納米薄膜與粉體

納米薄膜與粉體第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四一

磁過濾等離子體制備納米薄膜材料

1納米TiN薄膜材料

2納米晶體金剛石薄膜材料

3納米CN薄膜材料

4納米Cu3N薄膜的研究

二

等離子體制備納米金屬粉體材料

1等離子體制備金屬納米粉體裝置

2納米鎳粉體

3納米銀粉體

4納米銅粉體

5納米鋁粉體

6鐵納米材料

三

溶膠-凝膠法制備納米壓電陶瓷粉體材料

四納米鎳磷金剛石復(fù)合鍍研究

第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

前言

納米技術(shù)

納米技術(shù)將是21世紀(jì)最優(yōu)先發(fā)展的重要領(lǐng)域，可以說納米研究是目前國際國內(nèi)最為活躍的研究領(lǐng)域之一。就材料領(lǐng)域來說，納米材料被譽(yù)為跨世紀(jì)的新材料。納米材料可大體分為納米粉體，納米薄膜，納米塊體材料。它們表現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)材料的新奇物性。目前已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。國內(nèi)外的科研人員獲得了許多引人注目的成果。但仍然有大量的未知性質(zhì)和規(guī)律需要深入的研究和探索，并相應(yīng)需要開拓和發(fā)掘納米材料在眾多領(lǐng)域的用途。就納米材料的制備方法來說，有許多不同的方法，可以說各有千秋。但尋找可以高效率，低成本獲取優(yōu)質(zhì)納米材料的制備技術(shù)，仍然是各國科學(xué)家研究的重點(diǎn)。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

等離子體

等離子體作為物質(zhì)存在的第四態(tài)，在地球上很難自然存在。等離子體內(nèi)包含有大量的中性粒子，自由原子、離子，自由基，和電子。這種處于高激發(fā)態(tài)的微觀“粒子”可以導(dǎo)致晶體在低溫下的核化與生長。

等離子體技術(shù)幾乎可用于所有薄膜材料的制備。由于在等離子體中存在各種離子（或活性粒子），化學(xué)反應(yīng)能力大大提高，因此實(shí)際上等離子體沉積技術(shù)主要的是應(yīng)用了等離子體的激活效應(yīng)。運(yùn)用該技術(shù)制備薄膜可以在低的襯低溫度和氣相溫度下進(jìn)行。下面我們簡單介紹等離子體的一些基礎(chǔ)知識(shí)。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四粉體制備

在納米超微細(xì)粉體制備過程中，等離子體與其它技術(shù)

相比有許多優(yōu)點(diǎn)：

1.

能獲得比化學(xué)燃燒高數(shù)倍以上的溫度，而加熱速度

比化學(xué)燃燒大10倍以上

2

.

導(dǎo)致化學(xué)液相法難以合成的高溫相化合物快速生成。

3.

等離子體在接觸冷凝氣壁時(shí)，表現(xiàn)出特別高的冷卻速

度（106K/S），這樣的特殊環(huán)境把物體“凍結(jié)”在一種

特殊狀態(tài)，而這種狀態(tài)物質(zhì)的理化性質(zhì)是在一般冷卻

速度下所不能獲得的。

4.

粉體產(chǎn)品不需粉碎，生成的粒子很少凝聚，容易制得

粒度分布范圍窄的超細(xì)粒子。

5.

等離子體容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四一．

磁過濾等離子體制備納米薄膜材料

1納米結(jié)構(gòu)TiN薄膜的磁過濾等離子體制備研究

摘要:利用我們自主研制的磁過濾等離子體設(shè)備，在室溫條件下的不銹鋼基底上成功地制備了性能良好的納米結(jié)構(gòu)TiN

薄膜。運(yùn)用SEM，AFM,XRD和IR對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。利用納米硬度儀和動(dòng)摩擦系數(shù)精密測定儀測量了TiN薄膜的硬度，彈性摸量和摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示：沉積的TiN薄膜表面非常平整光滑，致密而無缺陷，硬度遠(yuǎn)高于TiN塊體的硬度，晶粒的尺寸可以控制在幾個(gè)到幾十個(gè)納米左右;

第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四磁過濾等離子體原理與裝置

第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

磁過濾等離子體管外觀圖

第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

60度彎管磁過濾等離子體裝置第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

“S”型磁過濾等離子體裝置第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

納米TiN薄膜的SEM圖像

第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四納米TiN薄膜的AFM平面圖第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

納米TiN薄膜的XRD圖譜隨偏壓的增加，TiN晶面（111）的擇優(yōu)取向更加明顯.角度都普遍向小角度位移，這是由于晶粒的細(xì)化和畸變引起的。

第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

圖2晶粒尺寸與顯微硬度的關(guān)系第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四主要結(jié)論:

室溫下可沉積出TiN薄膜，沉積過程中在基底上施加的負(fù)偏壓會(huì)強(qiáng)烈影響納米TiN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。通過改變偏壓可以有效控制納米晶粒的大小。發(fā)現(xiàn)顯微硬度隨納米TiN晶粒尺寸變化規(guī)律，顯微硬度強(qiáng)烈的依賴于納米晶粒的大小，并在晶粒尺寸為13.1nm使硬度到到最大值42Gpa,此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)TiN硬度值,小于或大于這個(gè)尺寸的TiN薄膜硬度都低于42GPa。而晶粒大小則受到偏壓的決定，隨施加偏壓的增加，納米晶粒的平均尺寸逐漸增大.在晶粒尺寸大于13.1nm范圍內(nèi)硬度基本滿足Hell-petch關(guān)系，但在小于13.1nm范圍內(nèi),不滿足正常的Hell-Petch關(guān)系。XRD衍射試驗(yàn)表明納米TiN的衍射角都普遍向小角度移動(dòng),晶粒取向也受到離子能量的強(qiáng)烈影響,隨偏壓的增加，TiN沿（111）晶面擇優(yōu)生長。晶粒尺寸與光學(xué)性能關(guān)系密切，反射率強(qiáng)烈依賴于晶粒大小，我們做出了黑色氮化鈦，但這一結(jié)果還有賴于進(jìn)一步分析。

第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四2

納米晶體金剛石薄膜材料

我們用磁過濾等離子體技術(shù)在室溫下沉積的不含H的納米金剛石薄膜中的sp3含量達(dá)到90%以上，硬度可高達(dá)80GPa,遠(yuǎn)高于其它技術(shù)制備的非晶碳膜（如濺射技術(shù)，最高20Gpa,目前電腦硬盤上表面鍍DLC常用），摩擦系數(shù)在0.11左右,與基底粘結(jié)牢固，薄膜的粗糙度小到0.1~0.5nm,各項(xiàng)指標(biāo)均接近天然金剛石，且成本很低。根據(jù)需要，沉積離子的平均能量可以從幾十

到幾千電子伏特范圍內(nèi)選擇，離子密度可高達(dá)1013cm-3,遠(yuǎn)高于其它類型的低溫等離子體，與托可馬克邊緣等離子體密度接近。因此該技術(shù)可用于微電子，電腦磁盤或者飛行器（slider）,精密玻璃，各種光盤，精密機(jī)械等材料的表面改性處理上。第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

納米金剛石薄膜AFM圖像第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四3納米CN薄膜材料

4納米Cu3N薄膜的研究

前言：很長一段時(shí)間，人們對金屬氮化物的研究主要集中在那些高硬度，高熔點(diǎn)，有極強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)特性的金屬氮化物上。而對一些以共價(jià)鍵結(jié)合的例如Cu3N,Ni3N和Sn3N4

的研究則很少。個(gè)中原因很多，主要是這類金屬不和氮直接發(fā)生作用。直到1988年，日本的S.Terda等在J.CrystalGrowthLetter上首次報(bào)道了用磁控濺射單晶外延法制出了Cu3N膜。1989年，美國的J.Blchar等又用直流等離子體氮化法獲得了具有Cu3N間隙相的薄膜材料。隨后各種研究也應(yīng)時(shí)而生，并且研究了其電學(xué)性質(zhì)和光記錄性質(zhì)。雖然進(jìn)行了許多研究，但總的來說，現(xiàn)在對Cu3N的研究仍處于制備層次。我們則用磁過濾等離子體進(jìn)行納米薄膜的研究。

應(yīng)用前景：Cu3N除具有電光等性質(zhì)外，還有一個(gè)突出的性質(zhì)，那就是低溫?zé)岱纸庑浴＜丛趯u3N進(jìn)行熱退火時(shí)，當(dāng)退火溫度高于某一溫度時(shí)，Cu3N即分解為Cu和N。當(dāng)其分解時(shí)，Cu將會(huì)在膜層結(jié)構(gòu)呈規(guī)則排列。這種性質(zhì)使其可作為光記錄介質(zhì)。Asano對這些應(yīng)用進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)Cu3N膜能在濕度95，溫度60℃中穩(wěn)定15個(gè)月，同時(shí)Cu3N無毒，這使其可代替目前有毒的光記錄介質(zhì)Te,因此它的潛在價(jià)值不可估量。

第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

納米Cu3N薄膜的AFM圖像

納米Cu3N薄膜的XRD衍射圖譜樣品003006007008L100(nm)19.127.824.215.1

通過謝樂公式可估算得部分制得晶粒大小如下：

第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

二等離子體制備納米金屬粉體材料

引言：金屬納米粉體材料是國內(nèi)外正在興起的高科技新材料，金屬納米粉體具有體積小，比表面積大的特點(diǎn)，有著強(qiáng)的表面活性、熔點(diǎn)大幅度降低、流動(dòng)性、界面擴(kuò)散率高、飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力極高、具有強(qiáng)力吸收電磁波和可見光等許多優(yōu)異性質(zhì)，金屬納米粉在軍事工業(yè)、航天、粉末冶金、石油加工、精細(xì)化工、汽車、電子、機(jī)械、超硬金屬材料工具、解源、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的使用領(lǐng)域和廣闊和發(fā)展前景。

金屬納米粉體已經(jīng)被初步工業(yè)化生產(chǎn)，并產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。金屬納米材料在許多領(lǐng)域都已經(jīng)成功應(yīng)用。目前主要用作催化劑，潤滑劑、助燃劑、活化燒結(jié)材料，醫(yī)用紗布，殺菌除臭等領(lǐng)域。如在潤滑油中添加少量的納米金屬粉后，可大大降低摩擦系數(shù)；在火箭燃料推進(jìn)劑中只要添加不到1%的納米鋁粉或鎳粉，可使其燃燒熱提高兩倍多；在鎢粉中加入少量納米鎳粉，可使燒結(jié)溫度從3000℃降至1200℃。

我們利用自行研制的等離子體裝置，生產(chǎn)的金屬納米粉體具有如下特點(diǎn)：外觀呈規(guī)則的圓球型，其粒徑分布均勻，分散性好，粉體純度高，日產(chǎn)量高。根據(jù)要求粒徑尺寸可以被制備到幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米。

第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四.等離子體制備金屬納米粉體裝置第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四等離子體制備納米金屬粉體裝置圖下表是我們生產(chǎn)的幾種納米金屬的松比和比表面積值

種

類

鎳

銀

鋁

銅松

裝

比g/cm30.08~0.20

0.30~0.60

0.08-0.20

0.15~0.35

比表面積m2/g40~65

30~50

40~60

30~50

第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四1納米鎳粉體

鎳納米粉的用途：高效催化劑，高效助燃劑，

導(dǎo)電漿料，高性能電極材料，活化燒結(jié)添加劑，金屬和非金屬的表面導(dǎo)電涂層處理，作為化學(xué)鍍陶瓷的添加劑等。超細(xì)的Fe，Ni與γ-Fe2O3混合輕燒結(jié)體可以代替貴金屬而作為汽車尾氣凈化劑第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四2納米銀粉體

納米材料的用途：導(dǎo)電漿料，電極，各種紙張，塑料，紡織品，食品，殺菌膠布，食物包裝袋表面涂敷用以滅菌.例如把Ag納米微粒加入到襪子中可以清除腳臭味，醫(yī)用紗布中放人納米Ag粒子有消毒殺菌作用。納米Ag代替微米Ag制成了導(dǎo)電膠，可以節(jié)省Ag粉50％，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。超細(xì)Ag粉，還可以作為乙烯氧化的催化劑；

第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四3納米銅粉體

納米銅粉體用途：

金屬和非金