功能薄膜材料

關(guān)于功能薄膜材料第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，制備薄膜材料的技術(shù)發(fā)展也十分迅速。制膜的方法----分為物理和化學(xué)兩大類(lèi)具體方式上，又分干法，濕法和噴涂，而每種方式又可分為多種方法。第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的分類(lèi)（按材質(zhì)分）1.金屬薄膜材料（結(jié)構(gòu)性，功能性）2.無(wú)機(jī)、陶瓷薄膜材料（結(jié)構(gòu)性，功能性）3.有機(jī)、聚合物薄膜材料4.半導(dǎo)體薄膜材料第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的分類(lèi)（按功能分）力功能薄膜材料

(超硬薄膜材料超潤(rùn)滑薄膜材料)磁功能薄膜材料

(高透磁率薄膜材料巨磁阻薄膜材料)光功能薄膜材料

(紅外反射薄膜材料隱身薄膜材料)電功能薄膜材料

(超導(dǎo)薄膜材料)第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄膜材料的應(yīng)用一、表面改性二、耐磨及表面防護(hù)涂層三、能量變換薄膜與器件四、傳感器五、集成光學(xué)器件六、磁記錄薄膜和光存儲(chǔ)薄膜第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、表面改性1、表面改性的定義

就是在保護(hù)塊狀材料固有特性的優(yōu)點(diǎn)基上，僅對(duì)表面進(jìn)行加工處理使其產(chǎn)生新的物理、化學(xué)特性以及所需要的功能的各種方法，統(tǒng)稱(chēng)表面改性。表面改性不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)于節(jié)省資源、能源、開(kāi)發(fā)材料新功能，提高可靠性，實(shí)現(xiàn)輕薄短小化等都具有十分重要的意義。第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、表面改性的手段（1）表面處理技術(shù)（形成表面改性層）通過(guò)物理的或化學(xué)的手段，在物質(zhì)表面層中引入反應(yīng)成分，形成混合相或合成相，從而產(chǎn)生新的功能和材料特性。（2）膜沉積技術(shù)（形成復(fù)合多層膜）在基體材料表面析出或沉積有別于基體材料的膜層，從而顯示新的功能和材料特性。第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、用于表面改性的主要方法3.1用于表面改性的處理技術(shù)離子注入、等離子體表面處理、激光表面處理3.2利于薄膜沉積的技術(shù)

PVD法、CVD法第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、耐磨及表面防護(hù)涂層1、硬質(zhì)涂層主要用途：各種切削刀具、模具、工具和摩擦零件，比如TiN和TiC涂層。主要組成：基底（合金）+涂層（陶瓷）主要制備方法：CVD和PVD（蒸發(fā)、濺射、離子鍍）

第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月切削刀具、模具第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以TiN鍍層對(duì)各種刀具為例(1)齒輪切削刀具，主要是滾齒刀和插齒刀據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外汽車(chē)制造業(yè)所用的滾刀至少有30%-40%是已鍍TiN膜的。Barber-Colman公司使用Balzers的活性反應(yīng)離子鍍裝置，滾刀壽命8：1或10：1。第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Fellows舉例：生產(chǎn)70個(gè)齒的汽車(chē)內(nèi)嚙合齒輪，用斜插齒刀每磨刃一次，可生產(chǎn)300件，磨損量為0.254mm;沒(méi)有鍍的齒刀每磨刃一次生產(chǎn)75件,磨損量為0.925mmFellows舉例：生產(chǎn)20齒的卡車(chē)變速齒輪，TiN鍍層刀具每把可生產(chǎn)5600個(gè)齒輪，未鍍的只生產(chǎn)700個(gè)。近幾年內(nèi)，TiN鍍層刀具至少將占齒輪加工刀具市場(chǎng)的70%第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）鉆頭①首先應(yīng)考慮的因素是被加工材料的特殊性，Guhring公司利用德國(guó)制作的麻花鉆頭，進(jìn)行TiN鍍層處理，結(jié)果表明鍍膜鉆頭鉆孔數(shù)目的平均增加范圍從142%到923%，前者是普通鋼、低合金鋼；后者是不銹鋼、耐熱鋼。第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②可以提高機(jī)床的效率。使用鍍膜刀具可以允許使用更高的切削用量和更大尺寸的刃具，同規(guī)格刀具相比，鍍膜的生產(chǎn)效率可提高40%以上。③鉆頭經(jīng)重磨也保留著許多好處。像齒輪加工刀具一樣，鍍膜鉆頭在用傳統(tǒng)方法對(duì)其刀頭重磨后，仍保留有大部分最初獲得的好處。第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④在某些合適的切削參數(shù)下效果更顯著。VermontTop&Die公司提供的刀具壽命與切速的關(guān)系表明，鉆頭使用的切速越高，它與標(biāo)準(zhǔn)刀具相比就顯得越優(yōu)越。舉例：用的普通鉆頭，對(duì)硬度為HRC=32的4340鋼進(jìn)行切削時(shí)，中等切削速度17.1m/min時(shí)，TiN鍍膜打孔數(shù)量增加228%；提高到28.3m/min,未鍍的鉆頭不能用了,加工能力下降了86%,TiN鍍膜與中等速度時(shí)一樣。提高到46m/min，未鍍已完全不能使用，而鍍膜則經(jīng)受住了進(jìn)一步的考驗(yàn)。第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）其他刀具包括端銑刀、絲錐、拉刀等。DOALL公司的端銑刀，在一定的主刀磨損標(biāo)準(zhǔn)下，在切削速度為22.2m/min時(shí)，鍍的切削長(zhǎng)度是未鍍的2.6倍,而當(dāng)提高到31.3m/min時(shí),這一比例增加9:1.第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、熱防護(hù)涂層噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片（Ni，Co，F(xiàn)e）CrAlY+氧化鋯渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，200μmZrO2,100℃

等離子噴涂，使用溫度1300℃第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月凸輪軸氣缸氣門(mén)350℃600℃～800℃高溫高壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)零部件的工作環(huán)境極其惡劣高溫高壓頻繁沖擊對(duì)零部件的表面特性提出了極高的要求在發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、防腐涂層優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕性好、耐磨性好、耐熱性好種類(lèi)：氧化鋯、氧化鋁、氧化鉻制備方法：熱噴涂第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、能量變換薄膜與器件一次能量經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)象、效應(yīng)、作用、反應(yīng)等，變?yōu)槎文芰康男问健C(jī)械、熱、電、磁、光、放射線(xiàn)、化學(xué)太陽(yáng)能利用最普遍的形式是太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能電池。第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要種類(lèi)1、光電變換薄膜材料2、光熱變換薄膜材料3、熱電變換薄膜材料4、熱電子發(fā)身薄膜材料5、固體電解質(zhì)薄膜材料6、超導(dǎo)薄膜器件第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、光電變換薄膜材料太陽(yáng)能電池基本原理，在太陽(yáng)光照射下，產(chǎn)生從p到n的電流。種類(lèi):1.α-Si系薄膜太陽(yáng)能電池2.poly-Si薄膜太陽(yáng)能電池3.化合物薄膜太陽(yáng)能電池①CdTe薄膜太陽(yáng)能電池②CIS(CuInSe2)太陽(yáng)能電池③CIGS(CuInxGa1-xSe2)太陽(yáng)能電池Si系太陽(yáng)能效率已達(dá)到12%以上，鍍膜的方法，采用各種等離子的方法，以及利用光、ECR等的CVD法等。第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)

第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料方面，寬能隙p型α-Si窗口材料已獲得廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的效率，正在開(kāi)發(fā)新的p型層材料。超晶格材料以及微晶材料。氟系α-SiGe的開(kāi)發(fā)。電池結(jié)構(gòu)方面為多層結(jié)構(gòu)。日本：新陽(yáng)光計(jì)劃；美國(guó)：Solar2000計(jì)劃；歐盟：Sahel計(jì)劃第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、光熱變換薄膜材料實(shí)際應(yīng)用有太陽(yáng)能房和太陽(yáng)能熱水器。光選擇特性膜，考慮因素：①利用材料的固有特性；②設(shè)計(jì)多層干涉膜；③利用幾何學(xué)的微細(xì)結(jié)構(gòu)表面等。In2o3(Sn)/Py-硼硅酸玻璃基板，可見(jiàn)光透射率75-85%，紅外光反射率80-85%Sno2(Sb)，可見(jiàn)光透射率80%，紅外光反射率70-75%第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熱電變換薄膜材料熱電現(xiàn)象半導(dǎo)體材料比金屬明顯。熱電發(fā)電材料中，依其工作濕區(qū)分為：低溫用（500K，Bi2Te3,ZnSb）、中溫用（500-900K,PbTe）、高溫用（900K,CrSi2,FeSi2，CoSi）主要物質(zhì)有硫?qū)倩衔锵挡牧?、過(guò)渡金屬硅化物（Fe-Six系材料，硅鍺系材料、硼系材料及非晶態(tài)材料等）Z=α2/κρ第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、熱電子發(fā)身薄膜材料處于高溫的金屬或某些金屬化合物，可發(fā)射熱電子。常作為熱發(fā)射燈絲而應(yīng)用的電子源。Richardson-Dushmann公式舉例：X-B（X=Cr,Ta,Y,Ca,Sr,Ce）第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、固體電解質(zhì)薄膜材料固體電解質(zhì)是固體離子的傳導(dǎo)體，對(duì)特定的離子選擇性地顯示出大的傳導(dǎo)性。這類(lèi)材料常溫下的電導(dǎo)率大致為10-5~10-1S·cm-1β-Al2O3是人們所熟知的鈉離子傳導(dǎo)體。氧離子傳導(dǎo)體，二氧化鋯燃料電池是將化學(xué)能直接變換為電能的電化學(xué)裝置，它從外部向正極提供O2或空氣等，而向負(fù)極提供乙醇、碳水化合物等，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)不斷從負(fù)極向正極輸送電子流。第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、超導(dǎo)薄膜器件舉例：鈣鈦礦系氧化物超導(dǎo)體薄膜及大型單晶Bi2Sr2Cuo6-,Tl2Ba2CuO6-δYt系（LnBa2Cu3O7-Y2Ba4Cu8O16-）第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、傳感器

所謂傳感器，是指可接受外界信息（刺激），如光、熱、磁、壓力、加速度、濕度、環(huán)境氣氛等，并能在體系內(nèi)變換為可處理信號(hào)的器件。第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

主要種類(lèi)：工業(yè)類(lèi)用傳感器和生物醫(yī)學(xué)用傳感器環(huán)境友好型工業(yè)用傳感器分：①生產(chǎn)技術(shù)用（工業(yè)生產(chǎn)所必需的環(huán)境、氣氛條件的監(jiān)視、控制等）；②生活保證用（工業(yè)生產(chǎn)中生活環(huán)境、氣氛條件的監(jiān)視、控制等）生物醫(yī)學(xué)用傳感器：①醫(yī)療活動(dòng)及醫(yī)療生活的支援；②為保證及維持上述所需的環(huán)境、氣氛等應(yīng)進(jìn)行的監(jiān)視、控制等第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在材料科學(xué)領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)三種材料：①舒適材料；②前沿環(huán)境材料③環(huán)境協(xié)調(diào)材料舉例：熱釋電型紅外線(xiàn)傳感器，利用隨溫度變化材料表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象（熱釋電效應(yīng)），由紅外線(xiàn)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并以電荷（輸出電壓）的方式檢出?？蓮V泛用于非接觸式溫度計(jì)進(jìn)行流動(dòng)人群體溫測(cè)量，檢測(cè)人及動(dòng)物的位置、動(dòng)作及活動(dòng)等常用材料：LiTaO3、Pb1-xZrxTi1-x/4O3(PZT)·PbTiO3·Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、集成光學(xué)器件1、集成光波導(dǎo)和光學(xué)器件集成光學(xué)器件中用來(lái)傳輸光信號(hào)的基本元件是光波導(dǎo)，其基本形式由襯底、光的傳輸層以及反射層三層結(jié)構(gòu)所組成。第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、集成光學(xué)器件材料集成光路用材料的基本要求：①具有某些功能，或者不僅能產(chǎn)生光、接收光、傳輸光和控制光，而且還能制作各種回路。前者可以作成單功能或某些功能的集成光路，后者可以在同一基板上做成多功能的光電集成回路；②材料要具有一定的折射率，光波導(dǎo)的折射率比基板的折射率高大約10-3～10-1；③材料做成薄膜光波導(dǎo)后，在使用波長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳輸損耗必須低于1dB/cm；④便于制作波導(dǎo)及器件，所制成元器件在外界各種工作環(huán)境下性能穩(wěn)定。第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所用材料分三類(lèi)：①以GaAs為基礎(chǔ)形成的光電子材料，包括AlGaAs、InP、GaInasP等它們是一般制作光電子器件常采用的材料②以L(fǎng)iNbO3--鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為代表的具有特殊電光性質(zhì)的單晶材料；波導(dǎo)形成方法：外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、質(zhì)子交換和離子注入等③包括了各種多晶和非晶態(tài)的物質(zhì)，如氧化物、玻璃以及聚合物等第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要器件：光波導(dǎo)相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、模式轉(zhuǎn)換器、濾波器、波分復(fù)用器、聲光頻譜分析器、模－數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)－模轉(zhuǎn)換器、倍頻器、以及多種傳感器等缺點(diǎn)：抗光損傷能力差第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉例：玻璃1．三階非線(xiàn)性光學(xué)玻璃：均質(zhì)玻璃：重金屬氧化物玻璃或硫系玻璃不伴隨有光的吸收，吸收系數(shù)接近于0響應(yīng)速度非常快，可以達(dá)到飛秒級(jí)適合于光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制等光控制器件納米金屬顆粒彌散玻璃由局部電場(chǎng)的封閉效應(yīng)引起，有吸收皮秒級(jí)的響應(yīng)速度納米半導(dǎo)體顆粒彌散玻璃由量子封閉效應(yīng)引起，伴隨光吸收響應(yīng)速度一般在皮秒級(jí)以上第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.二階非線(xiàn)性光學(xué)玻璃玻璃等非晶態(tài)物質(zhì)是各向同性的，在宏觀上具有反演對(duì)稱(chēng)性，通常認(rèn)為不具備二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)外場(chǎng)處理的玻璃可以在局部形成結(jié)構(gòu)缺陷，從而具備二階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)處理：電場(chǎng)/溫度場(chǎng)，電場(chǎng)/紫外光，電子束輻照，強(qiáng)激光誘導(dǎo)，超短脈沖激光第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、磁記錄薄膜和光存儲(chǔ)薄膜電子計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；內(nèi)存儲(chǔ)大都用半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器；外存儲(chǔ)主要有磁帶、軟磁盤(pán)、硬磁盤(pán)、只讀光盤(pán)和磁光盤(pán)等。第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FeRAM——鐵電體隨機(jī)存取存儲(chǔ)，是未來(lái)的一種永久性存儲(chǔ)器；FeRAM利用鐵電體材料的電滯回線(xiàn)效應(yīng)，使得數(shù)據(jù)不消失性，擦寫(xiě)次數(shù)又可達(dá)到1010～1012次，存取速度也非?？?，達(dá)到微秒以下FeRAM的主要材料：氧化物鐵電體材料和作為電極的氧化物導(dǎo)體材料第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁存儲(chǔ)材料磁記錄的原理是利用磁矩的兩個(gè)不同方向來(lái)進(jìn)行記錄的。要求材料具有硬磁性常見(jiàn)材料：a-Fe及Fe-Co、Co-Cr等合金和氧化物陶瓷薄膜，如g-Fe2O3，F(xiàn)e3O4和鋇鐵氧體等磁頭材料：要求磁導(dǎo)率高，飽和磁通密度大。也就是說(shuō)要采用軟磁材料第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光存儲(chǔ)材料①存儲(chǔ)密度高；②載噪比高；③非接觸式讀/寫(xiě)信息，不會(huì)讓光學(xué)頭或盤(pán)面損傷、并能自由地更換光盤(pán)，使光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用；④存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)；⑤單位信息位價(jià)格低。照相膠片：將鹵化銀顆粒分散于明膠中的一種材料光致抗蝕劑：浮雕型位相記錄介質(zhì)，如通常光源用的重鉻酸鹽＋水溶性高分子（PVA等）和二苯甲酮增感多功能基團(tuán)單聚物＋可溶性高分子以及用于電子束或XPMMA（正形）和聚甲基硅氧烷（負(fù)型）等。第42頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光折變材料：一是