纳米技术资料.ppt
纳米薄膜是指在空间只有一维处于纳米尺度而另两维不是纳米尺度的物质，由分子或晶粒均匀铺开构成薄膜，可以是超薄膜、多层膜和超晶格等。,第四节 纳米薄膜,纳米薄膜根据它的构成和致密程度又可分为颗粒膜和致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极细小的间隙，而致密膜则是连续薄膜。,一、纳米薄膜的制备二、纳米薄膜的应用三、LB膜技术及应用,纳米薄膜的制备源于经典的方法又加以改进，是典型的Top down（由上到下）的方法，具体方法很多，这里仅介绍最基本的几种。,纳米薄膜的制备,（一）溶胶-凝胶法（二）真空蒸发法（三）磁控溅射法（四）分子束外延镀膜法,返回,原理：将成膜物质溶于某种有机溶剂，成为溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶等方法涂敷于基体表面形成胶体膜，然后脱水而凝结为纳米薄膜。,溶胶-凝胶法,例如：纳米Cu膜的制备 将硝酸铜Cu（NO3）23H2O和正硅酸乙脂与乙醇混合形成溶胶，用玻璃（SiO2）衬板浸入溶胶后进行提拉（提拉速度10-1mm/s），再在100温度下干燥成膜，经过450650氢气中还原处理100分钟左右，就可以获得纳米Cu膜。,优缺点：,溶胶-凝胶法,采用溶胶-凝胶法制备薄膜具有多组分均匀混合，成分易控制、成膜均匀、成本低、易于工业化生产的优点；,但不是所有的薄膜材料都能很容易制成溶胶，又很容易找到衬板材料；,细心完成溶胶制备是本法的重要因素。,返回,原理：使待成膜的物质蒸发气化，在真空中使气化的原子或分子在蒸发源与基片之间飞行，达到基片后在基片表面积淀。,真空蒸发法,返回,磁控溅射是溅射镀膜中的一种，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，射出的粒子大多呈原子态，称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子可以在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作轰击粒子，该粒子又称入射离子。所以溅射镀膜又称离子溅射镀膜。,磁控溅射法,为了克服成膜速度低的缺点，人们设计了磁控溅射镀膜，在溅射靶与基片之间引入了正交电磁场，使气体分子被电离的速率提高了10倍，达到了真空蒸发法的成膜速率。,磁控溅射法,返回,它是在超高真空条件下，将薄膜的诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底（半导体材料的单晶片）表面上，沿着单晶片的结晶轴方向生长成一层结晶结构完整的新的单晶层薄膜。,分子束外延镀膜法,分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。,返回,纳米薄膜的应用磁性薄膜,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退磁效应的限制，并具有巨磁电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。,巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻；若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。,巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件、磁敏传感器等方面有很大的应用潜力。,纳米磁性颗粒膜是由强磁性的纳米颗粒嵌埋于与之不相溶的另一相基质之中生成的复合材料体系，兼具超细颗粒和多层膜的双重特性。通常采用共蒸发和共溅射等技术制备薄膜。,纳米磁性颗粒膜还存在巨霍尔效应。帕克霍姆夫等人在Ni-SiO2颗粒膜中发现高达200cm的饱和Hall电阻率，比普通非磁金属的正常Hall效应高106倍，比磁性金属中的反常Hall效应大4个数量级以上。,纳米薄膜的应用磁性薄膜,纳米硅膜是典型的纳米光学薄膜，它是一种硅晶态的纳米薄膜，当Si晶粒的平均直径小于3.5nm时，具有很强紫外光致发光性能。,GaAs半导体颗粒膜和CdSxSe1-x/玻璃颗粒膜都具有光吸收带蓝移和吸收带的宽化现象。,半导体铟镓砷（InGaAs）和InAlAs构成的多层膜。通过控制膜的厚度可以改变它的光学线性和非线性，造成其在吸收谱上出现峰值。,纳米薄膜的应用纳米光学薄膜,原理：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。,纳米薄膜的应用纳米气敏膜,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。,纳滤膜是一种新型分离膜，采用纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，适宜于分离相对分子质量在200以上的溶解组分，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”。,纳米薄膜的应用纳滤膜,纳滤膜技术因其独特的性能，使得它在许多领域具有其他膜技术无法替代的地位，它的出现不仅完善了膜分离过程，而且大有替代某些传统分离方法的趋势。,主要是指在微机电系统（或称纳米机械）表面的LB膜和改性LB膜润滑，以及SAMS薄膜润滑。,纳米薄膜的应用纳米润滑膜,SAMS薄膜是指带有反应活性基因的长链单分子，通过化学键吸附在基底表面形成的有序的单层或多层分子膜。,在微马达中，用SAMS薄膜润滑可以减小启动摩擦和静摩擦，显著降低磨损；,SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境条件下，热稳定温度能达到400。,返回,LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔布罗杰特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的重视。,LB膜技术及其应用,超薄且厚度可准确控制，因此这种纳米薄膜可满足现代电子学器件（纳电子器件）和光学器件的尺寸要求。,LB膜的特点,膜中分子排列高度有序且各向异性，使之可根据需要设计，便于实现分子水平上的组装。,制膜条件温和，操作简便。,能形成LB膜的材料，大都是表面活性分子，即两亲分子。若两亲分子材料两者平衡，即称为“两亲媒性平衡”，该材料就会吸附于水-气界面。,LB膜的制备,如果把两亲媒性平衡的物质溶于苯、二氯甲烷等挥发性溶剂中，并把该溶液分布于水面上，待溶剂挥发后，就留下了垂直站立在水面上的定向单分子膜，这种在水面上的单分子，上端呈亲油性（疏水性），下端呈亲水性。,将一个亲水性（或亲油性）固体表面垂直而缓慢地插入浮有单分子层的水中，将该固体表面垂直上提时，浮着的单分子膜就会附着在表面上，随沉积过程不同，所形成的膜的结构分X、Y、Z三型。,LB膜的制备,如果这个固体基片反复进出水面，可形成多层膜（最多可达到500层），一个分子的纵向长度为2-3nm，因此单分子层的厚度亦为2-3nm。,LB膜的制备,（1）功能化、器件化的LB膜 将具有特殊光、电、磁、热等性质的过渡金属配合物，组装到LB膜中将产生具有预期分子排列的功能纳米薄膜。,LB膜的应用,平整、致密和均匀的LB膜还是集成光学，超晶格薄膜晶体管的活性膜和各种MIS器件的绝缘膜。,LB膜可做为电子显微镜的复型膜和光刻技术中的光蚀膜。,（2）LB膜具有极好的生物相溶性，并能把功能分子固定在既定的位置上，因而LB膜可用作生物细胞的简化模型，以供对生物生理作用的研究。,LB膜的应用,绿色叶绿素可在气/水界面形成稳定的单分子膜，并组装为LB膜，成为光合作用膜的基础。,类胡萝卜素亦是光合作用的色素，它吸收不被叶绿素吸收的光波，生成生物膜的补充光受体，在分子电学中，由于-胡萝卜素含有一不饱和碳链，这个碳链在一定的多层LB膜集合体中可以作分子导线。,（3）LB膜润滑 LB膜技术被认为是一种能够建构高级分子系统的潜在技术，但是普通脂肪酸和磷脂材料制备的LB膜性能不好，因此在微型机械的润滑上采用改良的LB膜。,LB膜的应用,在LB膜分子中引入无机分子制成混合LB膜，摩擦系数低，抗磨损性能好。,采用外电场改变表面电荷及表面电势，可降低LB膜的摩擦系数，增加抗磨寿命。,返回,（3）LB膜润滑 LB膜技术被认为是一种能够建构高级分子系统的潜在技术，但是普通脂肪酸和磷脂材料制备的LB膜性能不好，因此在微型机械的润滑上采用改良的LB膜。,LB膜的应用,返回,采用聚合物成膜可提高LB膜的热稳定性和力学性能。,采用外电场改变表面电荷及表面电势，可降低LB膜的摩擦系数，增加抗磨寿命。,
