纳米薄膜材料主讲：徐扬海 专业：应用化学 导师：王芳 联系方式：13590133410

纳米薄膜材料一.定义: 纳米薄膜是由指由尺寸在纳米量级的的晶粒或 颗粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄 膜中构成的复合膜(如Ge/SiO2,将Ge镶嵌于 SiO2中),以及每层厚度在纳米量级的单层或 多层膜，有时也成为纳米晶粒薄膜或纳米多层 膜。

二.纳米薄膜材料的分类1)纳米薄膜，按用途分为两大类:纳米功能薄膜和纳米 结构薄膜。 纳米功能薄膜:主要是利用纳米粒子所具有的光、电、 磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的 特殊功能。 纳米结构薄膜:主要是通过纳米粒子复合，提高材料在 机械方面的性能。

二.纳米薄膜的分类2)按膜的功能分 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 纳米多孔膜 LB(Langmuir Buldgett)膜 SA(分子自组装)膜

二.纳米薄膜材料分类3)按膜层结构分类 单层膜 如热喷涂法的表面膜等 双层膜 如在真空气相沉积的反射膜上再镀一层 多层膜 指双层以上的膜系

二.纳米薄膜材料分类4)按膜层材料分 金属膜，如Au、Ag等 合金膜，如Cr-Fe、Pb-Cu等 氧化物薄膜 非氧化物无机膜 有机化合物膜

2.1纳米磁性薄膜自从1988年有人在Fe/Cr纳米量级的多层膜中发现巨 磁电阻效应以来，纳米磁性薄膜引起了人们强烈的研究 兴趣。由于晶体结构的有序和磁性体的形状效应，磁性 材料的内能一般与其内部的磁化方向有关，即会造成磁 各向异性。与三维体材不同，薄膜材料存在单轴磁各向 异性，只有薄膜内的某个特定方向易于磁化，因此被成 功地应用于磁记录介质。一般薄膜材料是平面磁化的， 而纳米磁性薄膜由于厚度很薄，只有薄膜的法线方向易 于磁化，即具有垂直磁化性质。因此纳米磁性薄膜可以 削弱传统磁记录介质中信息存储密度受到其自运磁效应 的限制，而有较大应用前景。

2.2纳米光学薄膜随着构成光学膜的晶粒尺寸的减小，晶界密度将增 加，膜表面的粗糙度也将发生变化，表面光散射及光吸 收必然不同。因此，当尺寸减小到纳米量级时，薄膜的 光学性能也必将发生变化。 纳米晶Si膜是国内外广泛研究的一种纳米光学薄膜， 表面原子数几乎和体内原子数相等，因而显示出与晶态、 非晶态物质均不同的崭新性质。纳米晶Si膜具有热稳定 性好、光吸收能力强、掺杂效应高、室温电导率可在大 范围内变化等优点，通过控制沉积温度、薄膜厚度、内 部结构，晶粒尺寸等可得到优良的光学薄膜材料。

2.3纳米气敏材料纳米气敏膜的原理是，利用其在吸附某种气体之后引 起物

理参数的变化来探测气体。因此，纳米气敏膜吸附 气体的速率越高，信号传递的速度越快，其灵敏度也就 越高。组成纳米气敏膜的颗粒很小，表面原子所占比例 很大，其表面活性就大，因而在相同体积和相同时间下 ，纳米气敏膜比普通膜能吸附更多的气体。而且，纳米 气敏膜中充满了极为细微的孔道，界面密度又很大，密 集的界面网络提供了快速扩散的通道，具有扩散系数高 和准各向异性的特点，进一步提高了反应速度。因此， 纳米气敏膜具有比普通膜更好的气敏性、选择性和稳定 性。SnO2纳米颗粒气敏膜是当前研究的热点。

2.4纳滤膜纳滤膜是20世纪80年代末期问世的新型分离膜，采用 纳米材料研制出分离仅在分子结构上有微小差别的多组 分混合物，介于超滤膜和反渗透膜之间。膜在渗透过程 中截留率大于95%的最小分子大小约为1nm ,因此称为 “纳滤”。 纳滤膜技术具有离子选择性和操作压力低的特点，故 有时也称“选择性反渗透”和“低压反渗透”。纳滤膜 能截留有机小分子而使大部分无机盐通过，对无机盐也 有一定的截留率。可实现不同价态离子的分离，能分离 相对分子质量差异很小的同类氨基酸和同类蛋白质，并 实现高、低相对分子质量有机物的分离。 纳滤膜一般是由高聚物组成活化层的复合膜，表面分 离层由聚电解质构成，与其支撑层的化学组成不同。

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纳米薄膜材料的制备化学法：指在镀膜技术中，有化学反应参与，通过物质间 的化学反应实现薄膜的生长。 ①化学还原法 ②化学气相沉积法(CVD) ③高温分解法 ④溶胶-凝胶法 ⑤电浮法 ⑥阴极电镀法

纳米薄膜材料制备物理法：指在薄膜沉积过程中，不涉及化学反应，薄膜的 生长基本是物理过程。 ①真空蒸发法； ②溅射法； ③离子镀沉积法； ④离子、电子束沉积法； ⑤准分子激光蒸镀法。

离子束溅射沉积法所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶),使固 体原子(或分子)从表面射出的现象。这些被溅射出来的原 子将带有一定的动能，并具有方向性。应用这一现象将溅 射出来的物质沉积到基片或工件表面形成薄膜的方法称为 溅射(镀膜)法。它属于物理气相沉积法的一种。 使用这种方法制备纳米薄膜是在多功能离子束辅助沉 积装置上完成，在溅射靶加有射频电压(AC即交流电压 )。射频溅射适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉 积方法。一般来说在射频中使用的高频电源频率已属于射 频范围，为5-30MPa,国际上通常采用的射频频率为 13.56MPa。

离子束溅射沉积法在射频电场的作用下，电子在被阳极吸收之前，能在 阴、阳极之间的空问来回振荡，因而有更多的机会与气体 分子产生碰撞电离，因此射频溅射可以在低气压(低到 2×102Pa)进行。靶 h-BN:hexagonal boron nitride (六角氮 化硼) 该装置的本底真空度为0.2MPa,工作气压7MPa。沉积 陶瓷材料可以通过使用3.2KeV/100mA的Ar+离子束溅射相 应的靶材沉积得到。而沉积聚四氟乙烯材料需要使用较小 的束流和束压(1.5KeV/30mA)。沉积陶瓷材料时的速率为 6nm/min,沉积金属和聚四氟乙烯材料时的速率为 12nm/min。

离子束溅射沉积法

磁控溅射沉积法磁控溅射沉积法制备薄膜材料是在磁控溅射仪上实现的 ，其

真空室中有三个阴极靶(一个直流阴极，两个射频阴 极),三个阴极可分别控制。首先将溅射材料安装在射频 阴极上。通过基片架转动，基片轮流在两个射频靶前接受 溅射原子，控制基片在各靶前的时间，即可控制多层膜的 调制波长。同时在真空室内通入一定压力的气体，可以作 为保护气氛，或与溅射金属原子反应生成新的化合物，沉 积到基片上。此外在基片高速旋转的条件下，还可制备近 似均匀的复合薄膜。磁控溅射法具有镀膜速率易于控制、 稳定性好，溅射材料不受限制等优点。