納米薄膜與粉體

1、納米薄膜與粉體第1頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二一 磁過濾等離子體制備納米薄膜材料 1 納米TiN薄膜材料 2 納米晶體金剛石薄膜材料 3 納米CN薄膜材料 4 納米Cu3N薄膜的研究二 等離子體制備納米金屬粉體材料 1 等離子體制備金屬納米粉體裝置 2 納米鎳粉體 3 納米銀粉體 4 納米銅粉體 5 納米鋁粉體 6 鐵納米材料三 溶膠-凝膠法制備納米壓電陶瓷粉體材料四 納米鎳磷金剛石復(fù)合鍍研究 第2頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 前 言 納米技術(shù)納米技術(shù)將是21世紀(jì)最優(yōu)先發(fā)展的重要領(lǐng)域，可以說納米研究是目前國際國內(nèi)最為活躍的研究領(lǐng)域之一

2、。 就材料領(lǐng)域來說，納米材料被譽為跨世紀(jì)的新材料。納米材料可大體分為納米粉體，納米薄膜，納米塊體材料。它們表現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)材料的新奇物性。目前已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c。國內(nèi)外的科研人員獲得了許多引人注目的成果。但仍然有大量的未知性質(zhì)和規(guī)律需要深入的研究和探索， 并相應(yīng)需要開拓和發(fā)掘納米材料在眾多領(lǐng)域的用途。 就納米材料的制備方法來說，有許多不同的方法，可以說各有千秋。但尋找可以高效率，低成本獲取優(yōu)質(zhì)納米材料的制備技術(shù)，仍然是各國科學(xué)家研究的重點。 第3頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 等離子體 等離子體作為物質(zhì)存在的第四態(tài)，在地球上很難自然存在。等離子

3、體內(nèi)包含有大量的中性粒子，自由原子、離子，自由基，和電子。這種處于高激發(fā)態(tài)的微觀“粒子”可以導(dǎo)致晶體在低溫下的核化與生長。 等離子體技術(shù)幾乎可用于所有薄膜材料的制備。由于在等離子體中存在各種離子（或活性粒子），化學(xué)反應(yīng)能力大大提高，因此實際上等離子體沉積技術(shù)主要的是應(yīng)用了等離子體的激活效應(yīng)。運用該技術(shù)制備薄膜可以在低的襯低溫度和氣相溫度下進(jìn)行。下面我們簡單介紹等離子體的一些基礎(chǔ)知識。第4頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二第5頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二第6頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 粉 體 制 備 在納米超微

4、細(xì)粉體制備過程中，等離子體與其它技術(shù) 相比有許多優(yōu)點：1. 能獲得比化學(xué)燃燒高數(shù)倍以上的溫度，而加熱速 度 比化學(xué)燃燒大10倍以上2. 導(dǎo)致化學(xué)液相法難以合成的高溫相化合物快速生成。3. 等離子體在接觸冷凝氣壁時，表現(xiàn)出特別高的冷卻速 度（106K/S），這樣的特殊環(huán)境把物體“凍結(jié)”在一種 特殊狀態(tài)，而這種狀態(tài)物質(zhì)的理化性質(zhì)是在一般冷卻 速度下所不能獲得的。4. 粉體產(chǎn)品不需粉碎，生成的粒子很少凝聚，容易制得 粒度分布范圍窄的超細(xì)粒子。5. 等離子體容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。第7頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二一 磁過濾等離子體制備納米薄膜材料1 納米結(jié)構(gòu)TiN薄膜的磁過濾

5、等離子體制備研究摘要: 利用我們自主研制的磁過濾等離子體設(shè)備，在室溫條件下的不銹鋼基底上成功地制備了性能良好的納米結(jié)構(gòu) TiN 薄膜。運用SEM，AFM, XRD和IR對其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。利用納米硬度儀和動摩擦系數(shù)精密測定儀測量了TiN薄膜的硬度，彈性摸量和摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示：沉積的TiN薄膜表面非常平整光滑，致密而無缺陷，硬度遠(yuǎn)高于TiN塊體的硬度，晶粒的尺寸可以控制在幾個到幾十個納米左右; 第8頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二磁過濾等離子體原理與裝置第9頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 磁過濾等離子體管外觀圖第10頁，共30頁，2

6、022年，5月20日，17點53分，星期二 60 度彎管磁過濾等離子體裝置第11頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 “S”型磁過濾等離子體裝置第12頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 納米TiN薄膜的SEM圖像 第13頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 納米TiN薄膜的AFM平面圖第14頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 納米TiN薄膜的XRD圖譜隨偏壓的增加，TiN晶面（111）的擇優(yōu)取向更加明顯. 角度都普遍向小角度位移，這是由于晶粒的細(xì)化和畸 變引起的。 第15頁，共30頁，2022年，5月2

7、0日，17點53分，星期二 圖2 晶粒尺寸與顯微硬度的關(guān)系 第16頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二主要結(jié)論: 室溫下可沉積出TiN薄膜，沉積過程中在基底上施加的負(fù)偏壓會強烈影響納米TiN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。通過改變偏壓可以有效控制納米晶粒的大小。發(fā)現(xiàn)顯微硬度隨納米TiN晶粒尺寸變化規(guī)律， 顯微硬度強烈的依賴于納米晶粒的大小，并在晶粒尺寸為13.1nm使硬度到到最大值42Gpa, 此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)TiN硬度值, 小于或大于這個尺寸的TiN薄膜硬度都低于42GPa。而晶粒大小則受到偏壓的決定，隨施加偏壓的增加，納米晶粒的平均尺寸逐漸增大. 在晶粒尺寸大于13.1nm 范圍內(nèi)

8、硬度基本滿足Hell-petch關(guān)系，但在小于13.1nm范圍內(nèi), 不滿足正常的Hell-Petch關(guān)系。 XRD衍射試驗表明納米TiN的衍射角都普遍向小角度移動, 晶粒取向也受到離子能量的強烈影響, 隨偏壓的增加，TiN沿（111）晶面擇優(yōu)生長。晶粒尺寸與光學(xué)性能關(guān)系密切，反射率強烈依賴于晶粒大小，我們做出了黑色氮化鈦，但這一結(jié)果還有賴于進(jìn)一步分析。 第17頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二2 納米晶體金剛石薄膜材料我們用磁過濾等離子體技術(shù)在室溫下沉積的不含H的納米金剛石薄膜中的sp3含量達(dá)到90%以上，硬度可高達(dá)80GPa, 遠(yuǎn)高于其它技術(shù)制備的非晶碳膜（如濺射技術(shù)

9、，最高20Gpa, 目前電腦硬盤上表面鍍DLC常用），摩擦系數(shù)在0.11左右, 與基底粘結(jié)牢固，薄膜的粗糙度小到0.10.5nm, 各項指標(biāo)均接近天然金剛石，且成本很低。根據(jù)需要，沉積離子的平均能量可以從幾十 到幾千電子伏特范圍內(nèi)選擇，離子密度可高達(dá)1013 cm -3, 遠(yuǎn)高于其它類型的低溫等離子體，與托可馬克邊緣等離子體密度接近。因此該技術(shù)可用于微電子，電腦磁盤或者飛行器（slider）, 精密玻璃，各種光盤，精密機(jī)械等材料的表面改性處理上。第18頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 納米金剛石薄膜AFM圖像第19頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星

10、期二3 納米CN薄膜材料4 納米Cu3N薄膜的研究 前言： 很長一段時間，人們對金屬氮化物的研究主要集中在那些高硬度，高熔點，有極強化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)特性的金屬氮化物上。而對一些以共價鍵結(jié)合的例如Cu3N,Ni3N和Sn3N4 的研究則很少。個中原因很多，主要是這類金屬不和氮直接發(fā)生作用。直到1988年，日本的S. Terda等在J. Crystal Growth Letter上首次報道了用磁控濺射單晶外延法制出了Cu3N膜。1989年，美國的J.Blchar 等又用直流等離子體氮化法獲得了具有Cu3N間隙相的薄膜材料。隨后各種研究也應(yīng)時而生，并且研究了其電學(xué)性質(zhì)和光記錄性質(zhì)。雖然進(jìn)行了許多研究

11、，但總的來說，現(xiàn)在對Cu3N的研究仍處于制備層次。我們則用磁過濾等離子體進(jìn)行納米薄膜的研究。應(yīng)用前景：Cu3N除具有電光等性質(zhì)外，還有一個突出的性質(zhì)，那就是低溫?zé)岱纸庑?。即在對Cu3N進(jìn)行熱退火時，當(dāng)退火溫度高于某一溫度時，Cu3N即分解為Cu和N。當(dāng)其分解時，Cu將會在膜層結(jié)構(gòu)呈規(guī)則排列。這種性質(zhì)使其可作為光記錄介質(zhì)。Asano對這些應(yīng)用進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)Cu3N膜能在濕度95，溫度60 中穩(wěn)定15個月，同時Cu3N無毒，這使其可代替目前有毒的光記錄介質(zhì)Te,因此它的潛在價值不可估量。 第20頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 納米Cu3N薄膜的AFM圖像 納米Cu3

12、N薄膜的XRD衍射圖譜樣品003006007008L100(nm)19.127.824.215.1 通過謝樂公式可估算得部分制得晶粒大小如下： 第21頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 二 等離子體制備納米金屬粉體材料引言：金屬納米粉體材料是國內(nèi)外正在興起的高科技新材料，金屬納米粉體具有體積小，比表面積大的特點，有著強的表面活性、熔點大幅度降低、流動性、界面擴(kuò)散率高、飽和磁化強度和矯頑力極高、具有強力吸收電磁波和可見光等許多優(yōu)異性質(zhì)，金屬納米粉在軍事工業(yè)、航天、粉末冶金、石油加工、精細(xì)化工、汽車、電子、機(jī)械、超硬金屬材料工具、解源、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的使用領(lǐng)域和廣闊和發(fā)

13、展前景。 金屬納米粉體已經(jīng)被初步工業(yè)化生產(chǎn)，并產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。金屬納米材料在許多領(lǐng)域都已經(jīng)成功應(yīng)用。目前主要用作催化劑，潤滑劑、助燃劑、活化燒結(jié)材料，醫(yī)用紗布，殺菌除臭等領(lǐng)域。如在潤滑油中添加少量的納米金屬粉后，可大大降低摩擦系數(shù)；在火箭燃料推進(jìn)劑中只要添加不到1%的納米鋁粉或鎳粉，可使其燃燒熱提高兩倍多；在鎢粉中加入少量納米鎳粉，可使燒結(jié)溫度從3000降至1200。 我們利用自行研制的等離子體裝置，生產(chǎn)的金屬納米粉體具有如下特點：外觀呈規(guī)則的圓球型，其粒徑分布均勻，分散性好，粉體純度高，日產(chǎn)量高。根據(jù)要求粒徑尺寸可以被制備到幾個納米到幾十個納米。 第22頁，共30頁，2022年，5月2

14、0日，17點53分，星期二.等離子體制備金屬納米粉體裝置第23頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二 等離子體制備納米金屬粉體裝置圖 下表是我們生產(chǎn)的幾種納米金屬的松比和比表面積值種 類鎳 銀 鋁 銅松 裝 比g/cm30.080.200.300.600.08-0.200.150.35 比表面積m2/g40653050 40603050第24頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二1 納米鎳粉體鎳納米粉的用途： 高效催化劑，高效助燃劑， 導(dǎo)電漿料，高性能電極材料，活化燒結(jié)添加劑，金屬和非金屬的表面導(dǎo)電涂層處理，作為化學(xué)鍍陶瓷的添加劑等。超細(xì)的Fe，Ni與-

15、Fe2O3混合輕燒結(jié)體可以代替貴金屬而作為汽車尾氣凈化劑第25頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二2 納米銀粉體納米材料的用途：導(dǎo)電漿料，電極，各種紙張，塑料，紡織品，食品，殺菌膠布，食物包裝袋表面涂敷用以滅菌.例如把Ag納米微粒加入到襪子中可以清除腳臭味，醫(yī)用紗布中放人納米Ag粒子有消毒殺菌作用。納米Ag代替微米Ag制成了導(dǎo)電膠，可以節(jié)省Ag粉50，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。超細(xì)Ag粉，還可以作為乙烯氧化的催化劑； 第26頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二3 納米銅粉體納米銅粉體用途： 金屬和非金屬的表面導(dǎo)電涂層處理，可應(yīng)用于微電子器件的生產(chǎn)；高效催化劑，可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應(yīng)過程中的催化劑；導(dǎo)電漿料，用納米銅粉替代貴金屬粉末制備性能優(yōu)越的電子漿料，可大大降低成本。此技術(shù)可促進(jìn)微電子工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。第27頁，共30頁，2022年，5月20日，17點53分，星期二4 納米鋁粉體納米鋁粉體用途：高效催化劑，金屬和非金屬的表面導(dǎo)電涂層處理，活化燒結(jié)添加劑。AlN/Al納米粉約在300 C便有燒結(jié)行為發(fā)生，。在AlN粉體中混入510%AlN納米粉末，可改善此高導(dǎo)熱陶瓷的燒結(jié)工藝，提高燒結(jié)體密度和導(dǎo)熱率。如果用它作集成元件的基板，導(dǎo)熱率將提高10倍左右，可