材料专业综合设计实验 第二部分

第二部分：

材

料

专

业

综

合

设

计

实

验

一、溶胶凝胶法制备陶瓷薄膜

这是材料系设置的基础实验课。材料专业实验要求针对材料领域的各种制备方法以及热处理方法进行自我设计，自我准备，完成工艺的全过程，并得到预期的实验结果，并结合理论知识，分析实验结果与制备工艺参数之间的关系。通过材料专业实验，让学生基本掌握常用的类制备方法或热处理工艺的原理和工艺过程，了解工艺过程对最终的结果的影响规律，进一步强化学生的理论知识，培养学生的实际动手操作能力，为其毕业设计做基础。

一、实验目的

1．了解溶胶-凝胶过程

2．掌握用溶胶-凝胶法制备薄膜的制备工艺与原理

二、实验要求

1、学生应该在讲义的基础上，先查阅相关文献，了解溶胶凝胶法概念及在材料制备方面的基本应用，了解该方法制备材料特别是陶瓷薄膜的一般流程和制备过程中的一些关键问题，以及制备过程中可能的影响因素。

2、学生可以制备讲义中给出的陶瓷薄膜ZnO，也可以自己决定制备的陶瓷薄膜材料（不过需要提前一周报知教师以方便准备实验药品），讲义中给出了ZnO陶瓷薄膜制备的一般流程和参考方案，学生可以自主调整参考方案中的各种参数如溶胶的浓度、粘度、匀胶机的转速、匀胶时间、热处理的温度及时间等，可以选择不同的基片、甚至选择用其他的涂膜方式如浸滞提拉法，最终目的是在基片上得到陶瓷薄膜样品。由于实验条件以及实验时间的限制，实验取消了最后一步热处理的过程，而且测试条件只是采用金相显微镜进行粗略的表面质量观测，另外，实验并不要求每个学生都能得到质量很好的样品，而是不同的同学选取不同的实验方案，相互之间要进行横向比较。

三、实验所需仪器设备

一台匀胶机及吸片用小型真空泵，一台可调温电炉，一台搅拌器，以及化学配备溶胶的一些玻璃器皿；

实验测试采用普通的金相显微镜进行粗略的表面质量观察。

四、实验原理

近代科学和生产发展使薄膜科学与技术成为新材料和新器件研发的重要领域。

薄膜的研究首先是从研究如何制作薄膜这种特殊形态材料开始的。传统上采用得较多的方法是真空蒸发法、溅射法和气相生长法等，但它们都存在一定的局限性。如真空气相沉积设备中的真空腔大小限制着生产元件的尺寸，溅射法由于薄膜材料与基片之间可能发生反应而导致产品污染等，薄膜生产价格昂贵。而溶胶-凝胶法不需要特别昂贵的设备，具有工艺过程简单，薄膜组分化学计量比容易控制，容易形成大面积的均匀膜等优点。因此越来越得到人们的重视和应用.

1、溶胶凝胶法

溶胶-凝胶法是60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用此法来制备纳米颗粒。溶胶-凝胶法包括以下几个过程：（1）溶胶的制备；（2）溶胶-凝胶转化；（3）凝胶干燥。

2、溶胶-凝胶制膜法的研究

溶胶-凝胶制膜法主要有浸涂(dip-coating)和旋涂(spin-coating)及喷雾热解几种方式。

旋涂法

旋涂法靠离心力和蒸发来减薄沉积膜。过程分成沉积、加快旋转、旋离和蒸发四个阶段，但蒸发一般也和其他阶段同时进行。沉积阶段，多余的液体分布在表面；加快旋转阶段，液体在离心力作用下放射状流出；旋离阶段，多余的液体流到周边并以液滴形式脱离。随着膜变薄，流动阻力增大，同时非挥发组分浓度增大使粘度增大，因此移去多余液体的速率慢下来。最后阶段，蒸发取代离心力成为减薄的主要途径。

3、薄膜的溶胶-凝胶法制备关键问题

●溶胶体系的选择

●薄膜的晶体结构与基片的关系

●薄膜的干燥与裂纹扩展

4、溶胶凝胶法制备陶瓷薄膜的一般工艺流程

1)基片的清洗；

可选的基片有普通载玻片和普通Al2O3陶瓷基片。

基片的选择影响到溶胶体系的选择（润湿性、晶格匹配等）；

镀膜前基片需要清洗（清洗的作用是什么？）：参考清洗程序如下：

●先用洗洁精擦洗干净后的基片在超声波清洗机中振动清洗十分钟左右，然后用酸，

碱溶液煮沸五分钟。(酸溶液配比：H2O:H2O2:HCl=6:2:1，碱溶液的配比：H2O:H2O2:氨水=5:2:1)。再用去离子水超声清洗和反复冲洗，最后放入烘箱中烘干。

2)溶胶的配制；

溶胶体系的选择因素有哪些？

溶胶的形成通常可以通过金属醇盐的水解得到，或从前驱体溶液缩聚过程得到。对于后者，关键在于存在一种共同的溶剂能溶解所有的溶质原子，并通过合适选择胶体的稳定剂使得胶体能稳定在某一特定的状态。制备ZnO陶瓷薄膜用普通载玻片为基片的参考溶胶体系为：

原材料为分析纯的醋酸锌，溶剂为乙二醇甲醚、去离子水和乙醇胺。非适量的醋酸锌在乙二醇甲醚中加热溶解，然后加入乙醇胺，与醋酸锌比例为2:1，搅拌10min后再加入去离子水，加热到适当溶液浓度，过滤后倒入滴瓶。

3)镀膜（旋涂或浸滞提拉或喷雾热解）；

单次镀膜厚度的影响因素有哪些？此步骤的可调节参数有哪些？

匀胶镀膜参考镀膜参数：

溶胶浓度：0.3mol/L，匀胶转速：3000rpm，匀胶时间：30s

4)薄膜干燥

薄膜干燥的作用是什么？此步骤需要考虑的因素有哪些？

干燥温度可调，可以选择快速干燥或逐步升温的处理方式，对载玻片，建议温度不要超过200摄氏度。

5)重复镀膜；

重复镀膜的目的是什么？

根据需要的薄膜厚度以及每次镀膜的厚度确定镀膜次数，由于不同镀膜条件下的单次镀膜厚度需要特殊仪器才能检测，因此实验中只要求镀膜一定的次数，可选5～10次。

6)最终热处理；

热处理的作用是什么？

热处理温度和时间可根据文献选择。由于实验时间的关系，可能不一定能完成，因此不作要求。

7)薄膜性质的检测（不包含在此次实验）；

溶胶凝胶制备薄膜是一个复杂的工程，制备状态对最终样品的性质具有非常大的影响，包括基片的清洁程度、镀膜时的温度、湿度、溶胶的浓度、匀胶的速度等等。因此需要摸索工艺使样品的性能达到最佳。可以通过对不同植被条件下制备的样品进行检测来获得最佳的制备工艺。

可以进行的检测：

1、工艺本身

包括薄膜的厚度（除以镀膜次数推算出每次镀膜的厚度，可以用扫描电镜观察断面的方法测得—薄膜厚度在几百个纳米左右）、表面平整度以及颗粒大小（可以用原子力显微镜观察）、样品的成相情况（用XRD观察）

2、材料性质

ZnO材料本身具有的性质，可以检测不同条件下制成的样品的伏安特性（ZnO为压敏材料）、可以检测介电特性、电阻率、光学性质（吸收光谱、发射光谱等等），以及在不同的环境下以上性质的变化（如加上一个磁场环境、变温条件等）

五、实验注意事项

实验过程中用到了酸、碱溶液，用到了电炉，在实验过程中要注意安全。

六、实验结果及数据处理

实验中要记录实验相关的参数，如溶胶体系的选择、镀膜参数等。得到的薄膜样品通过金相显微镜观察表面质量，将结果拍照留存，作为实验结果。对薄膜的表面质量进行评价，并给出改进薄膜质量的方法。

七、实验报告要求

实验报告的格式采用学校的统一规定格式、内容包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据分析与讨论、结论等。

八、思考题及讨论

1）一个好的薄膜的评判标准是什么？如何采用匀胶镀膜法得到高质量的陶瓷薄膜？

2）匀胶镀膜方法有什么不足之处？如何克服或减小其影响？

九、参考资料

[1]赵谢群，邱向东。氧化锌薄膜的研究与开发进展，半导体技术，1998，23（6）：8～

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