論薄膜材料的應(yīng)用與發(fā)展

1、論薄膜材料的應(yīng)用與發(fā)展 論薄膜材料的應(yīng)用與發(fā)展 論文關(guān)鍵詞：薄膜； 金剛石； 鐵電； 氮化碳； 半導(dǎo)體； 超晶格 論文摘要： 薄膜材料的發(fā)展以及應(yīng)用，薄膜材料的分類，如金剛石薄膜、鐵電薄膜、氮化碳薄膜、半導(dǎo)體薄膜復(fù)合材料、超晶格薄膜材料、多層薄膜材料等。各類薄膜在生產(chǎn)與生活中的運(yùn)用以及展望。 1 膜材料的發(fā)展 在科學(xué)發(fā)展日新月異的今天，大量具有各種不同功能的薄膜得到了廣泛的應(yīng)用，薄膜作為一種重要的材料在材料領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。 自然屆中大地、海洋與大氣之間存在表面，一切有形的實體都為表面所包裹，這是宏觀表面。生物體還存在許多肉眼看不見的微觀表面，如細(xì)胞膜和生物膜。生物體生命現(xiàn)象的重要過

2、程就是在這些表面上進(jìn)行的。細(xì)胞膜是由兩層兩親分子-脂雙層膜構(gòu)成，它好似柵欄，將一些分子攔在細(xì)胞內(nèi)，小分子如氧氣、二氧化碳等，可以毫不費(fèi)力從膜中穿過。膜脂雙層分子層中間還夾雜著蛋白質(zhì)，有的像船，可以載分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。細(xì)胞膜具有選擇性，不同的離子須走不同的通道才行，比如有k通道、cl通道等等。細(xì)胞膜的這些結(jié)構(gòu)和功能帶來了生命，帶來了神奇。 2 膜材料的應(yīng)用 人們在驚嘆細(xì)胞膜奇妙功能的同時，也在試圖模仿它，仿生一直以來就是材料設(shè)計的重要手段，這就是薄膜材料。它的一個很重要的應(yīng)用 就是海水的淡化。雖然地球上70的面積被水覆蓋著，但是人們賴以生存的淡水只占總水量的2.53，隨著人口增

3、長和工業(yè)發(fā)展，當(dāng)今世界幾乎處于水荒之中。因此將浩瀚的海水轉(zhuǎn)為可以飲用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技術(shù)主要有反滲透法和蒸餾法,反滲透法用到的是具有選擇性的高分子滲透膜,在膜的一邊給海水施加高壓,使水分子透過滲透膜,達(dá)到膜的另一邊,而把各種鹽類離子留下來,就得到了淡水。反滲透法的關(guān)鍵就是滲透膜的性能,目前常用有醋酸纖維素類、聚酰胺類、聚苯砜對苯二甲酰胺類等膜材料.這種淡化過程比起蒸法法,是一種清潔高效的綠色方法。 利用膜兩邊的濃度差不僅可以淡化海水,還可以提取多種有機(jī)物質(zhì)。工業(yè)生產(chǎn)中，可用膜法過濾含酚、苯胺、有機(jī)磺酸鹽等工業(yè)廢水，膜法過濾大大節(jié)約了成本,有利于我們的生存環(huán)境。 膜的應(yīng)用還體現(xiàn)在表面化

4、學(xué)上面。在日常生活中,我們會發(fā)現(xiàn)在樹葉表面,水滴總是呈圓形,是因為水不能在葉面鋪展。噴灑農(nóng)藥時,如果在農(nóng)藥中加入少量的潤濕劑(一種表面活性劑),農(nóng)藥就能夠在葉面鋪展,提高殺蟲效果,降低農(nóng)藥用量。 更重要的，研究人員還將膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除體內(nèi)多余水份和清除尿毒癥毒素，大大降低了腎功能衰竭患者的病死率1 3 膜材料的分類 近年來,隨著成膜技術(shù)的飛速發(fā)展,各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種普遍趨勢。 薄膜材料種類繁多,應(yīng)用廣泛,目前常用的有：超導(dǎo)薄膜、導(dǎo)電薄膜、電阻薄膜、半導(dǎo)體薄膜、介質(zhì)薄膜、絕緣薄膜、鈍化與保護(hù)薄 膜、壓電薄膜、鐵電薄膜、光電薄膜、磁電薄膜、磁光薄膜等。 目前很受

5、人們注目的主要有一下幾種薄膜。 3.1金剛石薄膜 金剛石薄膜的禁帶寬，電阻率和熱導(dǎo)率大，載流子遷移率高，介電常數(shù)小，擊穿電壓高，是一種性能優(yōu)異的電子薄膜功能材料，應(yīng)用前景十分廣闊2。 近年來,隨著科技的發(fā)展,人們發(fā)展了多種金剛石薄膜的制備方法,比如離子束沉積法、磁控濺射法、熱致化學(xué)氣相沉積法、等離子化學(xué)氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質(zhì)量的膜,從而使金剛石膜具備了商業(yè)應(yīng)用的可能。 金剛石薄膜屬于立方晶系,面心立方晶胞,每個晶胞含有8個c原子,每個c原子采取sp3雜化與周圍4個c原子形成共價鍵,牢固的共價鍵和空間狀結(jié)構(gòu)是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優(yōu)異的性質(zhì)：硬度高、耐磨性

6、好、摩擦系數(shù)效、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小,是優(yōu)良的絕緣體。 利用它的高導(dǎo)熱率,可將它直接積在硅材料上成為既散熱又絕緣的薄層,是高頻微波器件、超大規(guī)模集成電路最理想的散熱材料。利用它的電阻率大,可以制成高溫工作的二極管,微波振蕩器件和耐高溫高壓的晶體管以及毫米波功率器件等。 金剛石薄膜的許多優(yōu)良性能有待進(jìn)一步開拓,我國也將金剛石薄膜納入863新材料專題進(jìn)行跟蹤研究并取得了很大進(jìn)展、金剛石薄膜制備的基本原理是:在襯底保持在8001000的溫度范圍內(nèi),化學(xué)氣相沉積的 石墨是熱力學(xué)穩(wěn)定相,而金剛石是熱力學(xué)不穩(wěn)定相,利用原子態(tài)氫刻蝕石墨的速率遠(yuǎn)大于金剛石的動力學(xué)原理,將石墨去除,這樣最終在襯

7、底上沉積的是金剛石薄膜。薄膜種類層出不窮，一種新的薄膜的出現(xiàn)能夠促進(jìn)某些領(lǐng)域的加快 生產(chǎn)，取代某些生產(chǎn)輔助原料，因為薄膜的使用幾乎涵蓋了各個領(lǐng)域，金剛石薄膜的出現(xiàn)不僅僅是生產(chǎn)領(lǐng)域的一次變革，也是國際開發(fā)史上的一個重要里程碑。 金剛石薄膜的禁帶寬，電阻率和熱導(dǎo)率大，載流子遷移率高，介電常數(shù)小，擊穿電壓高，是一種性能優(yōu)異的電子薄膜功能材料，應(yīng)用前景十分廣闊。 近年來,隨著科技的發(fā)展,人們發(fā)展了多種金剛石薄膜的制備方法,比如離子束沉積法、磁控濺射法、熱致化學(xué)氣相沉積法、等離子化學(xué)氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質(zhì)量的膜,從而使金剛石膜具備了商業(yè)應(yīng)用的可能。 金剛石薄膜屬于立方晶系,面心立

8、方晶胞,每個晶胞含有8個c原子,每個c原子采取sp3雜化與周圍4個c原子形成共價鍵,牢固的共價鍵和空間狀結(jié)構(gòu)是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優(yōu)異的性質(zhì)：硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)效、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小，是優(yōu)良的絕緣體。 利用它的高導(dǎo)熱率,可將它直接積在硅材料上成為既散熱又絕緣的薄層,是高頻微波器件、超大規(guī)模集成電路最理想的散熱材料。利用它的電阻率大,可以制成高溫工作的二極管,微波振蕩器件和耐高溫高壓的晶體管以及毫米波功率器件等。 金剛石薄膜的許多優(yōu)良性能有待進(jìn)一步開拓,我國也將金剛石薄膜納入863新材料專題進(jìn)行跟蹤研究并取得了很大進(jìn)展、金剛石薄膜制備的基本原理是:在襯

9、底保持在8001000的溫度范圍內(nèi),化學(xué)氣相沉積的石墨是熱力學(xué)穩(wěn)定相,而金剛石是熱力學(xué)不穩(wěn)定相,利用原子態(tài)氫刻蝕石墨的速率遠(yuǎn)大于金剛石的動力學(xué)原理,將石墨去除,這樣最終在襯底上沉積的是金剛石薄膜。 金剛石的功能只要體現(xiàn)在六個方面：一、其導(dǎo)熱性約硅材料的二萬倍，它將取代硅材料制 造新一代計算機(jī)，同時抗酸堿、低輻射、抗高溫，使計算機(jī)能夠在惡劣環(huán)境下進(jìn)行工作；二、它的成功開發(fā)將使現(xiàn)有應(yīng)用的電子元器件更新50%；三、利用其高硬度和優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)組合還可以開發(fā)出永不磨損的攝像機(jī)、照相機(jī)等各種紅外光學(xué)鏡頭；四、應(yīng)用于航空航天技術(shù)，開發(fā)各種高質(zhì)量的密封件、熱沉材料等；五、加工各種超硬材料；六、發(fā)射冷陰極電子

10、的特點制造出高清晰、超薄、超大屏幕的電視機(jī)、計算機(jī)顯示器，并且極省電，目前還只在美日兩國使用。日 本的青山大學(xué)中犬冢等人和廣島大學(xué)中廣瀨等人，于19851988年間，分別先后利用熱燈絲cvd法，采用被氫氣稀釋過的甲烷、乙醇等含氧的有機(jī)化合物作為原料，進(jìn)行了關(guān)于沉積金剛石薄膜的實驗。結(jié)果用氫氣稀釋過的甲烷作原料，金剛石薄膜的沉積速度為數(shù)m/h（微米/小時）；但是若是采用乙醇等含氧的有機(jī)化合物作原料，金剛石薄膜沉積的速度則提高到了數(shù)十m/h。 3.2鐵電薄膜 鐵電薄膜的制備技術(shù)和半導(dǎo)體集成技術(shù)的快速發(fā)展,推動了鐵電薄膜及其集成器件的實用化。鐵電材料已經(jīng)應(yīng)用于鐵電動態(tài)隨機(jī)存儲器(fdram)、鐵電場效應(yīng)晶體管( feet)、鐵電隨機(jī)存儲器( ffram)、ic卡、紅外探測與成像器件、超聲與聲表面波器件以及光電子器件等十分廣闊的領(lǐng)域3。鐵電薄膜的制作方法一般采用溶膠-凌膠法、離子束濺射法、磁控濺射法、有機(jī)金屬化學(xué)蒸汽沉積法、準(zhǔn)分子激光燒蝕技術(shù)等.已經(jīng)制成的晶態(tài)薄膜有鈮酸鋰、 鈮酸鉀、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化鈮和鋯鈦酸鉛