功能薄膜材料

關(guān)于功能薄膜材料第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，制備薄膜材料的技術(shù)發(fā)展也十分迅速。制膜的方法----分為物理和化學(xué)兩大類具體方式上，又分干法，濕法和噴涂，而每種方式又可分為多種方法。第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的分類（按材質(zhì)分）1.金屬薄膜材料（結(jié)構(gòu)性，功能性）2.無機、陶瓷薄膜材料（結(jié)構(gòu)性，功能性）3.有機、聚合物薄膜材料4.半導(dǎo)體薄膜材料第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的分類（按功能分）力功能薄膜材料

(超硬薄膜材料超潤滑薄膜材料)磁功能薄膜材料

(高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料)光功能薄膜材料

(紅外反射薄膜材料隱身薄膜材料)電功能薄膜材料

(超導(dǎo)薄膜材料)第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的應(yīng)用一、表面改性二、耐磨及表面防護涂層三、能量變換薄膜與器件四、傳感器五、集成光學(xué)器件六、磁記錄薄膜和光存儲薄膜第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、表面改性1、表面改性的定義

就是在保護塊狀材料固有特性的優(yōu)點基上，僅對表面進行加工處理使其產(chǎn)生新的物理、化學(xué)特性以及所需要的功能的各種方法，統(tǒng)稱表面改性。表面改性不僅可以提高經(jīng)濟效益，而且對于節(jié)省資源、能源、開發(fā)材料新功能，提高可靠性，實現(xiàn)輕薄短小化等都具有十分重要的意義。第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、表面改性的手段（1）表面處理技術(shù)（形成表面改性層）通過物理的或化學(xué)的手段，在物質(zhì)表面層中引入反應(yīng)成分，形成混合相或合成相，從而產(chǎn)生新的功能和材料特性。（2）膜沉積技術(shù)（形成復(fù)合多層膜）在基體材料表面析出或沉積有別于基體材料的膜層，從而顯示新的功能和材料特性。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、用于表面改性的主要方法3.1用于表面改性的處理技術(shù)離子注入、等離子體表面處理、激光表面處理3.2利于薄膜沉積的技術(shù)

PVD法、CVD法第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、耐磨及表面防護涂層1、硬質(zhì)涂層主要用途：各種切削刀具、模具、工具和摩擦零件，比如TiN和TiC涂層。主要組成：基底（合金）+涂層（陶瓷）主要制備方法：CVD和PVD（蒸發(fā)、濺射、離子鍍）

第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月切削刀具、模具第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月以TiN鍍層對各種刀具為例(1)齒輪切削刀具，主要是滾齒刀和插齒刀據(jù)統(tǒng)計，國外汽車制造業(yè)所用的滾刀至少有30%-40%是已鍍TiN膜的。Barber-Colman公司使用Balzers的活性反應(yīng)離子鍍裝置，滾刀壽命8：1或10：1。第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月Fellows舉例：生產(chǎn)70個齒的汽車內(nèi)嚙合齒輪，用斜插齒刀每磨刃一次，可生產(chǎn)300件，磨損量為0.254mm;沒有鍍的齒刀每磨刃一次生產(chǎn)75件,磨損量為0.925mmFellows舉例：生產(chǎn)20齒的卡車變速齒輪，TiN鍍層刀具每把可生產(chǎn)5600個齒輪，未鍍的只生產(chǎn)700個。近幾年內(nèi)，TiN鍍層刀具至少將占齒輪加工刀具市場的70%第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）鉆頭①首先應(yīng)考慮的因素是被加工材料的特殊性，Guhring公司利用德國制作的麻花鉆頭，進行TiN鍍層處理，結(jié)果表明鍍膜鉆頭鉆孔數(shù)目的平均增加范圍從142%到923%，前者是普通鋼、低合金鋼；后者是不銹鋼、耐熱鋼。第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月②可以提高機床的效率。使用鍍膜刀具可以允許使用更高的切削用量和更大尺寸的刃具，同規(guī)格刀具相比，鍍膜的生產(chǎn)效率可提高40%以上。③鉆頭經(jīng)重磨也保留著許多好處。像齒輪加工刀具一樣，鍍膜鉆頭在用傳統(tǒng)方法對其刀頭重磨后，仍保留有大部分最初獲得的好處。第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月④在某些合適的切削參數(shù)下效果更顯著。VermontTop&Die公司提供的刀具壽命與切速的關(guān)系表明，鉆頭使用的切速越高，它與標(biāo)準(zhǔn)刀具相比就顯得越優(yōu)越。舉例：用的普通鉆頭，對硬度為HRC=32的4340鋼進行切削時，中等切削速度17.1m/min時，TiN鍍膜打孔數(shù)量增加228%；提高到28.3m/min,未鍍的鉆頭不能用了,加工能力下降了86%,TiN鍍膜與中等速度時一樣。提高到46m/min，未鍍已完全不能使用，而鍍膜則經(jīng)受住了進一步的考驗。第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）其他刀具包括端銑刀、絲錐、拉刀等。DOALL公司的端銑刀，在一定的主刀磨損標(biāo)準(zhǔn)下，在切削速度為22.2m/min時，鍍的切削長度是未鍍的2.6倍,而當(dāng)提高到31.3m/min時,這一比例增加9:1.第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、熱防護涂層噴氣發(fā)動機的葉片（Ni，Co，F(xiàn)e）CrAlY+氧化鋯渦輪發(fā)動機，200μmZrO2,100℃

等離子噴涂，使用溫度1300℃第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月凸輪軸氣缸氣門350℃600℃～800℃高溫高壓發(fā)動機驅(qū)動零部件的工作環(huán)境極其惡劣高溫高壓頻繁沖擊對零部件的表面特性提出了極高的要求在發(fā)動機中的運用第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、防腐涂層優(yōu)點：耐腐蝕性好、耐磨性好、耐熱性好種類：氧化鋯、氧化鋁、氧化鉻制備方法：熱噴涂第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、能量變換薄膜與器件一次能量經(jīng)過各種現(xiàn)象、效應(yīng)、作用、反應(yīng)等，變?yōu)槎文芰康男问?。機械、熱、電、磁、光、放射線、化學(xué)太陽能利用最普遍的形式是太陽能熱水器和太陽能電池。第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月主要種類1、光電變換薄膜材料2、光熱變換薄膜材料3、熱電變換薄膜材料4、熱電子發(fā)身薄膜材料5、固體電解質(zhì)薄膜材料6、超導(dǎo)薄膜器件第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光電變換薄膜材料太陽能電池基本原理，在太陽光照射下，產(chǎn)生從p到n的電流。種類:1.α-Si系薄膜太陽能電池2.poly-Si薄膜太陽能電池3.化合物薄膜太陽能電池①CdTe薄膜太陽能電池②CIS(CuInSe2)太陽能電池③CIGS(CuInxGa1-xSe2)太陽能電池Si系太陽能效率已達(dá)到12%以上，鍍膜的方法，采用各種等離子的方法，以及利用光、ECR等的CVD法等。第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖CIGS薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)

第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月材料方面，寬能隙p型α-Si窗口材料已獲得廣泛應(yīng)用，為進一步提高太陽能電池的效率，正在開發(fā)新的p型層材料。超晶格材料以及微晶材料。氟系α-SiGe的開發(fā)。電池結(jié)構(gòu)方面為多層結(jié)構(gòu)。日本：新陽光計劃；美國：Solar2000計劃；歐盟：Sahel計劃第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光熱變換薄膜材料實際應(yīng)用有太陽能房和太陽能熱水器。光選擇特性膜，考慮因素：①利用材料的固有特性；②設(shè)計多層干涉膜；③利用幾何學(xué)的微細(xì)結(jié)構(gòu)表面等。In2o3(Sn)/Py-硼硅酸玻璃基板，可見光透射率75-85%，紅外光反射率80-85%Sno2(Sb)，可見光透射率80%，紅外光反射率70-75%第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、熱電變換薄膜材料熱電現(xiàn)象半導(dǎo)體材料比金屬明顯。熱電發(fā)電材料中，依其工作濕區(qū)分為：低溫用（500K，Bi2Te3,ZnSb）、中溫用（500-900K,PbTe）、高溫用（900K,CrSi2,FeSi2，CoSi）主要物質(zhì)有硫?qū)倩衔锵挡牧?、過渡金屬硅化物（Fe-Six系材料，硅鍺系材料、硼系材料及非晶態(tài)材料等）Z=α2/κρ第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4、熱電子發(fā)身薄膜材料處于高溫的金屬或某些金屬化合物，可發(fā)射熱電子。常作為熱發(fā)射燈絲而應(yīng)用的電子源。Richardson-Dushmann公式舉例：X-B（X=Cr,Ta,Y,Ca,Sr,Ce）第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月5、固體電解質(zhì)薄膜材料固體電解質(zhì)是固體離子的傳導(dǎo)體，對特定的離子選擇性地顯示出大的傳導(dǎo)性。這類材料常溫下的電導(dǎo)率大致為10-5~10-1S·cm-1β-Al2O3是人們所熟知的鈉離子傳導(dǎo)體。氧離子傳導(dǎo)體，二氧化鋯燃料電池是將化學(xué)能直接變換為電能的電化學(xué)裝置，它從外部向正極提供O2或空氣等，而向負(fù)極提供乙醇、碳水化合物等，通過電化學(xué)反應(yīng)不斷從負(fù)極向正極輸送電子流。第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月6、超導(dǎo)薄膜器件舉例：鈣鈦礦系氧化物超導(dǎo)體薄膜及大型單晶Bi2Sr2Cuo6-,Tl2Ba2CuO6-δYt系（LnBa2Cu3O7-Y2Ba4Cu8O16-）第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、傳感器

所謂傳感器，是指可接受外界信息（刺激），如光、熱、磁、壓力、加速度、濕度、環(huán)境氣氛等，并能在體系內(nèi)變換為可處理信號的器件。第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要種類：工業(yè)類用傳感器和生物醫(yī)學(xué)用傳感器環(huán)境友好型工業(yè)用傳感器分：①生產(chǎn)技術(shù)用（工業(yè)生產(chǎn)所必需的環(huán)境、氣氛條件的監(jiān)視、控制等）；②生活保證用（工業(yè)生產(chǎn)中生活環(huán)境、氣氛條件的監(jiān)視、控制等）生物醫(yī)學(xué)用傳感器：①醫(yī)療活動及醫(yī)療生活的支援；②為保證及維持上述所需的環(huán)境、氣氛等應(yīng)進行的監(jiān)視、控制等第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

在材料科學(xué)領(lǐng)域需要開發(fā)三種材料：①舒適材料；②前沿環(huán)境材料③環(huán)境協(xié)調(diào)材料舉例：熱釋電型紅外線傳感器，利用隨溫度變化材料表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象（熱釋電效應(yīng)），由紅外線能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并以電荷（輸出電壓）的方式檢出?？蓮V泛用于非接觸式溫度計進行流動人群體溫測量，檢測人及動物的位置、動作及活動等常用材料：LiTaO3、Pb1-xZrxTi1-x/4O3(PZT)·PbTiO3·Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月五、集成光學(xué)器件1、集成光波導(dǎo)和光學(xué)器件集成光學(xué)器件中用來傳輸光信號的基本元件是光波導(dǎo)，其基本形式由襯底、光的傳輸層以及反射層三層結(jié)構(gòu)所組成。第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、集成光學(xué)器件材料集成光路用材料的基本要求：①具有某些功能，或者不僅能產(chǎn)生光、接收光、傳輸光和控制光，而且還能制作各種回路。前者可以作成單功能或某些功能的集成光路，后者可以在同一基板上做成多功能的光電集成回路；②材料要具有一定的折射率，光波導(dǎo)的折射率比基板的折射率高大約10-3～10-1；③材料做成薄膜光波導(dǎo)后，在使用波長范圍內(nèi)的傳輸損耗必須低于1dB/cm；④便于制作波導(dǎo)及器件，所制成元器件在外界各種工作環(huán)境下性能穩(wěn)定。第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月所用材料分三類：①以GaAs為基礎(chǔ)形成的光電子材料，包括AlGaAs、InP、GaInasP等它們是一般制作光電子器件常采用的材料②以LiNbO3--鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為代表的具有特殊電光性質(zhì)的單晶材料；波導(dǎo)形成方法：外擴散、內(nèi)擴散、質(zhì)子交換和離子注入等③包括了各種多晶和非晶態(tài)的物質(zhì)，如氧化物、玻璃以及聚合物等第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月主要器件：光波導(dǎo)相位調(diào)制器、強度調(diào)制器、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、模式轉(zhuǎn)換器、濾波器、波分復(fù)用器、聲光頻譜分析器、模－數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)－模轉(zhuǎn)換器、倍頻器、以及多種傳感器等缺點：抗光損傷能力差第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月舉例：玻璃1．三階非線性光學(xué)玻璃：均質(zhì)玻璃：重金屬氧化物玻璃或硫系玻璃不伴隨有光的吸收，吸收系數(shù)接近于0響應(yīng)速度非?？?，可以達(dá)到飛秒級適合于光開關(guān)、光調(diào)制等光控制器件納米金屬顆粒彌散玻璃由局部電場的封閉效應(yīng)引起，有吸收皮秒級的響應(yīng)速度納米半導(dǎo)體顆粒彌散玻璃由量子封閉效應(yīng)引起，伴隨光吸收響應(yīng)速度一般在皮秒級以上第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.二階非線性光學(xué)玻璃玻璃等非晶態(tài)物質(zhì)是各向同性的，在宏觀上具有反演對稱性，通常認(rèn)為不具備二階非線性光學(xué)效應(yīng)強外場處理的玻璃可以在局部形成結(jié)構(gòu)缺陷，從而具備二階非線性光學(xué)效應(yīng)強場處理：電場/溫度場，電場/紫外光，電子束輻照，強激光誘導(dǎo)，超短脈沖激光第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月六、磁記錄薄膜和光存儲薄膜電子計算機采用二進位數(shù)據(jù)存儲；內(nèi)存儲大都用半導(dǎo)體動態(tài)存儲器；外存儲主要有磁帶、軟磁盤、硬磁盤、只讀光盤和磁光盤等。第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月FeRAM——鐵電體隨機存取存儲，是未來的一種永久性存儲器；FeRAM利用鐵電體材料的電滯回線效應(yīng)，使得數(shù)據(jù)不消失性，擦寫次數(shù)又可達(dá)到1010～1012次，存取速度也非常快，達(dá)到微秒以下FeRAM的主要材料：氧化物鐵電體材料和作為電極的氧化物導(dǎo)體材料第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月磁存儲材料磁記錄的原理是利用磁矩的兩個不同方向來進行記錄的。要求材料具有硬磁性常見材料：a-Fe及Fe-Co、Co-Cr等合金和氧化物陶瓷薄膜，如g-Fe2O3，F(xiàn)e3O4和鋇鐵氧體等磁頭材料：要求磁導(dǎo)率高，飽和磁通密度大。也就是說要采用軟磁材料第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月光存儲材料①存儲密度高；②載噪比高；③非接觸式讀/寫信息，不會讓光學(xué)頭或盤面損傷、并能自由地更換光盤，使光盤驅(qū)動器便于和計算機聯(lián)機使用；④存儲壽命長；⑤單位信息位價格低。照相膠片：將鹵化銀顆粒分散于明膠中的一種材料光致抗蝕劑：浮雕型位相記錄介質(zhì)，如通常光源用的重鉻酸鹽＋水溶性高分子（PVA等）和二苯甲酮增感多功能基團單聚物＋可溶性高分子以及用于電子束或XPMMA（正形）和聚甲基硅氧烷（負(fù)型）等。第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月光折變材料：一是