薄膜材料

薄膜材料环102-4第一小组组长：隋峻康组员：鲁洋铭郭云根安伟骋高桂堂刘竹青尹雪郑妍赵朔吉智张传硕薄膜材料本课程的主要内容薄膜材料的应用一、薄膜的定义薄膜是一种二维材料，它在厚度方向上的尺寸很小，往往为纳米至微米量级。薄膜是一种人造材料，其结构和性质与制备方法和工艺条件密切相关。从宏观上讲，薄膜是位于两个平面之间的一层物质，其厚度与另外两维的尺寸相比要小得多。从微观角度来讲，薄膜是由原子或原子团凝聚而成的二维材料。但是究竟“薄”至何等尺度才可以认为是薄膜，并没有严格的界限。薄膜在英文中用ThinFilm来表示，类似的词还有Coating（涂层）等。最古老的薄膜：制备可上溯至三千多年前的中国商代，那时我们的祖先就已经会给陶瓷上“釉”了。汉代发明了用铅作助溶剂的低温铅釉。到了唐、宋时代，中国人的彩釉工艺达到了顶峰。釉涂层不仅是漂亮的装饰层，而且增加了陶瓷器的机械强度，还使其不易污染、便于清洗。可能最早的纳米薄膜：古代铜镜表面的防锈层（纳米氧化锡薄膜）陶瓷膜聚合物薄膜太阳能电池薄膜现代薄膜材料二、薄膜的分类构成薄膜的材料可以是气体（如吸附在固体表面的气体薄膜）、液体（如附着在液体或固体表面的油薄膜），但研究和应用最广泛的还是固体薄膜。它们可以是无机材料，也可以是有机材料，或是它们的混合物；可以是单质，也可以是化合物；可以是绝缘体，也可以是半导体，还可以是金属。其结构可能是单晶、多晶、非晶、微晶或超晶格。按用途对薄膜进行分类：1：导电薄膜（Si,ZnO）掺锡氧化铟（即IndiumTinOxide,简称ITO）材料是一种n型半导体材料，由于具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和化学稳定性，因此它是液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、电致发光显示器（EL/OLED）、触摸屏（TouchPanel）、太阳能电池以及其它电子仪表的透明电极最常用的材料。(但ITO薄膜在高溫應用上較不穩定，且銦(Indium，In)本身具有毒性)AZO阵列氧化锌纳米膜2.磁性薄膜：随着磁记录存储密度的不断提高，由纳米尺度的铁磁金属颗粒如Fe、Co、Ni及其合金等构成的磁性颗粒膜引起了人们极大的注意，成为当前研究的热点。Fe—Co合金薄膜，该合金薄膜中Fe的质量分数为52％～86％，薄膜具有高度密集的细粒结构，表面平滑光亮。特别适宜作薄膜磁头的磁极。3.光学薄膜：差不多所有光学薄膜的特性都是基于薄膜内的干涉效应。利用光学干涉薄膜可得到各仲各样的光学特性。它可以减少表面的反射率，增加元件的透射率。或者增加表面反射率，减少透射率，或者在一个波段内给出高的反射率、低的透射率，而在其余的波段则有低的反射率、高的透射率，也可以使不同的偏振平面有不同的特性等等。4.其它薄膜无机陶瓷过滤膜:膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜（厚度从几微米、几十微米至几百微米之间），在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。这种膜必须具有使某些物质通过、某些物质不能通过的特性。根据膜皮层空隙大小膜可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透等。陶瓷膜是无机膜中最主要的一种。主要用于工业规模的气体混合物分级分离。后来由于无机膜超滤和微滤技术的创立，使得无机膜技术得到进一步发展，出现了多种商品无机滤膜，并在水质处理、乳制品、饮料等工业中部分取代了有机高聚物膜。孔径可达30nm以下，空隙率超过50%，这种膜达到了气体分离的等级，成为有机高聚物膜的有力竞争对手。常用的多孔陶瓷膜材料有Al2O3、ZrO2、SiO2和TiO2、SiC及云母膜等。多孔陶瓷膜代表了无机膜的发展方向，是当前最重要的一类无机膜材料。三、薄膜的制备制备薄膜材料的物理气相沉积技术和化学气相沉积技术的基本原理和方法，包括蒸发、溅射、离子束、脉冲激光和等离子体化学气相沉积技术，以及分子束外延和液相法生长技术等。制备薄膜所用的物理方法通常叫做物理气柏沉积方法(PVD)，根据沉积过程的差异又分为热蒸发气相沉积法和溅射气相沉积法。热蒸发气相沉积法又叫真空蒸镀方法，它是在真至下加热蒸发材料(蒸镀材料)．使其蒸发粒子沉积在基板表面形成薄膜的一种方法．按照加热方式，热蒸发气相沉积方法分为电阻加热、闪电加热、激光加热和电子束加热等真空蒸镀方法，其中电阻加热方法是最常用的方法，它是用钨、铂等灯丝直接加热蒸发材料，或者把蒸发材料放在坩埚里间接加热，高熔点材料一般用电子束加热方法，石墨等物质用电弧沉积方法．溅射沉积方法(SputteringDeposition)是用离子轰击靶物质。与靶表面原子或分子发生碰撞，结果部分靶表面原子或分子蒸发出来，沉积在基底上形成薄膜。根据气体的离化和等离子体的产生方法，电源种类和电极结构的差别再可以细分。化学气相沉积方法：制备簿膜的化学方法通常叫做化学气相沉积方法，即CVD[ChemicalVapourDeposition]方法，化学气相积方法是在高温条件下通过卤化物、氢化物和硫化物等的氧化，还原，聚合，或其他的某种化学反应过程，在基板上形成薄膜的方法。SEM:中文即扫描电子显微镜TiO2薄膜的表面形貌EDS是分析电子激发产生的荧光X射线的能量,探测深度大约在500nm,是体相分析技术TEM(a)Co75Tb22.5Pt2.5薄膜的TEM照片(b)TEM电子绕射图。XRD不同温度热处理1h的TiO2膜XRD不同衬底温度下的ZnO薄膜的XRD图XPS是分析是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过分析产生的光电子的能量进行物质分析，属于表面分析技术。（化学分析电子能谱）溅射法合成的CN薄膜的XPS谱薄膜材料实例介绍：一、金刚石薄膜硬度高，导热率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高机械刀具薄膜电子功能薄膜二、氧化锌薄膜氧化锌(ZnO)薄膜是一种新型的透明导电氧化物(TCO)材料,因有替代氧化铟锡(ITO)的潜能而成为当今TCO材料中的研究热点,其优异的光学和电学性能使其在平板显示器、太阳能电池等光电器件中具有光明的应用前景。主要研究热点：掺杂（Al,Gd，N等）三、氧化钛薄膜纳米级TiO2颗粒具有较大的比表面积、特殊的光吸收性,用粉末状TiO2进行光催化氧化反应能有效氧化水中许多微生物、降解有机物，达到除毒、脱色、去臭直至完全降解为CO2和H2O等无机小分子的目的。由于TiO2具有良好的化学稳定性、抗磨损性、低成本以及可直接利用太阳光等优点，而在光电转换、光化学合成以及光催化氧化降解环境污染物等方面具有广阔的应用前景。主要研究热点：1、掺杂（光吸收与催化效果）2、载体（回收）TiO2光催化剂存在的2个难题:1)禁带宽度大，只有紫外光波段的光照才能将其激发，太阳能利用率低；2)激发后产生的光生空穴和光生电子容易复合，导致光催化活性下降，分解效率降低，这一直是科研人员致力于解决的课题。为此，通过对TiO2进行改性，在TiO2中掺杂少量金属元素、非金属元素等方法以弥补其对光吸收的不足。