纳米科学与技术在薄膜材料中的应用

纳米科学与技术在薄膜材料中的应用1.纳米科学与技术的定义纳米科学与技术（Nano-ST）是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。而纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[1]。当然，纳米科学与技术的应用也相当广泛。2.纳米薄膜及其分类早在1000多年以前，我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料，可能就是最早的纳米颗粒材料；我国古代铜镜表面的防锈层，经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，这大概是最早的纳米薄膜材料。纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质。可以分为两类：(1)含有纳米颗粒与原子团簇——基质薄膜；(2)纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近电子自由程和Denye长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如，镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应，该结构相当于大原子——超原子膜材料具有三维特征；纳米厚度的信息存贮薄膜具有超高密度功能，这类集成器件具有惊人的信息处理能力；纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构，导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强[1]。按纳术薄膜的应用性能，纳米薄膜大致可以分为以下几种：纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜、纳滤膜、纳米润滑膜及纳米多孔膜等。还有LB膜和SA膜等有序组装膜[2]。3.纳米薄膜的制备方法纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法和化学方法两大类。粒子束溅射沉积和磁控溅射沉积，以及低能团簇束沉积法都属于物理方法；化学气相沉积(CVD)、溶胶——凝胶(Sol—Gel)法和电沉积法属于化学方法[1]。4.纳米薄膜的应用及前景纳米薄膜可应用于气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。下面就举例说明纳米科学与技术在薄膜材料中的应用。纳米薄膜可以改善滚动轴承的表面性能以减少振动，降低噪声，减小摩擦，延长轴承寿命。其机理是在滚动轴承套圈的滚动面和滚动体表面生成纳米级的表面膜，由于纳米粒子的量子尺寸效应；小尺寸效应；表面效应；宏观量子隧道效应等使得纳米薄膜的力学性能呈现出常规材料不具备的特性，这些特性对改善滚动轴承的表面性能有着显著作用。加工过程中伴随的温度和压力可以使纳米颗粒更充分地渗入到摩擦表面，形成极薄的边界润滑膜（如图1所示）[3]。纳米硅薄膜是在PECVD系统中利用等离子体气相沉积技术在衬底材料上（硅片、石英片、玻璃、有机塑料膜等）生成的由大量细小（仅几个纳米大小）的硅晶粒构成的薄膜。大量的实验证实，纳米硅薄膜对太阳光谱的吸收范围和能力(吸收系数)明显的大于单晶硅和多晶硅，也在非晶硅和微晶硅之上(见图2)。所以，它是用来研究太阳电池的理想材料[4]。AlN不但有优良的物理、化学特性，而且有良好的机械性，因此是一种很好的雅典和介电材料。因此纳米AlN薄膜可用于及成功电路的封装、制作微波器件和散热器以及多用途耐火材料等。另外，由于AlN具有很高的超声传导速度和压电耦合系数，人们正在研究用纳米AlN薄膜制作高频率表面波器件[2]。二氧化锡(SnO2)是一种宽带半导体材料,SnO2透明导电薄膜是一种重要的光电信息材料，符合作为透明电极和光电材料的要求，它不但硬度大、耐化学腐蚀、光学透过率和导电率高且安全性好，而且是一种价格低廉性能优良的氧化物半导体薄膜材料。它在气敏材料中的应用已实用化。纳米晶SnO2薄膜在高效再生锂电池等方面的成功应用使得对纳米晶SnO2薄膜的研究成为热点之一[5]。纳米科学与技术在许多领域都有着广泛的应用前景，尤其是在薄膜材料领域。利用新的物理或者化学性质、新的原理、新的方法设计纳米结构性器件和纳米复合材料会不断涌现出新的突破。参考文献[1]邱成军，曹茂盛，朱静等.纳米薄膜材料的研究进展.[J].材料科学与工程，2001,19(4)[2]陈光华，邓金祥.纳米薄膜技术与应用.[M].北京：化学工业出版社，2004[3]陈龙，夏新涛，王中宇等.纳米薄膜轴承技术方法.[J].新技术新工艺，2004（9）[4]何宇亮，李正平，沈文忠.纳米硅薄膜的特殊性能及其应用前景.[会议论文]，2010[5]王占和，吴海霞等.纳米晶SnO,2薄膜的结晶特性.[会议论文]，2002