纳米薄膜1课件.ppt

1、薄膜厚度尺寸微小、表厚度尺寸微小、表面质点比例大及结面质点比例大及结构的连续性受制于构的连续性受制于表面界面使薄膜表表面界面使薄膜表现出与同质块体材现出与同质块体材料有所不同的特性料有所不同的特性熔点降低熔点降低 （厚度越小，熔点越低）（厚度越小，熔点越低） 干涉效应引起光的选择性透射和反射干涉效应引起光的选择性透射和反射表面电子的非弹性散射使电导率和热导率下降表面电子的非弹性散射使电导率和热导率下降 能级分裂产生表面能级和表面磁各向异性能级分裂产生表面能级和表面磁各向异性超导临界温度变化超导临界温度变化(Tc金属金属升高，升高，Tc铜氧体铜氧体下降下降)绝缘薄膜厚度方向产生隧道电流绝缘薄膜厚

2、度方向产生隧道电流薄膜是在一个维度方向薄膜是在一个维度方向( (厚度厚度) )尺寸微小的二尺寸微小的二维固体材料，本质上说是维固体材料，本质上说是把表面性质优先的把表面性质优先的膜称为薄膜。膜称为薄膜。纳米薄膜及其特性 纳米薄膜是指晶粒尺寸或厚度为纳米级纳米薄膜是指晶粒尺寸或厚度为纳米级(1-100 nm)的的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜 。但实。但实际上目前研究最多的还是纳米颗粒膜，即纳米尺寸的际上目前研究最多的还是纳米颗粒膜，即纳米尺寸的微小颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合纳米材料体系。微小颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合纳米材料体系。纳米相的特

3、纳米相的特殊作用殊作用，颗，颗粒膜成为新粒膜成为新型复合材料型复合材料磁学磁学电学电学光学非线形光学非线形纳米磁性薄膜纳米磁性薄膜 纳米光学薄膜纳米光学薄膜 纳米气敏膜纳米气敏膜 纳米润滑膜纳米润滑膜 纳米多孔膜纳米多孔膜 纳米薄膜的制备纳米薄膜的制备 沉积类方法沉积类方法物理气相沉积物理气相沉积（PVD）化学气相沉积化学气相沉积（CVD）电化学沉积电化学沉积其他方法其他方法PVD包括三个基本过程包括三个基本过程 气相镀料的产生气相镀料的产生 气相镀料的输送：气相镀料的输送：一定的真空度是一定的真空度是PVD(PVD(真空镀膜真空镀膜) )的前提的前提 气相镀料的沉积气相镀料的沉积 热蒸发热蒸

4、发 由高能粒子击出由高能粒子击出蒸发镀膜（蒸镀）蒸发镀膜（蒸镀）溅射镀膜（溅射溅射镀膜（溅射）引入活性反应气引入活性反应气体形成化合物膜体形成化合物膜 反应镀反应镀用高能离子轰击用高能离子轰击沉积中的膜以改沉积中的膜以改善膜的结构性能善膜的结构性能离子镀离子镀 蒸镀和溅射均可做成反应镀和离子镀，进行反应镀时，蒸镀和溅射均可做成反应镀和离子镀，进行反应镀时，无需改变蒸镀装置，而离子镀的装置结构则大有不同，故无需改变蒸镀装置，而离子镀的装置结构则大有不同，故离子镀常被当作蒸镀与溅射之外的第离子镀常被当作蒸镀与溅射之外的第三种三种PVDPVD方法方法蒸镀薄膜的生长过程蒸镀薄膜的生长过程层岛结合生长（

5、蒸发原子间结合能蒸发原子与基体原子结合能）层岛结合生长（蒸发原子间结合能蒸发原子与基体原子结合能）在半导体表面镀金属膜时在半导体表面镀金属膜时如膜、基结构、性能匹配较好的如膜、基结构、性能匹配较好的“外延生长外延生长”分子束外延分子束外延层向生长（蒸发原子间结合能层向生长（蒸发原子间结合能 蒸发原子与基体原子结合能）蒸发原子与基体原子结合能）岛状生长（蒸发原子间结合能蒸发原子与基体原子结合能岛状生长（蒸发原子间结合能蒸发原子与基体原子结合能） 塑料镀铝、玻璃镀银即是塑料镀铝、玻璃镀银即是纳米薄膜的获得主要通过两纳米薄膜的获得主要通过两种途径：种途径：在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，在

6、非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，如采用共溅射方法制备如采用共溅射方法制备SiSiO2薄膜，在薄膜，在700-9000C氮气气氛下快速退火获得纳米氮气气氛下快速退火获得纳米St颗粒。颗粒。在薄膜的成核生长过程中调节成膜条件以控制纳米在薄膜的成核生长过程中调节成膜条件以控制纳米结构的形成。在溅射工艺中，高溅射气压、低溅射功结构的形成。在溅射工艺中，高溅射气压、低溅射功率条件下最易得到纳米结构的薄膜。率条件下最易得到纳米结构的薄膜。 中科院上海硅酸盐所在高频反应溅射氧化中科院上海硅酸盐所在高频反应溅射氧化镍薄膜中发现征镍薄膜中发现征6Pa低压力的条件下，沉积的低压力的条件下，沉积的氧化镍薄膜

7、具有氧化镍薄膜具有5-l0nm的纳米结构，随着真的纳米结构，随着真空度的提高，薄膜中非晶态的含量逐渐增加。空度的提高，薄膜中非晶态的含量逐渐增加。 而从电变色性能而言，粒径尺寸控制在而从电变色性能而言，粒径尺寸控制在5-10 nm的氧化镍薄膜呈现出优异的电变色性的氧化镍薄膜呈现出优异的电变色性能。能。例例工艺条件的影响化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）基本过程：基本过程：l利用挥发性金属化合物等蒸气为原料，进行气利用挥发性金属化合物等蒸气为原料，进行气相热分解和其他相热分解和其他化学反应化学反应来生成超细粉体并来生成超细粉体并沉沉积积于基体物质表面以制备薄膜。于基体物质表面以制备薄膜。化学气

8、相沉积（化学气相沉积（CVD）CVDCVD薄膜的形成过程薄膜的形成过程 1 导入反应气体导入反应气体3 吸附吸附2 向边界层扩散向边界层扩散4 表面化学反应表面化学反应5 气态产物脱附气态产物脱附界面界面6 气态产物向主气流层扩散气态产物向主气流层扩散主气流层主气流层7 排出体系排出体系 边界层边界层化学气相沉积方法化学气相沉积方法 化学气相沉积方法也是常规的纳米薄膜化学气相沉积方法也是常规的纳米薄膜制备方法之一，包括常压、低压、等离子体制备方法之一，包括常压、低压、等离子体辅助气相沉积等。辅助气相沉积等。 CVD中影响薄膜质量参数有：中影响薄膜质量参数有： 反应气体组成反应气体组成 工作气压

9、工作气压 沉积温度（单晶、多晶、无定形晶）沉积温度（单晶、多晶、无定形晶） 气体流量及原料气体的纯度等。气体流量及原料气体的纯度等。 纳米微粒薄膜的制备，利用气相反应，在高温、等离子或激光辅助等条件下通过控制反应气压、气流速率、基片材料温度等因素而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程，通过薄膜后处理控制非晶薄膜的晶化过程，从而获得纳米结构的薄膜材料，这一工艺方法在半导体、氧化物、氮化物、碳化物纳米微粒薄膜中应用较多。电化学沉积电化学沉积l电化学沉积方法作为一种十分经济而又简单的电化学沉积方法作为一种十分经济而又简单的传统工艺手段，可用于合成具有纳米结构的纯传统工艺手段，可用于合成具有纳米结构的纯金属

10、、合金、金属金属、合金、金属陶瓷复合涂层。陶瓷复合涂层。l包括直流电镀、脉冲电镀、无极电镀、共沉积包括直流电镀、脉冲电镀、无极电镀、共沉积等技术。等技术。电化学沉积电化学沉积l纳米结构的获得，关键在于制各过程中晶粒成纳米结构的获得，关键在于制各过程中晶粒成核与生长的控制。核与生长的控制。l电化学方法制备的纳米材料在抗腐蚀、抗磨损、电化学方法制备的纳米材料在抗腐蚀、抗磨损、磁性、催化、储氢、磁记录等方面均具有良好磁性、催化、储氢、磁记录等方面均具有良好的应用前景。的应用前景。其他方法其他方法l热分解法热分解法l冷喷涂技术冷喷涂技术l热喷涂技术热喷涂技术l离化团簇束等新技术（离化团簇束等新技术（我

11、国南京大学的研我国南京大学的研 究人员采用低能团簇束沉积技术成功制得究人员采用低能团簇束沉积技术成功制得Te纳米薄膜纳米薄膜） 目前，纳米薄膜的结构、特性、应用研究目前，纳米薄膜的结构、特性、应用研究还处于起步阶段，随着纳米薄膜研究工作的发还处于起步阶段，随着纳米薄膜研究工作的发展，更多结构新颖、性能独特的薄膜必将出现。展，更多结构新颖、性能独特的薄膜必将出现。 纳米薄膜由于具有传统复合材料和现代纳纳米薄膜由于具有传统复合材料和现代纳米材料两者的优越性米材料两者的优越性, 正成为纳米材料的重要正成为纳米材料的重要分支而越来越引起广泛的重视和深入的研究。分支而越来越引起广泛的重视和深入的研究。而其关键便在于探索其新现象而其关键便在于探索其新现象, 新效应以及它新效应以及它们的物理起因。们的物理起因。发展前景 纳米薄膜的性能主要依赖于晶粒纳米薄膜的性能主要依赖于晶粒（颗粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度（颗粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构，这是以后纳米薄膜研及多层膜的结构，这是以后纳米薄膜研究的主要内容。而根据纳米薄膜的特异究的主要内容。而根据纳米薄膜的特异性能开拓新用途性能开拓新用途, 实现产业化也是纳米实现产业化也是纳米薄膜材料发展的根本之所在。薄膜材料发展的根本之所在。谢谢！谢谢！