第一篇：二維納米薄膜材料概述

二維納米材料概述

-----納米薄膜概述

班級：材料科學與工程103班

姓名：盧忠

學號：201011601322

摘要 納米科學技術是二十世紀八十年代末期誕生并快速崛起的新科技，而其二維納米結構——納米薄膜在材料應用以及前景上都占據(jù)著重要的地位。納米薄膜材料是一種新型的薄膜材料，由于其特殊的結構和性能，它在功能材料和結構材料領域都具有良好的發(fā)展前景。本論文著重介紹納米薄膜的制備方法、特性以及研究前景。納米薄膜材料性能較傳統(tǒng)的薄膜材料有更加明顯的優(yōu)勢，特別是納米磁性多層膜、顆粒膜作為一種新型的復合材料將是今后的研究方向。

關鍵詞：納米；薄膜材料

目錄

一.薄膜材料定義............................................................（1）二.納米薄膜的分類..........................................................（1）三.納米薄膜的制備方法......................................................（2）四.納米薄膜特性............................................................（4）五.應用及前景..............................................................（6）參考文獻

一.薄膜材料定義：納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒構成的薄膜或?qū)⒓{米晶粒薄膜鑲嵌于某種薄膜中構成的復合膜，以及層厚在納米量級的單層或多層薄膜，通常也稱作納米顆粒薄膜和納米多層薄膜。

二.納米薄膜的分類

1.納米薄膜，按用途分為兩大類:納米功能薄膜和納米結構薄膜。

納米功能薄膜:主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性，通過復合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。

納米結構薄膜:主要是通過納米粒子復合，提高材料在機械方面的性能。

2.按膜的功能分

納米磁性薄膜 納米光學薄膜 納米氣敏膜 納濾膜、納米潤滑膜 納米多孔膜

LB（Langmuir Buldgett）膜

SA（分子自組裝）膜 3.按膜層結構分類

單層膜

如熱噴涂法的表面膜等

雙層膜

如在真空氣相沉積的反射膜上再鍍一層 多層膜

指雙層以上的膜系

4.按膜層材料分

金屬膜，如Au、Ag等 合金膜，如Cr-Fe、Pb-Cu等 氧化物薄膜 非氧化物無機膜 有機化合物膜

三.納米薄膜的制備方法

納米材料的合成與制備一直是納米科學領域內(nèi)一個重要的研究課題，新材料制備工藝過程的研究與控制對納米材料的微觀結構和性能具有重要的影響。最早是采用金屬蒸發(fā)凝聚-原位冷壓成型法制備納米晶體，相繼又發(fā)展了各種物理、化學方法，如機械球磨法、非晶晶化法、水熱法、溶膠-凝膠法等。

1.化學法：指在鍍膜技術中，有化學反應參與，通過物質(zhì)間的化學反應實現(xiàn)薄膜的生長。

（1）化學還原法

（2）化學氣相沉積法（CVD）：包括常壓、低壓、等離子體輔助氣相沉積等。該方法通過在高溫、等離子或激光輔助等條件下控制反應氣壓、氣流速率、基片材料溫度等條件，從而控制納米微粒薄膜的成核生長過程；或者通過薄膜后處理，控制非晶薄膜的晶化過程，從而獲得納米結構的薄膜。用CVD法制備薄膜材料是通過使原料氣體以不同的能量使其產(chǎn)生各種法學反應，產(chǎn)物在基片上生長、沉積成固體薄膜。

（3）高溫分解法

（4）溶膠-凝膠法：這種方法是20世紀60年代作為一種制備玻璃、陶瓷等無機材料的合成工藝而開發(fā)的。溶膠–凝膠法可以賦予基體多種特殊性能，其中包括機械、化學保護、光學、電磁和催化等。溶膠–凝膠法制備薄膜，首先必須制得穩(wěn)定的溶膠，按其溶膠的方法，將溶膠–凝膠工藝分為有機途徑和無機途徑，兩者各有優(yōu)缺點。與其他制備薄膜的方法相比，溶膠–凝膠法工藝設備簡單，溫度低，易于大面積制備各種不同形狀、材料的薄膜，用料省、成本較低。

（5）電浮法（6）陰極電鍍法

2.物理法：指在薄膜沉積過程中，不涉及化學反應，薄膜的生長基本是物理過程。

物理氣相沉積（PVD）是一類常規(guī)的薄膜制備手段，它包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。主要通過兩種途徑制膜：

（1）在非晶薄膜晶化過程中控制納米結構的形成。

（2）在薄膜的成核過程中控制納米結構的形成。物理氣相沉積主要包括以下三點：

①氣相物質(zhì)的產(chǎn)生。在蒸發(fā)鍍膜方法中，用加熱源使其蒸發(fā)；而在濺射鍍膜中，則用具有一定能量的粒子轟擊靶材。

② 氣相物質(zhì)的輸送。由于有氣體存在時會與氣相物質(zhì)發(fā)生碰撞，因此氣相物質(zhì)的輸送往往在真空中進行。

③ 氣相物質(zhì)的沉積。氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成單晶膜、多晶膜或者非晶態(tài)膜。

3.分子組裝方法

（1）LB膜技術

LB膜技術就是先將雙親分子在水面上形成有序的緊密單分子薄膜，再利用端基的親水、疏水作用將單層膜轉(zhuǎn)移到固體基片上。由于基片與分子之間的吸附作用，單分子層級成績在固體基片上。這樣基片反復的進出水面就可以形成多層膜。LB膜隨著轉(zhuǎn)移方式的不同可得到X型、Y型和Z型。LB膜的制備是將懸浮在氣/液界面的單分子膜轉(zhuǎn)移到基片表面。最常用的方法是垂直拉提法、水平拉提法、亞相降低法、擴散吸附法和接觸法。

（2）分子自組裝技術

分子自組裝（SA）薄膜技術是一種在平衡條件下通過建的相互作用，自發(fā)結締形成性能穩(wěn)定的、結構完整的薄膜的方法。SA成膜技術主要包括基于化學吸附的自組裝成膜技術，和基于物理吸附的離子自組裝膜技術。

①基于化學吸附的SA技術

其基本方法是：將表面修飾有某種物質(zhì)的基片浸入待組裝分子的溶液中，待組裝分子一端的反應基于基片表面發(fā)生自動連續(xù)的化學反應，在基片表面形成化學鍵連接的二維有序單層膜；如果單層膜表面也有具有某種反應活性的基團，則又可以和別的物質(zhì)反應，如此重復就構建成同質(zhì)或異質(zhì)的多成膜。SA技術形成的多層膜有如下主要特征：①.原位自發(fā)形成；②.熱力學性質(zhì)穩(wěn)定；③.物理基片形狀如何，其表面均可形成均勻一致的覆蓋層；④.高密度堆積和低缺氧濃度；⑤.分子有序排列；⑥.可人為設計分子結構和表面結構來獲得預期的物理和化學性質(zhì)；⑦.有機合成和制膜有很大的靈活性。

②基于物理吸附的SA膜技術

基于物理吸附的SA膜技術又叫做離子自組裝技術，其原理是將表面帶負電荷的基片浸入陽離子聚電解質(zhì)溶液中，由于靜電吸引，陽離子聚電解質(zhì)聚集到基片表面，使基片表面帶正電，然后將基片再浸入陰離子聚電解質(zhì)溶液中，如此重復進行，就會形成多層聚電解質(zhì)自組裝膜。

這種建立在靜電互相作用原理基礎上的自組裝技術，是一種新型的制備聚合物納

米復合膜的方法。它的特點是：①對沉積過程或膜結構進行分子級控制；②.利用連續(xù)沉積的方法，可實現(xiàn)層間分子對稱或非對稱二維或三維超晶格結構，從而實現(xiàn)膜的光、電、磁、非線性光學性能的功能化；③.可形成仿真生物膜；④.層與層之間膜的穩(wěn)定性極好；⑤.與基于化學吸附法制備有機復合膜相比，具有較好的重復性。

四.納米薄膜特性

1.納米薄膜的力學性能：納米薄膜的性能強烈依賴于晶粒(顆粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多層膜的結構，這也就是日前納米薄膜研究的主要內(nèi)容。

硬度：納米多層膜的硬度與材料系統(tǒng)的組分、各組分的相對含量、薄膜的調(diào)制波長有著密切的關系。

機械性能較好的薄膜材料一般由硬質(zhì)相〔如陶瓷材料)和韌性相(如全屬材料)共同構成。因此如果不考慮納米效應的影響和硬質(zhì)相含量較高時，則薄膜材料的硬度較高，并且與相同材料組成的近似混合的薄膜相比，硬度均有所提高。

韌性：多層膜結構可以提高材料的韌性，其增韌機制主要是裂紋尖端鈍化、裂紋分支、層片拔出以及沿界面的界面開裂等，在納米多層膜中也存在類似的增韌機制。

影響韌性的因素主要有組分材料的相對含量及調(diào)制波長。在金屬/陶瓷組成的多層膜中，可以把金屬作為韌性相，陶瓷為脆性相，實驗中發(fā)現(xiàn)在TiC/Fe、Ti/Al、TiC/W多層膜系中，當金屬含量較低時，韌性基本上隨金屬相含量的增加而上升，但是在上升到一定程度時反而下降。

耐磨性：研究發(fā)現(xiàn)合理搭配材料可以獲得較好的耐磨性。從結構上看，多層膜的晶粒小，原子排列的晶格存在缺陷的可能性增多，晶粒內(nèi)的晶格點陣畸變和晶格缺陷的增多，使晶粒內(nèi)部的位錯滑移阻礙增加；此外，多層膜相界面結構也非常復雜，由于不同材料位錯能的差異，也會導致薄膜材料的耐磨性的不同。

2.光學性能

（1）藍移和寬化

用膠體化學法制備TiO2/SnO2超顆粒及其復合LB膜具有特殊的紫外-可見光吸收光譜。TiO2/SnO2超顆粒具有量子尺寸效應使吸收光譜藍移。TiO2/SnO2-硬脂酸復合LB膜具有良好的抗紫外線性能和光學透過性。

（2）光學線性與非線性

光學線性效應是指介質(zhì)在光波場作用下，當光強較弱時，介質(zhì)的電極化強度與光波電場的一次方成正比的現(xiàn)象。一般說來，多層膜的每層膜厚度與激子玻爾半徑(aB)相近

或小于aB時，在光的照射下，吸收譜上會出現(xiàn)激子吸收峰,這種現(xiàn)象也屬于光學效應。半導體InCaAlAs和InCaAs構成的多層膜，通過控制InCaAs膜的厚度，可以很容易地觀察到激子吸收峰。

光學非線性是在強光場的作用下，介質(zhì)的電極化強度中就會出現(xiàn)與外加電磁場的二次、三次乃至高次方成比例的項。對于納米材料，小尺寸效應、宏觀量子尺寸效應、量子限域和激子是引起光學非線性的主要原因。

3.電磁學特性

（1）磁學特性

磁性材料在吸波材料中最具特色和發(fā)展?jié)摿?，高磁導率金屬材料一般具有高電導率，高頻下易產(chǎn)生大渦流，對電磁波強反射而難以被吸收。采用薄膜多層化設計，用絕緣介質(zhì)層將高磁導率金屬層間隔形成納米多層膜復合結構，可能獲得高頻下的高磁導率和大磁損耗。某文獻研究報道了C0923zr7Ndn，薄膜材料的高頻磁譜特性，該材料具有高的磁損耗，有可能成為GHz頻段抗EMI材料，難以應用于高于2 GHz頻段。華中科技大學鄧聯(lián)文吲等人研究一種能用于微波吸收的高磁損耗型納米多層膜材料，并獲得了高于2GHz頻段的高磁導率。

（2）電學特性

有人在Au/Al2O3de 顆粒膜上觀察到電阻反?，F(xiàn)象，隨著納米金顆粒含量的增加，電阻不但不減小，反而急劇增加。實驗證明，材料的導電性與材料顆粒的臨界尺寸有關。當材料顆粒小于臨界尺寸時，它可能失去原來的電學性。

（3）氣敏特性

采用PECVD方法制備的SnO2超微粒顆粒薄膜比表面積大，存在不飽和配位鍵，表面存在很多活性中心，容易吸附多種氣體而在表面進行反應，是很好的制備傳感器的功能膜材料。

五.應用及前景

1.應用（1）金屬的耐蝕薄膜：非晶態(tài)合金膜是一種無晶界的，高度均勻的單相體系，且不存在一般金屬或合金所具有的晶體缺陷，因此，它不存在晶體間腐蝕和化學偏析，具有極強的防腐蝕性能。

如化學沉積制備非晶態(tài)的Ni-P合金。由于它沒有晶態(tài)Ni-P合金所具有的兩相組織，無法構成微電池。其鍍層可使金屬材料原來敏感的點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕和氫脆等易腐蝕性都得到改善。

（2）多功能薄膜—SnO2由于：SnO2具有良好的吸附性、較低的電阻溫度系數(shù)及化學穩(wěn)定性，因此容易沉積在諸如玻璃、陶瓷材料、氧化物材料及其他種類的襯底材料上。SnO2薄膜的主要用途有：薄膜電阻器、透明電極、氣敏傳感器、太陽能電池、熱反射鏡、光電子器件、電熱轉(zhuǎn)化等。

2.前景

納米薄膜在很多領域內(nèi)都有著廣闊而先進的應用前景，利用它獨有的物理化學性質(zhì)及特性，設計出新型納米結構性器件和納米復合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破，而功能性的薄膜材料一直是目前研究的熱點。

利用納米薄膜吸收光譜的藍移和紅移特性，人們已經(jīng)制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并且在日常的生產(chǎn)和生活中獲得了廣泛的應用；在一些硬度高的耐磨涂層或薄膜中添入納米相，可進一步提高納米薄膜的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性；利用納米粒子涂料形成的涂層具有良好的吸收能力，可對重型設備起到隱身作用，納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵等具有導體性質(zhì)的粒子，有很好的靜電屏蔽作用；美國科學家將PAH、PSS沉積到多空聚丙烯膜上，二氧化碳和氮氣的選擇透過性表明固體二甲基硅烷沉積多層膜后有較高的選擇性。

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的要求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓?。新材料的?chuàng)新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。正想美國科學家估計的“這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很有可能給各個領域帶來一場革命”。在納米科技的競爭中，我國起步并不算晚，這是我國趕上世界經(jīng)濟發(fā)展的又一個不可多得的機遇。

參考文獻

[1] 崔傳文

姜明

納米薄膜材料的制備技術及其應用研究 [2] 徐揚海 納米薄膜材料

[3] 王鵬飛 周劍平巫建功 王永明 ZnO基稀磁半導體納米薄膜材料的研究進展 [4] 賈嘉 濺射法制備納米薄膜材料及進展

第二篇：納米薄膜小論文

納米技術在薄膜中的應用與發(fā)展

摘要:近年來納米技術的發(fā)展研究是一個熱烈的話題，受到了廣泛的關注。而納米薄膜材料是一種新型材料，由于其特殊的結構特點，時期作為功能材料和結構材料都具有良好的發(fā)展前景。本文簡單介紹了納米薄膜材料的性能、制備方法，應用領域等幾個方面，為初步認識和了解納米薄膜材料有推動作用。

關鍵字：納米技術,薄膜,材料

納米技術在今天已經(jīng)不是個陌生的話題，所謂納米技術，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運動規(guī)律和特性的一項技術。這是21世紀最有競爭力的技術之一?？茖W家們在研究微觀粒子結構與性能過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下的原子或分子，可以表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能的設備與儀器，能夠在改善人們的日常生活中起到相當顯著的作用。納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。而我所研究的是納米技術在薄膜中的部分應用與其今后發(fā)展。新型薄膜材料對當代高新技術起著重要的作用，是國際上科學技術研究的熱門學科之一。

1.納米薄膜材料概述

納米薄膜是一類具有廣泛應用前景的新材料, 按用途可以分為兩大類,即納米功能薄膜和納米結構薄膜。前者主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性,通過復合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。后者主要是通過納米粒子復合, 提高材料在機械方面的性能。由于納米粒子的組成、性能、工藝條件等參量的變化都對薄膜的特性有顯著影響, 因此可以在較多自由度的情況人為地 控制納米復合薄膜的特性, 獲得滿足需要的材料。納米多層膜指由一種或幾種金屬或合金交替沉積而形成的組分或結構交替變化的合金薄膜材料, 且各層金屬或合金厚度均為納米級, 它也屬于納米薄膜材料。多層膜的主要參數(shù)為調(diào)制波長,指的是多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和。當調(diào)制波長比各層薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更大時,可稱這種多層膜結構為超晶格薄膜。組成復合薄膜的納米粒子可以是金屬、半導體、絕緣體、有機高分子等材料，而復合薄膜的基體材料可以是不同于納米粒子的任何材料。人們采用各種物理和化學方法先后制備了一系列金屬/絕緣體、半導體/絕緣體、金屬/半導體、金屬/高分子、半導體/高分子等納米復合薄膜。特別是硅系納米復合薄膜材料得到了深入的研究，人們利用熱蒸發(fā)、濺射、等離子體氣相沉積等各種方法制備了Si/SiOx、Si/a-Si：H、Si/SiNx、Si/SiC等納米鑲嵌復合薄膜。盡管目前對其機制不十分清楚，卻有大量實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)在此類納米復合薄膜中觀察到了強的從紅外到紫外的可見光發(fā)射。由于這一類薄膜穩(wěn)定性大大高于多孔硅，工藝上又可與集成電路兼容，因而被期待作為新型的光電材料應用于大規(guī)模光電集成電路。

由于納米薄膜的納米相粒子的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效 應等使得它們的光學性能、電學性能、力學性能、催化性能、生物性能等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性。因此，納米薄膜在光電技術、生物技術、能源技術等各個領域都有廣泛的應用前景。現(xiàn)以納米薄膜材料在潤滑方面的作用為例介紹它們的特性及其應用。

2.納米薄膜的制備方法

納米薄膜的制備方法按原理可分為物理方法和化學方法兩大類。粒子束濺射沉積和磁空濺射沉積,以及新近出現(xiàn)的低能團簇束沉積法都屬于物理方法；化學氣相沉積（VCD）、溶膠-凝膠（Sol-Gel）法和電沉積法屬于化學方法。2.1離子束濺射沉積

使用這種方法制備納米薄膜是在多功能離子束輔助沉積裝置上完成。該裝置的本底真空度為 0.2MPa, 工作氣壓為 7MPa。沉積陶瓷材料可以通過使用3.2KeV/100mA 的 Ar+ 離子束濺射相應的靶材沉積得到, 而沉積聚四氟乙烯材料需要使用較小的束流和束壓(15KeV/30mA)。沉積陶瓷材料時的速率為6nm/min, 沉積金屬和聚四氟乙烯材料時的速率為 12nm/min。2.2磁控濺射沉積

磁控濺射沉積法制備薄膜材料是在磁控濺射儀上實現(xiàn)的, 其真空室中有三個陰極靶(一個直流陰極, 兩個射頻陰極), 三個陰極可分別控制。首先將濺射材料安裝在射頻陰極上, 通過基片架轉(zhuǎn)動, 基片輪流在兩個射頻靶前接受濺射原子, 控制基片在各靶前的時間, 即可控制多層膜的調(diào)制波長。同時在真空室內(nèi)通入一定壓力的氣體, 可以作為保護氣氛, 或與濺射金屬原子反應生成新的化合物, 沉積到基片上。此外在基片高速旋轉(zhuǎn)的條件下, 還可制備近似均勻的復合薄膜。磁控濺射法具有鍍膜速率易于控制, 穩(wěn)定性好, 濺射材料不受限制等優(yōu)點。2.3低能團簇束沉積法

低能團簇束沉積方法是新近出現(xiàn)的一種納米薄膜制備技術。該技術首先將所沉積材料激發(fā)成原子狀態(tài), 以 Ar、He 作為載氣使之形成團簇, 同時采用電子束使團簇離化, 利用質(zhì)譜儀進行分離, 從而控制一定質(zhì)量、一定能量的團簇沉積而形成薄膜。在這種條件下沉積的團簇在撞擊表面時并不破碎, 而是近乎隨機分布；當團簇的平均尺寸足夠大, 則其擴展能力受到限制, 沉積薄膜的納米結構對團簇尺寸具有很好的記憶特性。2.4電沉積法

電沉積法可以制得用噴射法不能制得的復雜形狀,并且由于沉積溫度較低, 可以使組分之間的擴散程度降到最低。匈牙利的Eniko TothKadar 利用交流脈沖電源在陰極鍍制納米晶 Ni膜, 試樣制備與普通電鍍相同, 電鍍時電流保持不變, idep = 20Adm-2, 脈沖電流通電時間 ton ,斷電時間 toff在 0.001,0.01,0.1, 1, 10s 之間變化。

此外用電沉積法在 AISI52100 鋼基體上制得銅-鎳多層膜, 試樣預先淬硬到 HRC62 左右, 然后拋光清洗,進行電沉積, 鍍銅時電壓 u = 1600mV, i = 0.881mA cm-2 , 鍍鎳時電壓 u = 600mA, i = 22.02mA cm-2。2.5膠體化學法

采用溶膠-凝膠法制備納米薄膜,首先用化學試劑制備所需的均勻穩(wěn)定水溶膠, 然后將溶膠滴到清潔的基體上,在勻膠機上勻膠, 或?qū)⑷苣z表面的陳化膜轉(zhuǎn)移到基體上, 再將薄膜放入烘箱內(nèi)烘烤或在自然條件下干燥, 制得所需得薄膜。根據(jù)制備要求的不同, 配制不同的溶膠, 即可制得滿足要求的薄膜。用溶膠-凝膠法制備了納米微孔 SiO2薄膜和 SnO2納米粒子膜。

此外,還有用這種方法制備 TiO2/SnO2 超顆粒及其復合 LB(Langmuir-Blodgett)膜、SiC/AIN 膜、ZnS/Si 膜、CuO/SiO2 膜的報道。2.6化學氣相沉積法

在電容式耦合等離子體化學氣相沉積(PCVD)系統(tǒng)上, 用高氫稀釋硅烷和氮氣為反應氣氛制備納米硅氮(Nc-SiNx:H)薄膜。其試驗條件為: 電極間距 3.2cm,電極半徑 5cm。典型的沉積條件為: 襯底溫度 320℃, 反應室壓力為 100Pa, 射頻功率為70W SiH4/H2的氣體流量比為 0.03, N2/SiH4的氣體流量比為 1~10。

此外,還有用化學沉積法制備 Fe-P 膜, 射頻濺射法制備 a-Fe/Nd2Fe4B 多層膜, 熱化學氣相法制備 SiC/Si3N4膜的報道。

3.納米薄膜的應用領域

3.1納米光學薄膜

利用納米薄膜吸收光譜的藍移與紅移特性，人們已制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并在日常生產(chǎn)、生活中取得應用。如在平板玻璃的兩面鍍制的Ti02納米薄膜，在紫外線作用下，該薄膜可分解沉積在玻璃上的有機污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的有害細菌和病毒；在眼鏡上鍍制的TiO2 納米粒子樹脂膜或Fe2O3納米微粒聚醇酸樹脂膜，可吸收陽光輻射中的紫外線，保護人的視力；在燈泡罩內(nèi)壁涂敷的納米SiO2和納米TiO2 微粒多層干涉膜，燈泡不僅透光率好，而且具有很強的紅外線反射能力，可大大節(jié)約電能等。此外，利用Si納米晶粒薄膜的紫外線光致發(fā)光特性，還可獲得光致變色效應，從而產(chǎn)生新的防偽、識別手段。3.2納米耐磨損膜與納米潤滑膜 在一些硬度高的耐磨涂層/薄膜中添入納米相，可進一步提高涂層/薄膜的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性。此外，一些表面涂層/薄膜中加入一些納米顆粒，如C60 富勒烯、巴基管等還可達到減小摩擦系數(shù)的效果，形成自潤滑材料，甚至獲得超潤滑功能。事實上，在Ni等基體表面上沉積納米Ni-La2O3 曲，薄膜后，除了可以增加基體的硬度和耐磨性外，材料的耐高溫、抗氧化性也顯著提高。3.3納米磁性薄膜

經(jīng)過納米復合的涂層/薄膜具有優(yōu)異的電磁性能。利用納米粒子涂料形成的涂層/薄膜具有良好的吸波能力，可對飛行器、重型武器等裝備起到隱身作用；納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵和氧化鋅等具有半導體性質(zhì)的粒子，加人到樹脂中形成涂層，有很好的靜電屏蔽性能；納米結構的Fe/Cr，F(xiàn)e/Cu，Co/Cu等多層膜系統(tǒng)具有巨磁阻效應，可望作為應用于高密度存儲系統(tǒng)中的讀出磁頭、磁敏傳感器、磁敏開關等。3.4納米氣敏薄膜

由于氣敏納米膜吸附了某種氣體以后會產(chǎn)生物理參數(shù)的變化，因此可用于制作探測氣體的傳感器。目前研究最多的納米氣敏薄膜是SnO2 超微粒膜，該膜比表而積大，且表面含有大量配位不飽和鍵，非常容易吸附各種氣體在其表面進行反應，是制備氣敏傳感器的極佳功能材料。3.5納米濾膜

納米濾膜是一種新型的分離膜，可分離僅在分子結構上有微小差別的多組分混合物，它常常被用來在溶液中截留某些有機分子，而讓溶液中的無機鹽離子自由通過。目前商業(yè)化的納米濾膜的材質(zhì)多為聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纖維素等，這些納米濾膜除了具有微篩孔外，濾膜上各基團往往還帶有電荷，因此，還可以對某些多價的離子進行截留，而讓其他離子通過濾膜?，F(xiàn)在，納米濾膜已經(jīng)在石化、生化、食品、紡織以及水處理等方面得到廣泛應用。

4.納米薄膜的發(fā)展前景

納米薄膜材料的研究是納米科學技術領域的重要內(nèi)容，在許多領域內(nèi)都有著廣泛的應用前景。世界上的發(fā)達國家都把納米薄膜材料的研究列入國家發(fā)展規(guī)劃中。我國對納米薄膜材料的研究也非常重視，利用新的物理化學性質(zhì)、新原理、新方法設計納米結構性器件和納米復合傳統(tǒng)材料改性正孕育新的突破。相信納米薄膜材料將會在未來給人們帶來更多的驚喜。

參 考 文 獻

[1]張立德.納米材料研究的新進展及在 21 世紀的戰(zhàn)略 地位, 中國粉體技術[J].2000, 6(1)：1~ 5 [2]高海永,莊惠照,薛成山,王書運,董志華,何建廷.竹葉狀GaN納米帶的制備[J].電子元件與材料.2004(09)[3]Ji-Hyuk Choi,Moon-Ho Ham,Woong Lee,Jae-Min Myoung.Fabrication and characterization of GaN/amorphous Ga2O3 nanocables through thermal oxidation Solid.State.Commun.2007 [4]王非.GaN納米線和薄膜的制備及其特性研究[D].太原理工大學 2007 [5]李鵬.納米薄膜材料制備工藝研究[D].重慶大學 2004 [6]曹鋮.聚苯乙烯納米薄膜的制備與表征[D].天津大學 2010 [7]唐一科,許靜,韋立凡.納米材料制備方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].重慶大學學報(自然科學版).2005(01)

第三篇：納米薄膜材料的制備方法

納米薄膜材料的制備方法

摘 要 納米薄膜材料是一種新型材料,由于其特殊的結構特點,使其作為功能材料和結構材料都具有良好的發(fā)展前景。本文綜述了近幾年來國內(nèi)外對納米薄膜材料研究的最新進展,包括對該類材料的制備方法、微結構、電、磁、光特性以及力學性能的最新研究成果。

關鍵詞

納米薄膜;薄膜制備;微結構;性能 世紀,由于信息、生物技術、能源、環(huán)境、國防 等工業(yè)的快速發(fā)展, 對材料性能提出更新更高的要求,元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)纫蟛牧系某叽缭絹碓叫?航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術使材料的性能趨于極端化。因此, 新材料的研究和創(chuàng)新必然是未來的科學研究的重要課題和發(fā)展基礎,其中由于納米材料的特殊的物理和化學性能, 以及由此產(chǎn)生的特殊的應用價值, 必將使其成為科學研究的熱點[1]。

事實上, 納米材料并非新奇之物, 早在 1000 多年以前, 我國古代利用蠟燭燃燒的煙霧制成碳黑作為墨的原料, 可能就是最早的納米顆粒材料;我國古代銅鏡表面的防銹層, 經(jīng)驗證為一層納米氧化錫顆粒構成的薄膜,這大概是最早的納米薄膜材料。人類有意識的開展納米材料的研究開始于大約 50 年代,西德的 Kanzig 觀察到了 BaTiO3 中的極性微區(qū),尺寸在10~ 100納米之間。蘇聯(lián)的 G.A.Smolensky假設復合鈣鈦礦鐵電體中的介電彌散是由于存Kanzig微區(qū)導致成分布不均勻引起的。60 年代日本的 Ryogo Kubo在金屬超微粒子理論中發(fā)現(xiàn)由于金屬粒子的電子能級不連續(xù),在低溫下, 即當費米 能級附近的平均能級間隔 > kT 時, 金屬粒子顯示出與塊狀物質(zhì)不同的熱性質(zhì)[ 4]。西德的 H.Gleiter 對納米固體的制備、結構和性能進行了細致地研究[ 5]。隨著技術水平的不斷提高和分析測試技術手段的不斷進步, 人類逐漸研制出了納米碳管, 納米顆粒,納米晶體, 納米薄膜等新材料, 這些納米材料有一般的晶體和非晶體材料不具備的優(yōu)良特性, 它的出現(xiàn)使凝聚態(tài)物理理論面臨新的挑戰(zhàn)。80 年代末有人利用粒度為 1~ 15nm 的超微顆粒制造了納米級固體材料。納米材料由于其體積和單位質(zhì)量的表面積與固體材料的差別,達到一定的極限, 使顆粒呈現(xiàn)出特殊的表面效應和體積效應,這些因素都決定著顆粒的最終的物理化學性能,如隨著比表面積的顯著增大,會使納米粒子的表面極其活潑,呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài),當其暴露于空氣中時,瞬間就被氧化。此外, 納米粒子還會出現(xiàn)特殊的電、光、磁學性能和超常的力學性能。

納米薄膜的分類

納米薄膜具有納米結構的特殊性質(zhì), 目前可以 分為兩類:(1)含有納米顆粒與原子團簇

基質(zhì)薄 膜;(2)納米尺寸厚度的薄膜, 其厚度接近電子自由 程和 Denye 長度, 可以利用其顯著的量子特性和統(tǒng) 計特性組裝成新型功能器件。例如, 鑲嵌有原子團 的功能薄膜會在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應, 該結 構相當于大原子超原子膜材料具有三維特征;納米厚度的信息存貯薄膜具有超高密度功能, 這類 集成器件具有驚人的信息處理能力;納米磁性多層 膜具有典型的周期性調(diào)制結構, 導致磁性材料的飽 和磁化強度的減小或增強。對這 些問題的系統(tǒng)研究 具有重要的理論和應用意義。

納米薄膜是一類具有廣泛應用前景的新材料, 按用途可以分為兩大類,即納米功能薄膜和納米結 構薄膜。前者主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性,通過復合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。后者主要是通過納米粒子復合, 提 高材料在機械方面的性能。由于納米粒子的組成、性能、工藝條件等參量的變化都對復合薄膜的特性 有顯著影響, 因此可以在較多自由度的情況人為地 控制納米復合薄膜的特性, 獲得滿足需要的材料。納米多層膜指由一種或幾種金屬或合金交替沉 積而形成的組分或結構交替變化的合金薄膜材料, 且各層金屬或合金厚度均為納米級, 它也屬于納米 復合薄膜材料。多層膜的主要參數(shù)為調(diào)制波長, 指的是多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和。當調(diào)制波長

比各層薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍 或更大時, 可稱這種多層膜結構為 超晶格 薄膜。組成薄膜的納米材料可以是金屬、半導體、絕緣體、有機高分子等材料, 因此可以有許多種組合方式, 如 金屬半導體、金屬絕緣體、半導體絕緣體、半導體 高分子材料等, 而每一種組合都可衍生出眾多類型 的復合薄膜。

納米薄膜的制備方法

納米薄膜的制備方法按原理可分為物理方法和 化學方法兩大類。粒子束濺射沉積和磁空濺射沉 積,以及新近出現(xiàn)的低能團簇束沉積法都屬于物理 方法;化學氣相沉積(CVD)、溶膠-凝膠(Sol Gel)法 和電沉積法屬于化學方法。1 離子束濺射沉積

使用這種方法制備納米薄膜是在多功能離子束 輔助沉積裝置上 完成。該裝置 的本底真空度 為 0 2MPa, 工作氣壓為 7MPa。沉積陶瓷材料可以通過 使用 3 2KeV 100mA 的 Ar + 離子束濺射相應的靶材 沉積得到, 而沉積聚四氟乙烯材料需要使用較小的 束流和束壓(1 5KeV 30mA)。沉積陶瓷材料時的速 率為 6nm min, 沉積金屬和聚四氟乙烯材料時的速率 為 12nm min[ 7]。磁控濺射沉積

磁控濺射沉積法制備薄膜材料是在磁控濺射儀 上實現(xiàn)的, 其真空室中有三個陰極靶(一個直流陰 極, 兩個射頻陰極), 三個陰極可分別控制。首先將 濺射材料安裝在射頻陰極上, 通過基片架轉(zhuǎn)動,基片 輪流在兩個射頻靶前接受濺射原子, 控制基片在各 靶前的時間, 即可控制多層膜的調(diào)制波長。同時在 真空室內(nèi)通入一定壓力的氣體, 可以作為保護氣氛, 或與濺射金屬原子反應生成新的化合物,沉積到基 片上[ 8-10]。此外在基片高速旋轉(zhuǎn)的條件下, 還可制備近似均勻的復合薄膜[11]。磁控濺射法具有鍍膜 速率易于控制, 穩(wěn)定性好, 濺射材料不受限制等優(yōu) 點。低能團簇束沉積法

低能團簇束沉積方法是新近出現(xiàn)的一種納米薄 膜制備技術。該技術首先將所沉積材料激發(fā)成原子 狀態(tài),以 Ar、He作為載氣使之形成團簇, 同時采用電 子束使團簇離化,利用質(zhì)譜儀進行分離, 從而控制一 定質(zhì)量、一定能量的團簇沉積而形成薄膜。在這種 條件下沉 積的團簇在撞擊表面時并不破碎, 而是近乎隨機分布;當團簇的平均尺寸足夠大, 則其擴展能 力受到限制,沉積薄膜的納米結構對團簇尺寸具有 很好的記憶特性[12]。電沉積法

電沉積法可以制得用噴射法不能制得的復雜形 狀,并且由于沉積溫度較低, 可以使組分之間的擴散 程度降到最低[13]。匈牙利的 Eniko TothKadar 利用交流脈沖電源在 陰極鍍制納米晶 Ni 膜, 試樣制備與普通電鍍相同, 電鍍時電流保持不變, idep = 20A dm-2 , 脈沖電流通 電時間 t on ,斷電時間 to f f 在 0 001, 0 01, 0 1, 1, 10s 之 間變化[14]。此外用電沉積法在 AISI52100 鋼基體上制得銅-鎳多層膜, 試樣預先淬硬到 HRC62 左右, 然后拋 光清洗, 進行電沉積, 鍍銅時電壓 u = 1600mV, i = 0 881mA cm-2 , 鍍鎳時電壓 u = 600mA, i = 22 02mA cm-2[15]。膠體化學法

采用溶膠-凝膠法制備納米薄膜,首先用化學 試劑制備所需的均勻穩(wěn)定水溶膠, 然后將溶膠滴到 清潔的基體上,在勻膠機上勻膠, 或?qū)⑷苣z表面的陳 化膜轉(zhuǎn)移到基體上, 再將薄膜放入烘箱內(nèi)烘烤或在 自然條件下干燥, 制得所需得薄膜。根據(jù)制備要求 的不同, 配制不同的溶膠, 即可制得滿足要求的薄 膜。用溶膠-凝膠法制備了納米微孔 SiO2 薄膜[16] 和SnO2 納米粒子膜[17]。此外, 還有用這種方法制 備 化學氣相沉積法 在電容式耦合等離子體化學氣相沉積(PCVD)系統(tǒng)上, 用高氫稀釋硅烷和氮氣為反應氣氛制備納 米硅氮(Nc SiNx :H)薄膜。其試驗條件為: 電極間距 3 2cm,電極半徑 5cm。典型的沉積條件為: 襯底溫 度 320 , 反應室壓力為 100Pa, 射頻功率為 70W SiH4 H2 的氣體流量比為 0 03, N2 SiH4 的氣體流量 比為 1~ 10[19]。此外,還有用化學沉積法制備 Fe P 膜[20] , 射頻 濺射法制備 a Fe Nd2 Fe4 B 多層膜[21] , 熱化學氣相法 制備 SiC Si N 膜的報道。

納米粒子膜的結構

中科院長春化學研究所研究了用膠體化學法制 備的 SnO2 納米粒子膜的結構, 然后將膠體表面的陳 化膜轉(zhuǎn)移出來, 發(fā)現(xiàn)新鮮的膜體表面均勻,但經(jīng)過一 段時間以后, 出現(xiàn)小的膠體粒子疇, 并逐漸增多變 大。隨著時間的增加, 疇間距縮小,形成大塊膜。薄 膜的致密程度以及晶型與轉(zhuǎn)移膜的懸掛狀態(tài)和干燥 時間有一定的聯(lián)系[ 17]。

納米多層膜的結構

納米多層膜中各成分都有接近化學計量比的成 分構成, 從 X 射線衍射譜中可以看出, 所有金屬相 及大多數(shù)陶瓷相都為多晶結構, 并且譜峰有一定程 度的寬化, 表明晶粒是相當細小的,粗略的估算在納 米數(shù)量級, 與子層的厚度相當。部分相呈非晶結構, 但在非晶基礎上也有局部的晶化特征出現(xiàn)。通過觀察, 可以看到多層膜的多層結構,一般多 層膜的結構界面平直清晰, 看不到明顯的界面非晶 層, 也沒有明顯的成分混合區(qū)存在。此外, 美國伊利諾斯大學的科研人員成功地合 成了以蘑菇形狀的高分子聚集體微結構單元, 在自 組 裝成納米結構的超分子多層膜[ 22]。

力學性能

納米薄膜由于其組成的特殊性, 因此其性能也 有一些不同于常規(guī)材料的特殊性, 尤其是超模量、超 硬度效應成為近年來薄膜研究的熱點。對于這些特 殊現(xiàn)象在材料學理論范圍內(nèi)提出了一些比較合理的 解釋。其中有 Koehler 早期提出的高強度固體的設 計理論[23] , 以及后來的量子電子效應、界面應變效 應、界面應力效應[24, 25] 等都不同程度的解釋了一些 實驗現(xiàn)象?，F(xiàn)在就納米薄膜材料的力學性能研究較 多的有多層膜硬度、韌性、耐磨性等。

硬度 納米多層膜的硬度與材料系統(tǒng)的組 分,各組分的相對含量, 薄膜的調(diào)制波長有著密切的 關系。納米多層膜的硬度對于材料系統(tǒng)的成分有比較 強烈的依賴性,在某些系統(tǒng)中出現(xiàn)了超硬度效應, 如 在TiN Pt 和Ti C Fe中,尤其是在TiC Fe 系統(tǒng)中,當單 層膜厚分別為 tTiC = 8nm 和 tFe= 6nm 時,多層膜的硬 度可達到 42GPa,遠遠超過其硬質(zhì)成分 TiC 的硬度;而在某些系統(tǒng)中則沒有這一現(xiàn)象出現(xiàn), 如在 TiC Cu 和TiC Al 中,并且十分明顯的是在不同的材料系統(tǒng) 中,其硬度值有很大的差異, 如TiC 聚四氟乙烯的硬 度比TiC 低很多, 大約只有 8GPa左右[7]。影響材料硬度另一個因素是組分材料的相對含 量。機械性能較好的薄膜材料一般由硬質(zhì)相(如陶 瓷材料)和韌性相(如金屬材料)共同構成。因此如 果不考慮納米效應的影響,如果硬質(zhì)相含量較高, 則 薄膜材料的硬度較高, 并且與相同材料組成的近似 混合薄膜相比,硬度均有所提高。對于納米多層膜的強化機理, 多數(shù)觀 點認為其 硬度值與調(diào)制波長的關系近似的遵循 Hall Petch 關系式[26] : = 0 +(a0)n(2)式中

為多層膜的調(diào)制波長。按照該關系式, 硬度 值隨調(diào)制波長的增大而減小。根據(jù)位錯機制, 材 料的硬度隨晶粒度的減小而增大。在納米多層膜 中,界面的含量是相當高的, 而界面對位錯移動等材 料變形機制有著直接影響, 可以將層間界面的作用 類似于晶界的作用, 因此多層膜的硬度隨調(diào)制波長的減小而增大。實驗中觀察到在TiC Cu、TiC AIN 等系統(tǒng)中硬度值隨調(diào)制波長的變化類似遵循 Hall Petch關系式[ 27] , 但是在 SiC W[ 11]、TiN Pt [ 7] 中的 情況要復雜一些,硬度與調(diào)制波長的關系并非單 調(diào)地上升或下降,而是在某一調(diào)制波長

存在一個 硬度最高值。

韌性 多層膜結構可以提高材料的韌性, 其 增韌機制主要是裂紋尖端鈍化、裂紋分支、層片拔 出、以及沿界面的界面開裂等, 在納米多層膜中也存 在類似的增韌機制。影響韌性的因素有組分材料的相對含量及調(diào)制 波長。在金屬陶瓷組成的多層膜中, 可以把金屬作 為韌性相,陶瓷為脆性相, 實驗中發(fā)現(xiàn)在TiC Fe、TiC Al、TiC W 多層膜系[7] 中, 當金屬含量較低時, 韌性 基本上隨金屬相的增加而上升, 但是在上升到一定 程度時反而下降。對于這種現(xiàn)象可以用界面作用和單層材料的塑 性加以粗略的解釋。當調(diào)制波長

不是很小時, 多 層膜中的子層材料基本保持其本征的材料特點, 金 屬層仍然具有較好的塑性變形能力, 減小調(diào)制波長

相當于增加界面含量,有助于裂紋分支的擴展, 增 加材料的韌性。當調(diào)制波長

很小時,子層材料的 結構可能會發(fā)生一些變化, 金屬層的塑性降低,同時 由于子 層的厚度太薄, 材料的成分變化梯度減小, 裂 紋穿越不同疊層時很難發(fā)生轉(zhuǎn)移和分裂,因上韌性 反而降低。4 1 3 耐磨性 對于納米薄膜的耐磨性, 現(xiàn)在進行 的研究還較少, 但是從現(xiàn)有的研究看來,合理的搭配 材料可以獲得較好的耐磨性。如在 52100 軸承鋼基 體上沉積不同調(diào)制波長的銅膜和鎳膜[15] , 實驗證明 多層膜的調(diào)制波長越小, 使其磨損明顯變大的臨界 載荷越大, 即銅-鎳多層膜的調(diào)制波長越小,其磨損 抗力越大。對于這種現(xiàn)象沒有確切的理論解釋, 可以用晶 粒內(nèi)部、晶粒界面和納米多膜的鄰層界面上的位錯 滑移障礙比傳統(tǒng)材料的多, 滑移阻力比傳統(tǒng)材料的 大來解釋。從結構上看, 多層膜的晶粒小,原子排列的晶格 缺陷的可能性大, 晶粒內(nèi)的晶格點陣畸變和晶格缺 陷的增多, 使晶粒內(nèi)部的位錯滑移障礙增加;晶界長 度也比傳統(tǒng)晶粒的晶界長的多, 使晶界上的位錯滑 移障礙增加;此外, 多層膜相鄰界面結構也非常復 雜, 不同材料的位錯能的差異,導致界面上的位錯滑 移阻力增大。因此使納米多層膜發(fā)生塑性變形的流 變應力增加, 并且這種作用隨著調(diào)制波長的減小而 增強。

納米薄膜在許多領域內(nèi)都有著廣泛的應用前 景。利用新的物理化學性質(zhì)、新原理、新方法設計納 米結構性器件和納米復合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新 的突破。功能性的薄膜材料一直是人們研究的熱 點,例如 H.Matsuda等人制備的 Fe P 納米薄膜具有 優(yōu)良的磁性能[ 20];納米硅薄膜(nc Si: H)是一種新型 低維人工半導體材料[34];Eniko TothKadar 等人用脈 沖電沉積法制備的 Ni 納米晶薄膜,具有良好的電傳 導性[14];楊仕清等人研究了納米雙相交換耦合多層膜 a Fe Nd2 Fe4 B永磁體的磁性能[21];利用巨磁電阻 效應制成的讀出磁頭可顯著提高磁盤的存儲密度;利用巨磁電阻效應制作磁阻式傳感器可大大提高靈 敏度。

參 考 文 獻

1.張立德.納米材料研究的新進展及在 21 世紀的戰(zhàn)略 地位, 中國粉體技術[ J].2000, 6(1): 1~ 5 2.李戈揚, 施曉蓉, 張流強, 等.TiN AIN納米多層膜的 制備及力學性能.[ J].上海交通大學學報, 1999, 33(2): 159 3.納米薄膜材料的研究進展 邱成軍1, 2 , 曹茂盛2, 3 , 朱 靜3 , 楊慧靜2(1 黑龍江大學電子工程學院;2 哈爾濱工程大學材料系)

第四篇：納米隱身材料概述

納米隱身材料概述

摘要：本文主要在前人論述總結的基礎上對當前納米隱身材料的原理、研究的現(xiàn)狀（進展）、存在的問題、發(fā)展趨勢和自己的一點個人看法做一個大概的簡單的概述。關鍵詞：納米

隱身材料

所謂納米材料是指晶粒直徑小于100納米、包含多個原子簇的超細材料。在這種材料狀態(tài)下，材料的力學性能、光學性能、化學性能、磁性能及電學性能發(fā)生了與傳統(tǒng)材料不相同的變化。隱身材料是指以磁性納米材料或結構為主體構成的一種復合隱身材料。

【1】

納米

在信息化條件下，軍事高科技的發(fā)展受到各國的重視，作為軍事高科技的重要成員和基礎，軍用材料的發(fā)展歷來很受重視。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，先進偵察系統(tǒng)和精確打擊系統(tǒng)在實際作戰(zhàn)中對軍事裝備及設施的威脅越來越大，隱身技術的應用能夠顯著提高武器裝備的生存、突防和縱深打擊能力，因此隱身技術成為世界各軍事強國研究的熱點之一。一．隱身原理

⒈簡單來說，金屬粉體（如Fe、Ni等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達到納米級后，電導率很低，材料的比飽和磁化強度下降，但磁化率和矯頑力急劇上升。其在細化過程中，處于表面的原子數(shù)越來越多，增大了納米材料的活性，因此在一定波段電磁波的輻射下，原子、電子運動加劇，促進磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了材料的吸波性能。2從而反射

【】除去的波就少，不容易被對方雷達探測到，從而起到隱身效果。一般認為，其對電磁波能量的吸收由晶格電場熱振動引起的電子散射、雜質(zhì)和晶格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三種效應來決定。

⒉納米Si/C/N粉體的吸波機理與其結構密切相關。但目前對其結構的研究并沒有得出確切結論，一般認為，在納米Si/C/N粉體中固溶了N，存在Si（N）C固溶體，而這些判斷也得到了實驗的證實。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成帶電缺陷。在正常的SiC晶格中，每個碳原子與四個相鄰的硅原子以共價鍵連接，同樣每個硅原子也與周圍的四個碳原子形成共價鍵。當N原子取代C原子進入SiC后，由于N只有三價，只能與三個Si原子成鍵，而另外的一個Si原子將剩余一個不能成鍵的價電子。由于原子的熱運動，這個電子可以在N原子周圍的四個Si原子上運動，從一個Si原子上跳躍到另一個Si原子上。在跳躍過程中要克服一定勢壘，但不能脫離這四個Si原子組成的小區(qū)域，因此，這個電子可以稱為“準自由電子”。在電磁場中，此“準自由電子”在小區(qū)域內(nèi)的位置隨電磁場的方向而變化，導致電子位移。電子位移的馳豫是損耗電磁波能量的主要原因。帶電缺陷從一個平衡位置躍遷到另一個平衡位置，相當于電矩的轉(zhuǎn)向過程，在此過程中電矩因與周圍粒子發(fā)生碰撞而受阻，從而運動滯后于電場，出現(xiàn)強烈的極化馳豫。二．研究現(xiàn)狀【4.5.6.7.8.9】

公開資料顯示目前國內(nèi)外研究的納米雷達波吸收劑主要有如下幾種類型:納米金屬與合金吸收劑、納米氧化物吸收劑、納米SiC吸收劑、納米鐵氧體吸收劑、納米石墨吸收劑、納米Si/C/N 和Si/C/N/O 吸收劑、納米金屬膜/絕緣介質(zhì)膜吸收劑、納米導電聚合物吸收劑、納米氮化物吸收劑【3】等

國內(nèi)關于納米吸收劑的研究具有代表性的是成都電子科技大學的納米針形磁性金屬粉、多層納米膜復合吸收劑,青島化工學院的手征和納米磁性金屬離子的復合吸收劑以及哈爾濱工業(yè)大學的納米亞單疇氮化鐵固體超順磁體復合吸收劑。

成都電子科技大學以液相法合成出鐵基納米針形粉,并對影響其電磁參數(shù)的諸多因素進行了研究,這種納米鐵基金屬粉密度低、質(zhì)量輕,通過成分變化,可以有效控制其頻率特性,有利展寬吸收頻帶。在此基礎上,他們又對輕質(zhì)多層膜復合材料進行了研究,利用化學成膜技術在中空玻璃球表面生成均勻、致密的金屬鍍層從而制備出了輕質(zhì)顆粒膜復合吸收劑,這種吸收劑具有密度小,能充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層作用的顯著特點,并且可以通過控制鍍膜工藝和損耗層成分的方法達到有效調(diào)節(jié)鍍膜顆粒復合材料的電導率、比飽和磁化強度進而調(diào)節(jié)其電磁參數(shù),是一種輕質(zhì)復合吸收劑。

青島化工學院納米材料研究所用納米金屬作催化劑通過聚合反應制備出導電螺旋手征吸收劑,這是一種集納米材料、導電高聚物與螺旋手征于一體的新型輕質(zhì)、寬頻吸收劑。由于螺旋的作用,這種吸收劑對吸波涂層具有增強作用,具有工藝性能好、使用方便等優(yōu)點。

哈爾濱工業(yè)大學制出了具有納米粒度的單疇氮化鐵固體超順磁體并對超順磁體的研制工藝也進行了探索性研究,建立了工藝研究設備。納米氮化鐵具有很高的飽和磁感應強度,而且有很高的飽和磁流密度,因此納米粒度的氮化鐵超順磁體吸收劑具有較高的磁導率。此外，納米氮化硅是另一種常見的納米氮化物吸收劑,納米氮化硅中大量懸掛鍵的存在形成電偶極矩,使其界面發(fā)生極化從而使納米氮化硅產(chǎn)生強的介電損耗，具有良好的吸波性能。

國外方面，美、法、日等國都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。日本用二氧化碳激光法研制出一種在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的硅/ 碳/ 氮和硅/ 碳/ 氮/

氧復合吸收劑。其吸波機理為:通過碳化硅、氮化硅和自由碳等對雷達波進行吸收和衰減,利用氮化硅的含量調(diào)節(jié)整體電阻率。法國研制成功的鈷鎳納米材料與絕緣層構成的復合結構,由粘結劑和納米級微屑填充材料組成,其結構具有很好的磁導率,與粘合劑復合涂層具有良好的吸波性能。納米薄膜或納米多層膜材料具有優(yōu)異的電磁性能。美國研制出的“超黑粉”納米吸波材料,對雷達波的吸收率大于99 %,這種“超黑粉”納米吸波材料不僅吸收率大,而且在低溫下仍保持很好的韌性。

【6】

對納米隱身材料的最新研究主要集中在復合材料方面，運用復合技術對電損耗型與磁損耗隱身材料進行納米尺度上的復合便可得到吸波性能大為提高的納米復合隱身材料。綜合了納米材料和復合材料的優(yōu)點而具有良好的吸收特性。其制備方法現(xiàn)羅列如下：

1.溶膠-凝膠法：將金屬有機物或無機化合物經(jīng)溶液制得溶膠，溶膠在一定條件下（如加熱）脫水時，具有流動性的溶膠逐漸變粘稠，成為略顯彈性的固體凝膠，再將凝膠干燥、焙燒得到納米級產(chǎn)物。燒結的方式和溫度隨物料的不同也有差異，近年來有用微波加熱代替常規(guī)加熱的，也有用射線照射得到產(chǎn)物的。該方法能夠制備多孔連接的納米材料。產(chǎn)生溶膠-凝膠的機制主要有：①傳統(tǒng)膠體型：通過控制溶液中金屬離子的沉淀過程，使形成的顆粒不團聚成大顆粒而沉淀，得到均勻穩(wěn)定的溶膠，再經(jīng)過蒸發(fā)溶膠（脫水）得到凝膠。②無機聚合物型：通過可溶性聚合物在水或有機相中溶膠-凝膠法過程，使金屬離子均勻的分散在凝膠中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸、聚丙烯酰胺。③絡合物型：利用絡合劑（如檸檬酸）將金屬離子形成絡合物，再經(jīng)過溶膠-凝膠法過程形成絡合物凝膠。此方法有反應燒結溫度低，徑粒分布均勻等優(yōu)點。

2.惰性氣體冷凝法：是制備清潔界面納米粉的主要方法之一。將裝有待蒸發(fā)物質(zhì)的容器抽至10pa高真空后，充入惰性氣體，然后再加熱蒸發(fā)，使物質(zhì)蒸發(fā)成霧狀原子，隨惰性氣體流冷凝到冷凝器上，將聚集的納米尺度離子刮下，收集即得納米粉末。如采用多個蒸發(fā)源，可同時得到復合粉體和化合物分體，顆粒尺寸可通過蒸發(fā)速率和凝聚氣的氣壓來調(diào)控。

⒊此外有以在材料合成過程中于基體中產(chǎn)生彌散相與母體有良好的相容性、無重復污染為特點的原位復合技術；以自放熱、自潔凈、高活性和亞穩(wěn)結構為特點的子蔓延復合技術；分子自組裝技術；超分子符合技術等。另外，研究中還存在一些問題，主要有： ⒈對材料的隱身原理的研究還不是很成熟；

⒉用溶膠-凝膠法制備時存在反應過程過長，凝膠易開裂；

屬于我國最尖端武器序列。另一方面，科學研究成果的應用，能更好地服務于民眾，更好地促進國民經(jīng)濟的發(fā)展，在國際競爭中保持優(yōu)勢地位，能有效避免高昂的專利費流入他國。

對發(fā)展納米隱身材料的建議：我國納米產(chǎn)業(yè)化的道路還十分漫長。在科學發(fā)現(xiàn)方面我們和美、日、德等國家沒什么大的差距，有些地方還超過了他們，但向工業(yè)化生產(chǎn)過程中，我國尚處于落后地位。因此我們必須大力做好納米科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的工作。國內(nèi)企業(yè)大多是生產(chǎn)型的，缺乏自主創(chuàng)新的能力，另一方面，我國的科研機構，有時缺乏從實驗室小試成果轉(zhuǎn)化到實施大量產(chǎn)業(yè)化的意識，或者能力還達不到。研究機構和企業(yè)不能很好的銜接，使得我國納米材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展嚴重滯后。因此科研機構應多從實際應用的角度考慮，加強和企業(yè)的聯(lián)系，以使成果較好最快的應用于實際。

參考文獻：

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第五篇：二維納米光子學材料研究獲重要突破

二維納米光子學材料研究獲重要突破

近日，中科院上海光機所研究員王俊與張龍、趙全忠以及上海光機所中科院外國專家特聘研究員Werner Blau等人合作，首次報道了二維層狀MoS2納米材料在近紅外波段的優(yōu)異超快飽和吸收性能。相關研究成果日前發(fā)表于《美國化學學會—納米》。

據(jù)介紹，過渡金屬硫化物二維納米材料，如MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2等受到了學界的高度重視，許多獨特的光電性質(zhì)在該材料由體材料降解到二維單分子層后體現(xiàn)出來，該類材料已成為新一代高性能納米光電器件國際前沿研究的核心材料之一。然而，針對這類寬禁帶直接帶隙半導體二維納米片的超快非線性光學性質(zhì)及相應光子器件的研究還鮮有報道。

上述研究小組利用液相剝離技術成功制備出高品質(zhì)MoS2納米片分散液。透射電子顯微鏡、可見—紅外吸收光譜、拉曼光譜、原子力顯微鏡研究表明，分散液中存在大量高品質(zhì)MoS2納米片層。超快非線性光學實驗證實MoS2納米片對100fs、800nm近紅外激光脈沖具有比石墨烯更加優(yōu)異的飽和吸收響應。

業(yè)內(nèi)專家表示，這些結果預示著以MoS2為代表的過渡金屬硫化物二維納米半導體材料在超短脈沖鎖模器、激光防護光限幅器以及光開關等光子學器件開發(fā)方面的巨大潛力。（來源：中國科學報）

石墨烯電池，利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。

1發(fā)明歷程

不久前，美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

目前，作為導電性、機械性能都很優(yōu)異的材料，素來有“黑金子”之稱的石墨烯目前在中國市場上的價格近十倍于黃金，超過2000元/克。新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點。電池技術是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。

2石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗

這是一個有趣的創(chuàng)意，用于制作電池。水溶液中離子的熱運動是巨大的，室溫下達每秒幾百米。但很少有人研究這一過程，也沒有人研究它可能產(chǎn)生電流。進行這一研究的徐子涵(Zihan Xu)是香港理工大學(Hong Kong Polytechnic University)的，他和幾個同伴不僅研究這個過程，而且似乎也掌握了。

石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間(小時、天數(shù))和產(chǎn)生電壓的關系。這些人已經(jīng)制成電路，其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copper chloride)溶液中，進行觀察。果然，LED燈亮了。實際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮。

徐子涵和同事說，這里發(fā)生情況就是這樣。銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，這是因為溶液在室溫下的熱能量。當離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。這些電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結合，也可以穿過石墨烯，進入電路。

原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點點亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進入電解液。我們的設備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說。

因此，這個裝置產(chǎn)生的能量來自周圍環(huán)境的熱量。這些人說，他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。他們甚至聲稱，只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設是某種化學反應產(chǎn)生電流，就像普通的電池。

然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點，因為進行了幾組控制實驗。然而，這些是在一些補充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要公開這些，要趕在別人做出嚴肅聲明之前。從表面價值來看，這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅(qū)動技術”。

我們希望他們是正確的。但至少在目前，人們還仍然無法下結論。3石墨烯市場 小電容帶來大市場

由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學家甚至預言其將“徹底改變21世紀”。曼徹斯特大學副校長Colin Bailey教授稱：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應用，從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片?！?/p>

最近美國加州大學洛杉磯分校的研究人員就開發(fā)出一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。

石墨烯電池

微型石墨烯超級電容技術突破可以說是給電池帶來了革命性發(fā)展。目前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應用。而現(xiàn)在只需要常見的DVD刻錄機，甚至是在家里，利用廉價材料30分鐘就可以在一個光盤上制造100多個微型石墨烯超級電容。

石墨烯應用三大領域

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。在今年的消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片，這為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。韓國三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。

另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應用鋪就了道路。

由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優(yōu)勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發(fā)出應用于航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發(fā)揮更重要的作用。

石墨烯在各國發(fā)展現(xiàn)狀

正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進而在工業(yè)、技術和電子相關領域獲得潛在的應用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”，設立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進入生產(chǎn)線和市場。

中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。

圖為中科院重慶綠色智能技術研究院的研究人員在展示單層石墨烯產(chǎn)品的超強透光性和柔性。

隨著研究的不斷深入，技術難題的接連攻克，應用范圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時代已為期不遠，現(xiàn)在也可以期待一下這一“21世紀的神奇材料”會帶來怎樣的驚喜?！巨D(zhuǎn)】