薄膜的化学制备方法.ppt

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1、第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 数理学院数理学院第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 一、化学镀一、化学镀二、溶胶二、溶胶-凝胶法凝胶法三、阳极反应沉积三、阳极反应沉积四、电镀四、电镀五、五、LBLB技术技术六、水热法六、水热法主要内容主要内容第二章第二章 薄膜的化学制

2、备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 一、化学镀膜化学镀膜 化化学学镀镀膜膜是是在在催催化化条条件件下下的的氧氧化化还还原原过过程程,一一般般靠靠被被镀镀金金属属本本身身的的自自催催化化作作用用完完成成镀镀膜膜过程。过程。并并非非所所有有金金属属都都有有自自催催化化沉沉积积作作用用，具具有有催催化化潜潜能能的的金金属属数数量量有有限限。但但是是非非催催化化金金属属的的表表面面可可以以用用活活性性剂剂激激活活，然然后后，在在其其表表面面实实现现化化学学沉沉积积。所所以以使使用用活活性性剂剂的的催催化化反反应应也可当作化学镀也可当作化学镀。催催化化剂剂是是指指能

3、能提提供供或或激激活活化化学学反反应应，而而本本身身又又不不发发生生化化学学变变化化的的物物质质。自自催催化化是是指指参参与反应物或产物之一具有催化作用的反应过程。与反应物或产物之一具有催化作用的反应过程。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 化学镀膜与化学沉积镀膜的区别化学镀膜与化学沉积镀膜的区别 化学镀膜的还原反应必须在自催化的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。化学镀膜的还原反应必须在自催化的作用下才能进行，且沉积反应只发生在基片表面上。化化学学沉沉积积镀镀膜膜的的还还原原反反应应是是在在整整个个溶溶液液中中均均匀匀

4、发发生生的的，只只有有一一部部分分金金属属在在基基片片上上形形成成薄薄膜，大部分形成粉粒沉积物膜，大部分形成粉粒沉积物。化化学学镀镀膜膜技技术术不不需需要要真真空空条条件件，设设备备仪仪器器简简单单，可可在在各各种种基基体体表表面面成成膜膜，原原料料易易得得，在在电子元器件、表面途覆和装饰等方面得到广泛应用。电子元器件、表面途覆和装饰等方面得到广泛应用。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 自催化化学镀膜的优点自催化化学镀膜的优点 可以在复杂形状表面形成薄膜；可以在复杂形状表面形成薄膜；薄膜的孔隙率较低；薄膜的孔隙率较低；可直接在塑

5、料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体表面制备薄膜；薄膜具有特殊的物理、化学性能；薄膜具有特殊的物理、化学性能；不需要电源，没有导电电极。不需要电源，没有导电电极。广泛用于制备广泛用于制备Ni、Cr、Fe、Cu、Pt、Pd、Ag、Au等金属或合金薄膜。等金属或合金薄膜。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。电镀，成为一种环保型

6、的表面处理工艺。目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。中得到广泛的应用。近近年年来来化化学学镀镀的的品品种种已已经经大大大大超超出出了了镀镀金金属属表表面面层层的的范范围围，特特别别是是氧氧化化物物薄薄膜膜的的化化学学镀镀制制备备已已经经相相当当广广泛泛。原原理理是是，先先在在衬衬底底表表面面用用化化学学镀镀沉沉积积金金属属的的氢氢氧氧化化物物，然然后后在在真真空空或或空空气气中中适适当当退退火火，得得到到氧氧化化物物。如如：TiO2、In2O3 和和ZnO薄薄膜膜的的化

7、化学学镀镀制制备。备。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 化学镀镍化学镀镍 化学镀镍，又称无电解镀镍，是利用氧化还原反应，在工件表面沉积出非晶态化学镀镍，又称无电解镀镍，是利用氧化还原反应，在工件表面沉积出非晶态Ni-P、Ni-P-B合金镀层的高新表面处理技术，已在电子、机械、石油化工、汽车、航空航天等合金镀层的高新表面处理技术，已在电子、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。特点是：工业中得到广泛的应用。特点是：1.耐腐蚀性强，耐磨性好，表面硬度高；耐腐蚀性强，耐磨性好，表面硬度高；2.耐高温、低电阻、可焊性好；

8、耐高温、低电阻、可焊性好；3.可镀形状复杂：工件形状不受限制，可处理较深的盲孔可镀形状复杂：工件形状不受限制，可处理较深的盲孔 和形状复杂的内腔；和形状复杂的内腔；4.被镀材料广泛：可在钢、铜、铝、锌、塑料、尼龙、玻被镀材料广泛：可在钢、铜、铝、锌、塑料、尼龙、玻 璃、璃、橡胶、木材等材料上镀膜。橡胶、木材等材料上镀膜。化学反应：化学反应：第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 化学镀设备（化学镀设备（Electroless plating equipment）第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄

9、膜技术薄膜材料与薄膜技术 化学镀化学镀Ni-P-B活塞活塞Ni-P塑料模具塑料模具 Ni-P铝质天线盒铝质天线盒 化学镀的应用化学镀的应用第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Layer 6Layer 1Via HoleSMD PadTracksPCB的局部化学镀的局部化学镀第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 二、二、溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 溶胶凝胶法是常用的化学制膜方法，与蒸发、溅射等物理成膜方法相溶胶凝胶法是常用的化学制膜方法，与蒸发、溅射等物理成膜方法相比，设备简

10、单、成本低、容易控制薄膜的化学组分比、可以用它方便地制比，设备简单、成本低、容易控制薄膜的化学组分比、可以用它方便地制备多种薄膜和纳米材料，是一种适合于机理研究的好方法。备多种薄膜和纳米材料，是一种适合于机理研究的好方法。除了用旋转涂膜方法，还可用提拉法成膜，但均匀性差、薄膜厚度不除了用旋转涂膜方法，还可用提拉法成膜，但均匀性差、薄膜厚度不易控制。易控制。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 原理原理 溶胶溶胶-凝胶法的主要原理为用化学方法将含待成凝胶法的主要原理为用化学方法将含待成薄膜组分的金属醇盐和可溶性盐，用恰当方法在合适薄膜

11、组分的金属醇盐和可溶性盐，用恰当方法在合适的醇或醚等溶剂中混合、溶解，形成浓度均匀的溶液。的醇或醚等溶剂中混合、溶解，形成浓度均匀的溶液。该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（该溶液经过水解和缩聚反应形成溶胶（sol），进一步），进一步聚合反应使溶胶转变成凝胶（聚合反应使溶胶转变成凝胶（gel）。）。然后选择适合薄然后选择适合薄膜结晶的衬底，将胶滴在样品衬底上，用旋转涂膜法膜结晶的衬底，将胶滴在样品衬底上，用旋转涂膜法得到湿膜。再对湿膜作适当时间的烘烤，使湿膜中的得到湿膜。再对湿膜作适当时间的烘烤，使湿膜中的溶剂、水分蒸发。再作溶剂、水分蒸发。再作400C左右的热处理，使膜中有左右的热处理，使膜中

12、有机物热解。最后，在薄膜需要的温度（约机物热解。最后，在薄膜需要的温度（约600-800C范范围）做结晶热处理，获得有某种结晶性能的薄膜。往围）做结晶热处理，获得有某种结晶性能的薄膜。往往，溶胶的旋转涂布，每次只能获得几十纳米的薄膜往，溶胶的旋转涂布，每次只能获得几十纳米的薄膜厚度，要得到较厚的薄膜，必须多次涂膜、热处理。厚度，要得到较厚的薄膜，必须多次涂膜、热处理。为了防止为了防止Sol-Gel 薄膜的开裂，溶胶的浓度不能太高，薄膜的开裂，溶胶的浓度不能太高，最终的成膜厚度也不能太厚。最终的成膜厚度也不能太厚。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄

13、膜材料与薄膜技术 Sol-gel 技术的优点技术的优点1.高度均匀性；高度均匀性；2.高纯度；高纯度；3.可降低烧结温度；可降低烧结温度；4.可制备大面积薄膜；可制备大面积薄膜；5.可制备特殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料可制备特殊材料（薄膜、纤维、粉体、多孔材料 等）；等）；6.设备简单、成本低。设备简单、成本低。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Sol-gel 技术的缺点技术的缺点1.有些金属醇盐原料价格高；有些金属醇盐原料价格高；2.收缩率高，容易开裂；收缩率高，容易开裂；3.存在残余微气孔；存在残余微气孔；4.存在残余

14、的羟基、碳等；存在残余的羟基、碳等；5.有机溶剂有毒；有机溶剂有毒；6.工艺周期较长。工艺周期较长。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Sol-gel 技术制备薄膜的主要步骤技术制备薄膜的主要步骤1.溶胶制备；溶胶制备；2.旋转涂膜；旋转涂膜；3.烘干；烘干；4.热解；热解；5.结晶。结晶。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 溶胶溶胶旋转涂膜旋转涂膜烘烤烘烤热解热解结晶结晶多次成膜多次成膜间隔结晶间隔结晶溶胶溶胶-凝胶成膜工艺凝胶成膜工艺第二章第二章 薄膜的化学制备方

15、法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Sol-gel 反应的主要过程反应的主要过程 水解反应：水解反应：式中，式中，M是金属原子，是金属原子，R是烷烃基是烷烃基。聚合反应：聚合反应：第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Sol-gel 法制备薄膜实例法制备薄膜实例Sol-Gel技术制备技术制备TiO2薄膜薄膜Sol-Gel技术制备技术制备SiO2薄膜薄膜第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 下下面面以以锆锆钛钛酸酸铅铅（PZT）铁铁电电薄薄

16、膜膜和和氧氧化化钒钒热热敏敏薄薄膜膜为为例例，说说明明溶溶胶胶-凝凝胶胶法法成膜的具体工艺过程。成膜的具体工艺过程。用乙酸铅用乙酸铅+乙酸氧锆乙酸氧锆+钛酸丁脂制成的锆钛酸铅（钛酸丁脂制成的锆钛酸铅（PZT）溶胶，用乙二醇单甲）溶胶，用乙二醇单甲醚作溶剂，稀释成的实用溶胶。为了使醚作溶剂，稀释成的实用溶胶。为了使PZT薄膜有好的结晶，选用薄膜有好的结晶，选用Pt/Ti/SiO2/Si结构衬底，结构衬底，Pt为下电极。将该溶胶滴衬底上，用旋转涂膜法制备为下电极。将该溶胶滴衬底上，用旋转涂膜法制备湿膜（匀胶湿膜（匀胶300转转/分、分、10秒，甩胶秒，甩胶3000转转/分、分、40秒）。然后，在灯

17、光加热快秒）。然后，在灯光加热快速热退火设备（速热退火设备（RTA）中作）中作200C、300S+400C，300S+700C，200S 的热处的热处理，理，第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 目的分别为使湿膜中溶剂挥发，有机物热解，目的分别为使湿膜中溶剂挥发，有机物热解，PZTPZT结晶，形成有一定取向的结晶，形成有一定取向的PZTPZT铁电薄膜。铁电薄膜。采用重复涂膜和退火结晶工艺，可以获得要求厚度的采用重复涂膜和退火结晶工艺，可以获得要求厚度的PZTPZT薄膜。退火气氛能显著影响薄膜。退火气氛能显著影响PZTPZT薄膜的性能

18、，薄膜的性能，采用采用O2气氛优于气氛优于N2气氛气氛。在溶胶在溶胶-凝胶成膜时，为防止溶胶水解，应尽量凝胶成膜时，为防止溶胶水解，应尽量减少胶在空气中的暴露时间。减少胶在空气中的暴露时间。无机物熔融水解法无机物熔融水解法 除了用醇盐制备溶胶外，尚有用无机物熔融水解制备溶胶的方法。要求该无机物的除了用醇盐制备溶胶外，尚有用无机物熔融水解制备溶胶的方法。要求该无机物的熔点较低，水解后能成相应胶体。熔点较低，水解后能成相应胶体。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 例如：用例如：用V2O5粉体熔融水解即可制备溶胶。粉体熔融水解即可制备溶

19、胶。用五氧化二钒粉体放到坩埚中，加热到用五氧化二钒粉体放到坩埚中，加热到800C800C左右，使粉体液化。然后快速倒入体积比左右，使粉体液化。然后快速倒入体积比约约500500：1 1的蒸馏水中，充分搅拌，并过滤掉残渣，得到暗红色的水钒酸溶胶。要制备热敏的蒸馏水中，充分搅拌，并过滤掉残渣，得到暗红色的水钒酸溶胶。要制备热敏氧化钒薄膜，可以采用上述类似的旋转涂膜方法。不过，衬底可选用廉价的玻璃或氧化钒薄膜，可以采用上述类似的旋转涂膜方法。不过，衬底可选用廉价的玻璃或SiOSiO2 2/Si/Si。热处理温度也可做适当改变，如为了得到热处理温度也可做适当改变，如为了得到V2O5薄膜，可采用：薄膜，

20、可采用：200C、300S+400C，300S+650C，200S 的热处理条件。退火气氛可为的热处理条件。退火气氛可为O2、N2或空气。衬底要求有亲水性。或空气。衬底要求有亲水性。将上述溶胶制备的将上述溶胶制备的V2O5薄膜在薄膜在2-3Pa的真空中恰当烘烤，可以使的真空中恰当烘烤，可以使V2O5转变为红外性能转变为红外性能优良的优良的VO2薄膜。薄膜。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 三、阳极氧化技术三、阳极氧化技术 在在适适当当的的电电解解液液中中金金属属或或合合金金作作为为阳阳极极，金金属属或或石石墨墨作作阴阴极极，两两

21、极极间间施施加加一一定定的的直直流电压，由电化学反应在阳极表面形成氧化物薄膜的方法，称为阳极氧化技术。流电压，由电化学反应在阳极表面形成氧化物薄膜的方法，称为阳极氧化技术。阳极氧化薄膜形成过程阳极氧化薄膜形成过程金属氧化：金属氧化：金属溶解：金属溶解：氧化物溶解氧化物溶解：初期反应初期反应第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 在在薄薄膜膜形形成成初初期期，同同时时存存在在金金属属氧氧化化和和金金属属溶溶解解反反应应。溶溶解解反反应应产产生生水水合合金金属属离离子子，生成由氢氧化物或氧化物组成的胶态状沉淀氧化物。生成由氢氧化物或氧化物

22、组成的胶态状沉淀氧化物。氧氧化化膜膜镀镀覆覆后后，金金属属活活化化溶溶解解停停止止，持持续续氧氧化化反反应应是是金金属属离离子子和和电电子子穿穿过过绝绝缘缘性性氧氧化物在膜表面形成氧化物。化物在膜表面形成氧化物。为为持持续续由由离离子子移移动动而而构构成成的的薄薄膜膜生生长长，需需要要一一定定强强度度的的电电场场。此此电电场场大大约约是是7106V/cm。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 阳极氧化薄膜特点阳极氧化薄膜特点 采采用用阳阳极极氧氧化化法法生生成成的的氧氧化化膜膜的的结结构构、性性质质、色色调调随随电电解解液液的的种种

23、类类、电电解解条条件件的的不不同而变化。同而变化。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 用用阳阳极极氧氧化化法法得得到到的的氧氧化化物物薄薄膜膜大大多多是是无无定定形形结结构构。由由于于多多孔孔性性使使得得表表面面积积特特别别大大，所所以显示明显的活性，既可吸附染料也可吸附气体。以显示明显的活性，既可吸附染料也可吸附气体。化化学学性性质质稳稳定定的的超超硬硬薄薄膜膜耐耐磨磨损损性性强强，用用封封孔孔处处理理法法可可将将孔孔隙隙塞塞住住，使使薄薄膜膜具具有有更更好好耐耐蚀性和绝缘性。蚀性和绝缘性。利用着色法可以便膜具有装饰效果。利用着

24、色法可以便膜具有装饰效果。阳极氧化技术在微电子领域中的应用阳极氧化技术在微电子领域中的应用 在在电电子子学学领领域域，利利用用阳阳极极氧氧化化法法可可以以在在-族族化化合合物物半半导导体体材材料料或或器器件件表表面面生生长长钝钝化化薄薄膜、氧化膜、绝缘膜等。膜、氧化膜、绝缘膜等。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 四、四、电镀法电镀法 电电镀镀是是指指在在含含有有被被镀镀金金属属离离子子的的水水溶溶液液中中通通入入直直流流电电流流，使使正正离离子子在在阴阴极极表表面面沉沉积积，得到金属薄膜的工艺过程。得到金属薄膜的工艺过程。电镀系

25、统的构成电镀系统的构成 电电解解池池的的正正极极，即即阳阳极极，一一般般情情况况下下由由钛钛构构成成的的，钛钛的的上上面面有有一一层层铂铂，以以达达到到更更好好的导电效果。准备电镀的部件（基片）为负极。的导电效果。准备电镀的部件（基片）为负极。这里，关键的因素是电解质及电解液，它的组成会影响相关的化学反应和电镀效果。这里，关键的因素是电解质及电解液，它的组成会影响相关的化学反应和电镀效果。常见的电解质均为各种盐或络合物的水溶液。常见的电解质均为各种盐或络合物的水溶液。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 电镀过程的基本原理电镀过程的

26、基本原理1.两个电极浸入电解液中，两个电极浸入电解液中，并连接外部直流电源；并连接外部直流电源；2.如如果果金金属属A与与电电解解液液的的组组 合合适适当当，金金属属A将溶解，形成金属离子将溶解，形成金属离子A+；3.在在直直流流电电流流的的驱驱动动下下，金金属属离离子子A+迁迁移到移到B；4.在基片在基片B，金属离子得到电子被还原。，金属离子得到电子被还原。AB第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 Faraday 定律（镀层厚度与时间和电流的关系）定律（镀层厚度与时间和电流的关系）m:coating metal weight p:

27、metal density;t:plating time;M:metal atomic weight n:valence of metal ions;F:Faraday Constant;I(d):current density;S:coating area;h:coating thickness;m=K I tm=(M/nF)(I(d)S)tp S h=(M/nF)(I(d)S)tp h=(M/nF)I(d)th=(1/p)(M/nF)I(d)th=constant I(d)t电镀服从法拉第定律电镀服从法拉第定律第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术

28、薄膜材料与薄膜技术 电镀过程的特点电镀过程的特点1.膜层缺陷（孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等）可以由膜层缺陷（孔隙、裂纹、杂质污染、凹坑等）可以由 电镀工艺条件控制；电镀工艺条件控制；2.2.限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；限制电镀应用的最重要因素之一是拐角处镀层的形成；3.3.在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；在拐角或边缘电镀层厚度大约是中心厚度的两倍；（拐角或边缘电场强）拐角或边缘电场强）4.4.多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。多数被镀件是圆形，可降低上述效应的影响。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄

29、膜技术 五、五、LB成膜技术成膜技术 Langmuir-Blodgett技技术术（LB技技术术）是是指指把把液液体体表表面面的的有有机机单单分分子子膜膜转转移移到到固固体体衬衬底底表面上的一种成膜技术。得到的有机薄膜称为表面上的一种成膜技术。得到的有机薄膜称为LB薄膜。薄膜。基本原理基本原理:某些有机材料类似与表面活性剂。其分子具有某些有机材料类似与表面活性剂。其分子具有 两性基。两性基。亲水基：醇基（亲水基：醇基（-COOH），羧基（），羧基（-OH）等；）等；亲油基（憎水基）：烷烃基，烯烃基，芳香烃基等；亲油基（憎水基）：烷烃基，烯烃基，芳香烃基等；第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的

30、化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 CH3CH2COOH亲水基亲水基亲油基亲油基水水第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 单分子层的转移单分子层的转移 根据薄膜分子在基片上的相对取向，根据薄膜分子在基片上的相对取向，LB薄膜可分为薄膜可分为X型、型、Y型、型、Z型三种类型。型三种类型。LB薄膜每层分子的亲油基指向基片表面薄膜每层分子的亲油基指向基片表面第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 LB薄膜每层分子的亲水基指向基片表面薄膜每层分子的亲水基指向

31、基片表面第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 LB薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲油基相薄膜每层分子的亲水基与亲水基相连，亲油基与亲油基相连连第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 LB制膜装置制膜装置 水槽水槽 刮膜板刮膜板 表面压力传感器表面压力传感器 提膜装置提膜装置第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 LB薄膜的特点薄膜的特点优点：优点：1.LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点；薄膜中

32、分子有序定向排列，这是一个重要特点；2.很多材料都可以用很多材料都可以用LB技术成膜；技术成膜；3.LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小和 分子的层数；分子的层数；4.通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密 度很低的度很低的LB薄膜；薄膜；5.设备简单，操作方便。设备简单，操作方便。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 缺点：缺点：成膜效率低，成膜效率低，LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点；薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱

33、点；LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 LB薄膜的应用薄膜的应用 LB技技术术可可以以把把一一些些具具有有特特定定功功能能的的有有机机分分子子或或生生物物分分子子有有序序定定向向排排列列，使使之之形形成成某某一一特特殊殊功功能能的的超超薄薄膜膜，如如有有机机绝绝缘缘薄薄膜膜、非非线线性性光光学学薄薄膜膜、光光电电薄薄膜膜、有有机机导导电电薄薄膜膜等等。它它们们有有可可能能在在微微电电子子学学、集集成成光光学学、分分子子电电子子学学、微微刻刻蚀蚀

34、技技术术以以及及生生物物技技术术中中得得到到广广泛泛应应用。用。LB薄膜电子束敏感抗蚀层有可能成为超高分辨率微细加工技术的一个发展方向。薄膜电子束敏感抗蚀层有可能成为超高分辨率微细加工技术的一个发展方向。有有机机非非线线性性光光学学材材料料具具有有非非线线性性极极化化效效率率高高，不不易易被被激激光光损损伤伤，制制备备方方便便等等特特点点，LB技术为有机非线性材料应用提供了重要途径。技术为有机非线性材料应用提供了重要途径。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 六、水热法六、水热法 水热法是水热法是19 19 世纪中叶地质学家模拟世纪

35、中叶地质学家模拟地壳中的水在温度和压力联合作用下的自然地壳中的水在温度和压力联合作用下的自然成矿作成矿作用而开始研究的。用而开始研究的。1900 1900 年后科学家们建立了水热合成理论年后科学家们建立了水热合成理论,以后又开始转向功能材料的研以后又开始转向功能材料的研究。目前用水热法已制备出百余种晶体。水热法又称热液法究。目前用水热法已制备出百余种晶体。水热法又称热液法,属液相化学法的范畴。是指属液相化学法的范畴。是指在密封的压力容器中在密封的压力容器中,以水为溶剂以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反应类型的不同可分为水

36、热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。其中水热结晶用得最多。其中水热结晶用得最多。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 原理原理:水热结晶主要是溶解水热结晶主要是溶解再结晶机理。首先营养料在水热介质里溶解再结晶机理。首先营养料在水热介质里溶解,以离子、分子团的以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流形式进入溶液。利用强烈对流(釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生)将这些离子、分将这些离子、分子或

37、离子团被输运到放有籽晶的生长区子或离子团被输运到放有籽晶的生长区(即低温区即低温区)形成过饱和溶液形成过饱和溶液,继而结晶。水热法生产继而结晶。水热法生产的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制,生产成本低。用水热法制备的粉体一生产成本低。用水热法制备的粉体一般无需烧结般无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。影响水热这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。影响水热合成的因素有合成的因素有:温度的高低、升温速度、搅拌速度以及反应时间等。温度的高低、升温速度、搅拌速度以及反应时间等。第二章第二章 薄膜的

38、化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 利用水热法、选择合适的反应溶液，可以将溶胶利用水热法、选择合适的反应溶液，可以将溶胶-凝胶法涂布的湿膜结晶成多晶，甚凝胶法涂布的湿膜结晶成多晶，甚至是单晶薄膜。至是单晶薄膜。主要问题是，形成的晶体薄膜与衬底的粘附较差，由于溶胶湿膜在捷主要问题是，形成的晶体薄膜与衬底的粘附较差，由于溶胶湿膜在捷径过程中的收缩，在湿膜较薄时，形成的晶体薄膜很难均匀连续。径过程中的收缩，在湿膜较薄时，形成的晶体薄膜很难均匀连续。与溶胶凝胶法、共沉淀法等其它湿化学方法的主要区别在于温度和压力。水热法研与溶胶凝胶法、共沉淀法等其它湿化学方法

39、的主要区别在于温度和压力。水热法研究的温度范围在水的沸点和临界点究的温度范围在水的沸点和临界点(374)之间之间,但通常使用的是但通常使用的是130250之间之间,相应相应的水蒸汽压是的水蒸汽压是0.34 MPa。过高的温度会产生太高的压强，使工艺的危险性增大。过高的温度会产生太高的压强，使工艺的危险性增大。水水热反应的反应釜需要专门设计。热反应的反应釜需要专门设计。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 与溶胶凝胶法和共沉淀法相比与溶胶凝胶法和共沉淀法相比,其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末其最大优点是一般不需高温烧结

40、即可直接得到结晶粉末,从而省去了研磨及由此带来的杂质。从而省去了研磨及由此带来的杂质。据不完全统计据不完全统计,水热法可以制备包括金属、氧化物、水热法可以制备包括金属、氧化物、和复合氧化物在内的和复合氧化物在内的6060多种粉末。所得粉末的粒度范围通常为多种粉末。所得粉末的粒度范围通常为0.10.1微米至几微米微米至几微米,有些可以有些可以几十纳米几十纳米,且一般具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄以及多数情况下形貌可控等且一般具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄以及多数情况下形貌可控等特点。在超细特点。在超细(纳米纳米)粉末的各种制备方法中粉末的各种制备方法中,水热法被认为是环境污染少、

41、成本较低、易于水热法被认为是环境污染少、成本较低、易于商业化的一种具有较强竞争力的方法。商业化的一种具有较强竞争力的方法。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 水热法制备超细水热法制备超细(纳米纳米)粉末，特别是纳米陶瓷粉体和纳米金属粉体，自七十年代兴起后粉末，特别是纳米陶瓷粉体和纳米金属粉体，自七十年代兴起后,很很快受到世界上许多国家快受到世界上许多国家,特别是工业发达国家的高度重视特别是工业发达国家的高度重视,纷纷成立了专门的研究所和实验室。纷纷成立了专门的研究所和实验室。如美国如美国Battelle实验室和宾州大学水热实验室实

42、验室和宾州大学水热实验室;日本高知大学水热研究所和东京工业大学水热合日本高知大学水热研究所和东京工业大学水热合成实验室等。国际上水热技术的学术活动也相当活跃成实验室等。国际上水热技术的学术活动也相当活跃,自自1982年起年起,每隔三年召开一次每隔三年召开一次“水热反水热反应应”的国际会议的国际会议,并经常出版有关专著。利用水热法制备超细并经常出版有关专著。利用水热法制备超细(纳米纳米)粉末，目前处在研究阶段的粉末，目前处在研究阶段的品种不下几十种，除了铜、钴、镍、金、银、钯等几种金属粉末外，主要集中在陶瓷粉末上。品种不下几十种，除了铜、钴、镍、金、银、钯等几种金属粉末外，主要集中在陶瓷粉末上。

43、基本处于扩大试验阶段，正在开发的有氧化锆、氧化铝等氧化物、钛酸铅、锆钛酸铅等压电陶基本处于扩大试验阶段，正在开发的有氧化锆、氧化铝等氧化物、钛酸铅、锆钛酸铅等压电陶瓷粉末。利用水热法可以制备化学工业上的许多催化剂，具有很大的实际价值。瓷粉末。利用水热法可以制备化学工业上的许多催化剂，具有很大的实际价值。第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 水热法反应釜水热法反应釜第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 水热法制备的纳米带水热法制备的纳米带水热法制备的纳米管水热法制备的纳米管第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 水热法制备的纳米树枝水热法制备的纳米树枝水热法制备的纳米球水热法制备的纳米球第二章第二章 薄膜的化学制备方法（薄膜的化学制备方法（2 2）薄膜材料与薄膜技术薄膜材料与薄膜技术 1.1.什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？有何特点？什么是化学镀？它与化学沉积镀膜的区别？有何特点？2.2.电镀与化学镀有何区别？有那些主要应用？电镀与化学镀有何区别？有那些主要应用？3.3.Sol-GelSol-Gel成膜技术的特点和主要工艺过程是什么？成膜技术的特点和主要工艺过程是什么？作业：作业：