由寬束離子源產(chǎn)生。與一般的離子鍍相比，可以精確控制離子束流密度、能量和入射方向。4.2.2化學(xué)氣相沉積(CVDP61)CVD－－利用氣相反應(yīng)，在高溫、等離子體或激光輔助等條件下控制反應(yīng)氣壓、氣流速度、基片溫度等因素，從而控制納米微粒薄膜的成核生長過程；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)的薄膜材料。1.CVD化學(xué)反應(yīng)和特點（1）化學(xué)反應(yīng)

CVD是通過一個或多個化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)。①熱分解或高溫分解反應(yīng)SiH4(g)------Si(s)+2H2(g)Ni(CO)4-------Ni(s)+4CO(g)②還原反應(yīng)SiCl4(g)+2H2(g)------Si(s)+4HCl(g)WF6(g)+3H2(g)-----W(s)+6HF(g)③氧化反應(yīng)SiH4(g)+O2(g)------SiO2(s)+2H2(g)④水解反應(yīng)？2AlCl3(g)+3CO2(g)+3H2(g)----Al2O3(s)+6HCl(g)+3CO(g)【3CO2(g)+3H2----3

H2O+3CO(g)】

⑤復(fù)合反應(yīng)：包含上述一種或幾種基本反應(yīng)。TiCl4(g)+CH4(g)-----TiC(s)+4HCl(g)（2）CVD的特點①在中溫或高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學(xué)反應(yīng)而沉積固體。②可以在大氣壓（常壓）或者低于大氣壓（低壓）進(jìn)行沉積。③采用等離子和激光輔助技術(shù)可以顯著促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使沉積在較低的溫度下進(jìn)行。④沉積層的化學(xué)成分可以改變，從而獲得梯度沉淀物或者得到混合沉積層。⑤可以控制沉積層的密度和純度。⑥繞鍍性好，可在復(fù)雜形狀的基體上及顆粒材料上沉積。⑦氣流條件通常是層流的，在基體表面形成厚的邊界層。⑧沉積層通常具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，不耐彎曲。⑨可以形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物沉積層。2.CVD的方法（1）CVD的原理包括以下過程：①原料氣體向基片表面擴散②原料氣體吸附到基片上③吸附在基片上的化學(xué)物質(zhì)的表面反應(yīng)④析出顆粒在表面的擴散⑤產(chǎn)物從氣相分離⑥從產(chǎn)物析出區(qū)向塊狀固體的擴散CVD化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在基體材料和氣相間的擴散層中。由氣相析出固相的驅(qū)動力根據(jù)基體和氣相擴散層的溫差和物質(zhì)濃度差，即由化學(xué)平衡所決定的過飽和度。---因而，CVD法析出化合物的形狀依賴于反應(yīng)溫度、過飽和度、成核速率等。為了得到質(zhì)量好的薄膜，必須防止氣相中的均相成核，設(shè)定基片優(yōu)先成核的條件。（2）CVD的種類(常壓、低壓、熱陰極、等離子、間歇、激光、超聲等）（3）CVD的流程與裝置CVD的基本工藝流程基本流程：高壓氣體作為載氣需純化（除去H2、H2O氣等），非氣態(tài)原料先蒸發(fā)或升華，廢氣吸收或處理后排放。包括氣體供給、混合系統(tǒng)；反應(yīng)爐；廢氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。3.CVD的新技術(shù)(P66)(1)金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)(2)等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)(3)激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)(4)超聲波化學(xué)氣相沉積(UWCVD)(5)微波等離子體化學(xué)氣體沉積(MWPECVD)(6)納米薄膜的低能團簇束沉積(LEBCD)金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)MOCVD用易分解的金屬有機化合物作初始反應(yīng)物，因此沉積溫度較低。優(yōu)點是可以在熱敏感的基體上進(jìn)行沉積；缺點是沉積速率低，晶體缺陷密度高，膜中雜質(zhì)多。---許多金屬有機化合物在中溫分解，所以這項技術(shù)也稱為中溫CVD（MTCVD）。等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)用等離子體技術(shù)使反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在基底上生成固體薄膜的方法。該方法可以大幅度降低沉積溫度，從而不使基板發(fā)生相變或變形，而且成膜速率高。激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)通過激光活化而使常規(guī)CVD技術(shù)得到強化，工作溫度大大降低。優(yōu)點是不直接加熱基板，可按需要進(jìn)行沉積，空間選擇性好，甚至可使薄膜限制在任意微區(qū)內(nèi)；沉積速度比CVD快。超聲波化學(xué)氣相沉積(UWCVD)利用超聲波作為CVD過程中的能源。按照超聲波的傳遞方式，分為兩類：超聲波輻射式和基體直接振動式。沉積膜晶粒小、膜致密、與底材結(jié)合牢固。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。當(dāng)聲波的振動頻率小于20Hz或大于20KHz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。微波等離子體化學(xué)氣體沉積(MWPECVD)

將微波（300MHz-300GHz超高頻電磁波）作為CVD過程能量供給形式，利用微波能電離氣體而形成等離子體，屬低溫等離子范圍。特點：（1）產(chǎn)生的等離子體活性粒子多。（2）可以在很寬的氣壓范圍獲得。（3）反應(yīng)器內(nèi)部無電極，消除了氣體污染和電極腐蝕。（4）微波等離子體產(chǎn)生不帶高電壓，微波輻射易防護(hù)，使用安全。（5）參數(shù)變化范圍大，為廣泛應(yīng)用提供了可能性。納米薄膜的低能團簇束沉積(LEBCD)該技術(shù)首先將沉積材料激發(fā)成原子狀態(tài)，以Ar、He作為載氣使之形成團簇，同時采用電子束使團簇離化。利用飛行時間質(zhì)譜儀進(jìn)行分離，從而控制一定質(zhì)量、一定能量的團簇束沉積而形成薄膜。所沉積薄膜的納米結(jié)構(gòu)對團簇尺寸有很好的記憶特性。壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。介電材料：電阻率高，介電常數(shù)大。4.2.3溶膠-凝膠法1.概述溶膠-凝膠法是從金屬的有機或無機化合物的溶液出發(fā)，在溶液中通過化合物的加水分解、聚合，把溶液制成溶有金屬氧化物微粒子的溶膠液，進(jìn)一步發(fā)生凝膠化，再把凝膠加熱，可制成非晶體玻璃、多晶體陶瓷。溶膠-凝膠法可用的最好的化合物是金屬醇鹽，也可采用金屬的乙酰丙酮鹽或無機鹽。溶膠-凝膠法制膜的過程溶膠-凝膠法制膜的優(yōu)點：（1）工藝設(shè)備簡單（2）工藝過程中溫度低（3）可以在不同形狀、不同材料的基底上制膜。（4）容易制出多元的氧化物薄膜。（5）制備成本低2.溶膠-凝膠工藝(1)浸漬提拉法(dipping)包括浸漬、提拉、熱處理三個步驟(2)旋覆法(spinning)包括旋覆和熱處理兩個步驟(3)噴涂法(spraying)(4)刷涂法(painting)浸漬提拉法首先將基片浸入預(yù)先制備好的溶膠中，然后以一定的速度將基片向上提拉出液面，這時在基片上會形成一層均勻的液膜，緊接著溶劑迅速蒸發(fā)，附著在基片表面的溶膠迅速凝膠化并同時干燥，從而形成一層凝膠薄膜，在室溫下干燥，在一定溫度下進(jìn)行熱處理，可制得氧化物薄膜。旋覆法基片在勻膠臺上以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溶膠液滴從上方落于基片表面時，被迅速地涂覆到基片的整個表面。同浸漬法一樣，溶劑的蒸發(fā)使得旋覆在基片表面的溶膠迅速凝膠化，接著進(jìn)行熱處理可得到氧化物薄膜。浸漬提拉法膜厚較難控制，基片完全拉出液面后，由于液滴表面張力的作用，會在基片下部形成液滴，并進(jìn)而在液滴周圍產(chǎn)生一定的厚度梯度；在基片頂部的夾頭周圍也會產(chǎn)生厚度