材料合成与制备 第7章 薄膜材料制备
第七章 模板合成法(仿生合成)
利用十二烷基苯磺酸钠为结构指导剂，通过过硫酸 铵引发苯胺聚合制备十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯 胺亚微米管
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塌陷(A)和未塌陷(B)的聚苯胺亚微米管的SEM照片。
44
二）阳离子表面活性剂
以十六烷基三甲基溴化铵为结构指导剂、盐酸
作掺杂剂、过硫酸铵作氧化剂制备网状聚苯胺 纳米纤维。
45
结构、尺寸及其分布
38
二、 模板合成法原理：
利用基质材料结构中的空隙或外表面作为模板进行 合成。 优点：调控尺寸、形状、分散性、周期性
39
三、软模板合成法原理
由表面活性剂构成的胶团或反相胶团作为模板 3.1 软模板法工艺流程
表面活性剂→胶团(空腔） ↓物质（离子） 空腔内反应 ↓ 洗涤或煅烧 ↓ Nanomaterials
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
c 醇、酸、醛、酮、醚、酯类等。
9
2.3 第Ⅲ类曲线
特点：初始低浓度时， 随浓度增加急剧下降，但
到一定浓度后几乎不再变化。
溶质：表面活性剂
Ⅰ
有8个以上碳的有机酸盐、
有机胺盐、磺酸盐、苯磺
Ⅱ Ⅲ
酸盐等。
c
10
三、溶液的表面吸附
3.1 表面吸附 一种物质自动浓集到另一种物质表面上的过程。 有吸附能力的物质称为吸附剂
硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
56
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的 GaN纳米线
57
硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图
58
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method. B) TEM image of silica nanotubes prepared by selectively dissolving the silver cores of Ag/SiO2 nanocables in an ammonia solution with~pH 11.
第七章 膜分离过程 第八章 液膜分离
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类 (1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表 皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液； 多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层) 表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选 择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作 为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
(4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对 有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过 液浓度反而升高。 膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附 能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在 压力下通过毛细管。 例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后 者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。
三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。 优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量 消耗低。操作压力低，泵与管对材料要求不高等。 反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2· h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔 径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定性。 材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。 高分子物质极易粘附和沉积，造成严重的浓差极化和堵塞。 原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。 问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和 其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到一定程度。
薄膜的化学制备方法
LB薄膜的特点
优点：1. LB薄膜中分子有序定向排列，这是一个重要特点； 2. 很多材料都可以用LB技术成膜； 3. LB膜有单分子层组成，它的厚度取决于分子大小 和 分子的层数； 4. 通过严格控制条件，可以得到均匀、致密和缺陷密 度很低的LB薄膜；
缺点：
➢ 成膜效率低， ➢ LB薄膜均为有机薄膜，包含了有机材料的弱点； ➢ LB薄膜厚度很薄，在薄膜表征手段方面难度较大。
盲孔
和形状复杂的内腔；
4. 被镀材料广泛：可在钢、铜、铝、锌、塑料、尼龙、
玻
Ni2+
+
_
H2PO2
+H2O
表面 催化HPO32
+ 3H+ + Ni
璃、 橡胶、木材等材料上镀膜。
化学镀设备（Electroless plating equipment ）
化学镀的应用
化学镀Ni-P-B活塞
Ni-P塑料模具
Ni-P铝质天线盒
PCB的局部化学镀
Layer 1
Tracks
Via Hole
SMD Pad
Layer 6
R34
IC3
二、溶胶-凝胶法
溶胶凝胶法是常用的化学制膜方法，与 蒸发、溅射等物理成膜方法相比，设备简单、成 本低、容易控制薄膜的化学组分比、可以用它方 便地制备多种薄膜和纳米材料，是一种适合于机 理研究的好方法。
4.在基片B，金属离子得到 电子被还原。
电镀服从法拉第定律
Faraday 定律（镀层厚度与时间和电流的关系）
• m=K I t • m=(M/nF) (I(d) S) t • p S h=(M/nF) (I(d)
S) t • p h=(M/nF) I(d) t
材料合成与制备期末复习题
材料合成与制备期末复习题第零章绪论1.材料合成:材料合成是指促使原子或分子构成材料的化学或物理过程;2.材料制备:材料制备是指研究如何控制原子与分子使其构成有用的材料，但材料制备还包括在更为宏观的尺度上控制材料的结构，使其具备所需的性能和使用效能。
3.材料合成与制备的最终目标是:制造高性能、高质量的新材料以满足各种构件、物品或仪器等物件的日益发展的需求。
4.材料合成与制备的发展方向:材料的高性能化、复合化、功能化、低维化、低成本化、绿色化;5.影响热力学过程自发进行方向的因素:(1)能量因素;(2)系统的混乱度因素; 6.隔离系统总是自发的向着熵值增加的方向进行。
7.论述反应速率的影响因素:(1)浓度对反应速率的影响:对于可逆反应，增加反应物浓度可以使平衡向产物方向移动，因此，提高反应物浓度是提高产率的一个办法，但如果反应物成本很高，将反应物之一在生成后立即分离出去或转移到另一相中去，也是提高反应产率的一个很好的办法。
对于有气相的反应，如果反应前后气体物质的反应计量数不等，则增加压力会有利于反应向气体计量数小的方向进行。
另外，对于多个反应同时进行的反应，则应按主反应的情况来控制反应物的配比;(2)温度对反应速率的影响:对于一个可逆反应，正反应吸热，则逆反应就放热;如果正反应放热，则逆反应就吸热，升高温度有利于反应向吸热方向进行，不利于放热反应;对于放热反应，用冷水浴或冰浴使其降温的办法有利于反应的进行，但影响反应速率。
实际生产中，要综合考虑单位实际内的产量和转化率同时进行;(3)溶剂等对反应速率的影响:溶剂在反应中的作用:一是提供反应的场所，二是发生溶剂化效应。
溶剂最重要的物理效应即溶剂化作用，化学效应主要有溶剂分子的催化作用和容积分子作为反应物或产物参与了化学反应。
若溶剂分子与反应物生成不稳定的溶剂化物，可使反应的活化能降低，加快反应速率;若生成稳定的溶剂化物，则使反应活化能升高，降低反应速率;若生成物与溶剂分子生成溶剂化物，不论它是否稳定，都会使反应速率加快。
《材料合成与制备技术》课程教学大纲
《材料合成与制备技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0412课程中文名称：材料合成与制备技术课程英文名称：Materials Synthesis and Preparation Technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：材料化学专业本课程的前导课程：固体化学、有机化学一、课程简介本大纲适用于材料化学类本科。
本课程旨在介绍材料合成与加工的原理、方法和技术，着重讲述了单晶体的生长，非晶态材料的制备，薄膜的制备方法，功能陶瓷的合成与制备，结构陶瓷和功能高分子材料的制备方法等。
材料合成与加工是材料化学专业选修课，通过本课程的教学，帮助学生掌握各种材料的合成与加工的理论与方法。
本课程的重点是针对不同性能体系的材料发展起来的各种合成方法与加工制备工艺，理解各类材料合成原理和物理化学过程。
通过本课程的学习，要求学生能够使用多种类型材料的设备、分析多种类型材料的性能，并初步具备开发新设备、制备新材料的能力，为学习材料化学专业打好基础。
二、教学基本内容和要求第一章单晶材料合成与制备课程教学内容：从固相-固相平衡、液相-固相平衡和气相-固相平衡制备单晶材料的方法，提拉法制备、气相外延生长单晶硅的工艺，焰熔法制备宝石。
课程的重点、难点：重点：晶态的基本概念，晶态生长的基本原理，常见的固-液晶体生长技术。
难点：晶体生长的基本原理。
课程教学要求：要求了解固相-固相平衡的晶体生长的基本概念和机理。
了解液相-固相平衡的晶体生长的机理，掌握一些液相-固相平衡生长晶体的具体方法。
了解气相-固相平衡的晶体生长的主要方法。
第二章非晶态材料的制备课程教学内容：非晶态材料的基本概念和基本性质，非晶态材料的形成理论，非晶态材料的制备方法与原理。
课程的重点、难点：重点：非晶态的基本概念，非晶态材料生长的基本原理，常用的非晶态材料的制备原理。
薄膜材料及其制备技术
课程设计实验课程名称电子功能材料制备技术实验项目名称薄膜材料及薄膜技术专业班级学生姓名学号指导教师薄膜材料及薄膜技术薄膜技术发展至今已有200年的历史。
在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。
经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。
其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。
这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。
以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。
一、薄膜材料的发展在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。
自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。
生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。
生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。
细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。
膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。
细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。
细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。
二、薄膜材料的分类目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新型薄膜材料的应用范围正在不断扩大。
溶胶凝胶法制备薄膜及涂层材料
(6)玻璃表面的平整度及光散乱 玻璃表面，由于是所谓火抛光(fire polish)， 平整度在6~10nm。如果要求玻璃表面更平滑或 大面积范围的平滑，必须进行研磨。先用SiC或 Al2O3粗磨，然后用红粉(Fe2O3)或CeO2抛光。
玻璃表面如果呈波纹状，凸起的顶部或峰顶 与凹下的底面上的反射光之间存在光程差， △=2hcos，为入射角。如果2h小于λ/8，则看 不到光散乱。
表7-1 反应体系的组成
材料 Al2O3 La2O3-Al2O3 ZrO2(Y2O3)-Al2O3 MgO-ZrO2 Y2O3-ZrO2 MgAl2O4 MgFe2O4 Mg (Fe，Al)O4 主盐 Al(NO3)3、La(NO3)3、 Al(NO3)3 、ZrOCl2、Y(NO3)3 ZrOCl2 、Mg(NO3)2、 Y(NO3)3 Mg (NO3)2 、Al (NO3)3、 Fe(NO3)3 沉淀剂 NH4OH H2C2O4 NH4OH (NH4)2CO3 成膜促进剂 聚乙烯醇（PVA） 聚乙烯醇（PVA）、 阴离子表面活性 剂 阴离子表面活性剂 聚乙二醇、甘油
SrTiO3
Li2B4O7 Al2O3-SiO2 (如莫来石等) CeO2-TiO2
7.1.2.2影响成膜性和膜结构的主要因素 采用醇盐法制备薄膜时，影响成膜性和膜 结构的主要因素仍然是溶胶的配比、溶胶 的稳定性、干燥制度、烧结制度和基体的 选择等，具体情况与7.1.1.3节讨论的相同。 此处需要强调的是溶胶的稳定性是可以工 业化最关键的前提条件。
胶粒 H2O NH4+或者NO3成膜促进剂 稳定的均匀溶胶 H2O CO2
NO3- H2O
NH3
干燥初期
快升温
慢升温
图7-1 无机前驱体Sol-Gel膜的成膜机制示意图
新版材料合成与制备.pdf
第一章绪论1．材料按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四类。
2．材料合成与制备是通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到化学上及性能上不同于原材料的新材料。
研究内容：一是研究新型材料的合成方法；二是研究已知材料的新合成方法、新合成技术，从而指定节能、经济、环保的合成路线及开发新型结构和功能的材料。
3．材料科学与工程的四个基本要素：合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
第二章无机材料合成实验技术1．表征真空泵的工作特性的四个参量：起始压强、临界反压强、极限压强、抽气速率。
2．平衡分离过程：借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
3．速率分离过程：在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
4．吸附分离过程：利用混合物中各组分与吸附剂表面结合力强弱的不同，即各组分在固体相（吸附剂）和流体相间的吸附分配能力的差异，使混合物中难吸附组分与易吸附组分得以分离。
特点：①多数吸附剂具有良好的选择性，同时，被吸附组分又可在不同的条件下脱附，方便被吸附组分的分别收集和吸附剂的再生利用；②吸附剂化学稳定性好，分离所得产物纯度高；③吸附与解吸速度快，为快速分离和获得小体积淋洗液创造了条件；④吸附剂价廉易得，实验操作简单；⑤为了增加表面作用位置，吸附剂通常制成多孔结构和大比表面积。
吸附机理：⑴吸附作用机理复杂，包括静电吸附、氢键作用、离子交换、络合作用等多种物理和化学过程；⑵从分子间作用力的观点来看，吸附作用是吸附剂表面的立场与吸附质分子之间相互作用的结果，主要是物理吸附；⑶硅胶、Al2O3表面含有大量羟基及O原子，能与许多物质形成氢键。
氢键和电荷转移相互作用均产生较强的吸附能；⑷极性吸附剂与极性分子之间的吸附力较强，选择性也较高。
薄膜材料的制备方法
广
东
化
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７ ７
第 ３ 卷 总第 ２ ５ ９ ２ 期
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薄膜材 料 的制 备方法
张 美 芳 ，林 飞 ２
（． 吕城 高级 中学 化学 组 ，江苏 丹 阳 ２ ２ ５ ；２ １ １３ １ ．第六 中学 化学 组 ，江苏 丹 阳 ２２ ０） ３ ３０
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材料合成与制备
材料合成与制备材料合成与制备是现代材料科学领域的重要研究内容之一，它涉及到材料的结构设计、合成方法、制备工艺等方面，对于材料的性能和应用具有重要的影响。
在这篇文档中，我们将重点介绍材料合成与制备的基本概念、常见方法和技术，希望能够为相关领域的研究者和学习者提供一些参考和帮助。
材料合成是指通过化学反应或物理方法将原料转化为所需的材料。
合成方法的选择通常取决于所需材料的性质、结构和用途。
常见的材料合成方法包括溶液法、固相法、气相法、激光烧结法等。
溶液法是指将原料溶解在溶剂中，通过控制溶液的温度、浓度、PH值等条件来实现材料的合成。
固相法是指将原料混合后在高温条件下进行反应，通常用于制备无机材料。
气相法是指将原料蒸发成气体后在一定条件下进行反应，适用于制备纳米材料和薄膜材料。
激光烧结法是指利用激光束对原料进行加热和烧结，可以实现高温、快速、均匀的材料合成。
材料制备是指将合成好的材料进行成型、加工和表面处理，以满足特定的使用要求。
常见的材料制备方法包括热压成型、注塑成型、挤压成型、烧结等。
热压成型是指将粉末材料放入模具中，在一定温度和压力下进行成型。
注塑成型是指将熔融的塑料通过注射机注入模具中进行成型。
挤压成型是指将熔融的金属材料通过挤压机挤压成型。
烧结是指将粉末材料在一定温度下进行烧结，使其颗粒相互结合形成致密的材料。
在材料合成与制备过程中，需要考虑原料的选择、反应条件的控制、设备的选择和操作技术等方面的问题。
合成和制备的过程需要严格控制各项参数，以确保所得材料的质量和性能。
同时，还需要考虑材料的成本、环保性、可持续性等方面的问题，以实现材料的可持续发展和应用。
总的来说，材料合成与制备是材料科学领域中非常重要的研究内容，它直接影响到材料的性能和应用。
通过合理选择合成方法和制备工艺，可以获得具有特定结构和性能的材料，为材料科学和工程领域的发展和应用提供重要支撑。
希望本文所介绍的内容能够对相关领域的研究者和学习者有所帮助，也欢迎大家对材料合成与制备的研究进行进一步的探讨和交流。
材料合成与制备 第7章 热压烧结
使用炸药透镜进行动高压合成的典 型处理装置如图所示。
铜质密封盒内以50％密度装上冲击 压缩物(粉末)，主爆药为TNT／硝酸钡， 对粉末的最大压力为11GPa。
另一种方法是把冲击压缩物装入圆 筒状的密封容器内，容器周围装上炸药 并使之爆炸冲击，大部分固化金属、固 化陶瓷都采用这种方法。
增加，裂纹增多，抗压强度反而会降低。
热压烧结制备高致密度B4C陶瓷及其致密化
碳化硼(B4C)陶瓷具有高硬度、高模量、低密度、耐磨性好、耐酸 碱性强以及良好的中子吸收性能等特点，是一种性能优异的防弹材料、 耐磨和自润滑材料、特种耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具以及原子反应 堆控制和屏蔽材料等。B4C原子间共价键比例高达94﹪，其在高温下扩 散速率慢，即使在接近熔点2450℃ 的高温条件下也极少有物质流动发 生；而且B4C 的塑性差，晶格移动阻力大，固态时表面张力很小，因 此其致密化过程相当困难。无压烧结B4C要获得80％的相对密度，需要 采用非常细(< 3 m)的粉末，烧结需要在2250℃～2350℃下进行，且容 易出现晶粒的异常长大和表面熔化现象，严重影响材料的最终性能。高 致密度、高性能B4C陶瓷的烧结制备成为影响其在军事、工业领域中广 泛应用的关键。
二、热压烧结的发展
三、固体颗粒烧结的过程和特点
由于粉状物料的表面能GSV大于多晶烧结体的晶界能GGB （烧结的推动力），粉体经烧结后，晶界能取代了表面能， 体 来系 衡能量量烧降结低的，难材易料，趋GS于V／稳G定GB。数通值常越采大用表G明SV越／易G烧GB结数。值大小
三、固相烧结的传质方式
结合剂的作用及影响 以酚醛树脂(PF)为结合剂及部分碳源，B4C陶瓷的烧结致密度随酚醛
薄膜材料制备原理专业技术及应用知识点
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1一、名词解释１．ﻩ气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。
对个别分子而言,自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。
气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。
2.ﻩ物理气相沉积(PＶD)：物理气相沉积(Phyｓiｃａl Vａpｏr Deposition,ＰＶD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
3.ﻩ化学气相沉积（ＣVD)：化学气相沉积(Ｃｈeｍical ｖapｏr ｄｅｐoｓition,简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
它本质上属于原子范畴的气态传质过程。
4.ﻩ等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔVｐ即所谓的鞘层电位。
在等离子体中放入一个金属板，由于电子和离子做热运动,而电子比离子的质量小，热速度就比离子大，先到达金属板,这样金属板带上负电，板附近有一层离子，于是形成了一个小局域电场,该电场加速了离子,减速电子，最终稳定了以后,就形成了鞘层结构，该金属板稳定后具有一个电势，称为悬浮电位。
5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数,与入射离子的能量有关。
6. 自偏压效应:在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下,导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。
７.ﻩ磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场,把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量,从而实现高速率溅射的过程。
材料合成与制备
鸽血红（纯红色）红宝石 粉红色红宝石 蓝色蓝宝石 黄色蓝宝石 绿色蓝宝石 紫色蓝宝石 帕德马蓝宝石 变色蓝宝石
Cr3+ Ｃr3+ /Fe/Ti Fe2+/Ti4+ Fe3+、色心 Fe3+、Fe3+/ Ti4+ Cr3+/Fe2+/Ti4+、 Fe2+/Fe3+ 色心/Cr3+、 Fe3+ Fe、Ti、Cr
火，会出现晶粒的反常长大。这个过程就像在再结晶 后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长 大，故又称之为“二次再结晶”。
异常长大后(20min) 异常长大前(5min) Fe-3%Si合金在1100℃退火组织
晶粒的异常长大
二次再结晶特征：
❖驱动力来自界面能或表面能的降低。 ❖不需要重新形核，是以一次再结晶后的某
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
1.1.1 形变再结晶理论
冷变形后材料经重新加热进行退火之后， 其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温 度下变化的特点可将退火过程分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结 构和性能变化的阶段；
2. 晶粒长大
晶粒长大可以通过现存 晶粒在退火时的生长或 通过新晶粒成核，然后 在退火时生长的方式发 生，焊接一颗大晶粒到 多晶试样上，并且是大 晶粒吞并临近的小晶粒 而生长，就可以有籽晶 的固-固生长，即
形核-焊接-吞并
再结晶后的晶粒长大
再结晶刚完成后，得到的是细小的等轴晶粒。如果 继续提高退火温度或延长保温时间，便会发生晶粒互 相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。
材料合成与制备方法
材料合成与制备方法材料合成是指通过化学反应或其他方法，将原始物质转化为具有特定性质和用途的新材料的过程。
材料合成是材料科学和工程领域的重要研究内容之一，它可以为各个行业提供各种不同性质和用途的材料，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料等。
在材料合成的过程中，存在多种不同的制备方法，下面将介绍一些常见的制备方法。
1.溶液法合成：溶液法合成是指将所需原料溶解于溶剂中，通过一系列的反应和处理步骤，使原料逐渐形成所需的新材料。
溶液法合成常用于制备金属盐、陶瓷粉末和纳米材料等。
这种方法具有成本低、操作简单的优点，但也存在一些问题，如产品纯度有限、溶剂回收困难等。
2.气相沉积法：气相沉积法是指通过将气体原料转化为激活态，然后在特定条件下进行反应，使材料沉积在特定基底上。
气相沉积法常用于制备薄膜材料和纳米材料等。
这种方法具有制备过程可控性好、产品均匀性高的优点，但也存在一些问题，如设备复杂、制备成本较高等。
3.熔融法合成：熔融法合成是指将固体原料加热至熔融状态，然后冷却形成新材料的过程。
熔融法合成常用于制备金属合金、玻璃和陶瓷等。
这种方法具有制备过程简单、产品纯度高的优点，但也存在一些问题，如温度控制难度大、合成周期长等。
4.沉淀法合成：沉淀法合成是指通过加入沉淀剂，使材料的溶液中的溶质生成沉淀，然后通过过滤、洗涤和干燥等步骤，得到所需的新材料。
沉淀法合成常用于制备颗粒状材料和胶体材料等。
这种方法具有操作简单、适用范围广的优点，但也存在一些问题，如沉淀剂的选择和处理工艺的掌握等。
5.水热合成法：水热合成法是指将原料与水或溶液在高温高压环境下反应，以合成新材料的方法。
水热合成法常用于制备氧化物陶瓷、纳米颗粒和有机无机复合材料等。
这种方法具有制备条件温和、反应速度快的优点，但也存在一些问题，如设备压力限制和产物分离困难等。
综上所述，材料合成与制备方法涵盖了多种不同的技术和手段，根据实际需求选择合适的制备方法非常重要。
《材料合成与制备》课件
化学法
化学法主要包括化学气相沉积、 溶胶-凝胶法、水热法等技术。
化学气相沉积技术是利用气体反 应物在固体表面上发生化学反应 并生成固态沉积物的过程。
溶胶-凝胶法是通过溶液中的化学 反应制备出溶胶，然后将其转化 为凝胶，再经过干燥和热处理得 到目标材料。
化学法是通过化学反应将元素或 化合物转化为目标材料的技术， 其优点在于可以合成出结构复杂 、性能优异的材料。
详细描述
随着科技的发展，人类对材料性能的要求越来越高，因此需要不断探索新的材 料合成与制备方法。这些方法不仅有助于提高材料的性能和稳定性，还能降低 生产成本，为人类社会的发展提供重要的支撑。
材料合成与制备的分类
总结词
材料合成与制备可以根据不同的分类标准进行分类，如按合成方法、材料类型、应用领 域等。
化学气相沉积法
总结词
通过化学反应使气态物质在固态基体表面沉积，以制 备薄膜材料的方法。
详细描述
化学气相沉积法是一种先进的材料制备技术，适用于制 备陶瓷、金属化合物等薄膜材料。在化学气相沉积法中 ，气态物质在固态基体表面发生化学反应，生成所需的 固态物质并沉积在基体表面，形成连续的薄膜。化学气 相沉积法制备的材料具有较高的纯度和致密性，且制备 过程具有较高的灵活性和可控制性。但设备成本较高， 且对于某些高分子材料而言，需要解决化学气相沉积过 程中发生的化学反应和副产物的控制问题。
的重点。
技术创新与挑战
01
新的合成方法
随着新材料需求的不断增长，探索新的合成方法成为关键。例如，化学
气相沉积、溶胶-凝胶法、微波合成等新技术的应用，为材料合成提供
了更多可能性。
02
绿色合成技术
随着环保意识的提高，绿色合成技术成为研究的热点。通过无毒或低毒
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四、脉冲激光溅射沉积(PLD)
激光器
靶 基片
PLD
Equipment
The principal components:
• Target holder (red) • Substrate heater (yellow) • Vacuum pumps (E) • Pressure gauges (P) • Gas valves (N2 and O2) • Windows (OW and LW)
• 气体电离后产生的带正电荷的离子受电场加速 而形成等离子流，它们撞击到设置在阴极的靶 材表面上，使靶表面的原子飞溅出来，以自由 原子的形式，或与反应气体分子形成化合物的 形式，沉积到衬底表面形成薄膜层。（也称阴 极溅射法）
❖ 射频磁控溅射系统基本结构
❖ 磁控射频溅射工作原理
洛仑兹力：F = q( E + vB )
溅射法被广泛地应用于制备金属、合金、半导 体、氧化物、碳化物、氮化物等。
溅射过程是建立在辉光放电的基础上，即溅射 离子都来源于气体的放电。辉光放电产生于真 空度为10～1Pa的稀薄气系统内加入少量所需气体（如氩、氧、 氮等），气体分子在强电场的作用下电离而产 生辉光放电。
（2）溅射气压低，一般在0.1～0.005 Pa范围内，低于磁控 溅射的工作气压；通常在这个气压范围内，溅射粒子 的平均自由程大于靶基距，溅射粒子不会因发生碰撞 而损失能量，这意味着薄膜生长所需能量不但可以由 离子提供，而且也可以由中性溅射原子提供。
（3）微波-ECR等离子体离子能量低，对基片的损伤很小。
真空蒸发镀膜工艺实例 －Al膜制备：
（1）悬挂铝丝； （2）基片清洗及放置； （3）系统抽真空； （4）衬底预热； （5）预蒸； （6）蒸发； （7）停机。
二、磁控溅射沉积
所谓“溅射”就是荷能粒子轰击固体表面 （靶），使固体原子（或分子）从表面射出的 现象。应用这一现象将溅射出来的物质沉积到 基片或工作表面形成薄膜的方法称为溅射（镀 膜）法。
radio frequency sputtering system
Lesker Radio Frequency Sputtering System
Dual-RF-plasma Pulsed-Laser Deposition (PLD) System
三、离子束辅助沉积
离子束辅助沉积装置的原理简图
薄膜生长方法是获得薄膜的关键。薄膜材料的 质量和性能不仅依赖于薄膜材料的化学组成， 而且与薄膜材料的制备技术具有一定的关系。
随着科学技术的发展和各学科之间的相互交叉, 相继出现了一些新的薄膜制备技术。这些薄膜 制备方法的出现, 不仅使薄膜的质量在很大程 度上得以改善, 而且为发展一些新型的薄膜材 料提供了必要的制备技术。
The parameters of laser:
• wavelength l = 248 nm • maximum pulse energy Emax =
溶胶－凝胶法（Sol－Gel法） 电沉积 液相外延（LPE） 化学束外延
一、真空蒸发沉积
真空蒸发沉积设备主要组成： （1）真空镀膜室 （2）真空抽气系统 （3）真空测量系统
原理： 真空条件下 蒸发源材料加热 脱离材料表面束缚 原子分子作直线运动 遇到待沉积基片 沉积 成膜。
蒸发镀膜设备
• 离子束结合微波电子回旋共振辅助沉积
INTENSITY (a.u.)
250
D
200
G
150
100
50
0 800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
RAMAN SHIFT (cm-1)
CN膜的典型的RAMAN谱
❖（平衡）磁控溅射与非平衡磁控溅射
（平衡）磁控溅射
非平衡磁控溅射
E ×B
磁控溅射靶的设计
薄膜的制备方法很多，主要有：
物理方法：
▪ 真空蒸发沉积
▪ 磁控溅射法
➢直流磁控溅射 ➢射频磁控溅射
▪ 离子束溅射沉积 ▪ 脉冲激光沉积（PLD） ▪ 分子束外延（MBE）
带能束流辅助 原位检测分析
化学方法：
化学气相沉积（CVD）
➢金属有机物化学气相沉积（MOCVD） ➢热解化学气相沉积 ➢激光诱导化学气相沉积（LCVD） ➢等离子体增强化学气相沉积（PECVD） ➢微电子回旋共振化学气相沉积（MW－ECR－CVD） ➢直流电弧等离子体喷射化学气相沉积 ➢触媒化学气相沉积(Cat－CVD ) ••••••
• 微波双电子回旋共振谐振腔非平衡磁控溅射
主要优点：
• 等离子体密度高 • 均匀区体积大 • 伏安特性具有两种模
式：电压模式与电流 模式 • 可实现超低工作气压 下磁控靶自持交叉场 放电
真空室600×800，均匀区300，区内均 匀度5％，靶基距100-200，工作气压102Pa，本底真空10-5Pa，离化率10％
第七章 薄膜材料制备 及检测技术
薄膜材料及其器件的发展与其制备和检测技术 的发展紧密相关。
薄膜制备技术正从传统的气相沉积技术的基础 上，不断结合其他技术形成众多新的制备技术。
薄膜检测技术面临着越来越多的挑战。独特的 新型薄膜结构和复杂的薄膜成分，对检测技术 提出了更高的要求。
第一节 薄膜材料制备方法
• 磁场位形对放电特性的影响
电压模式
在两种磁场位形下，放电特
电流
性均有两种放电模式。
模式
位形不同，特性差异明显，
有利于成膜参数的调整。
特别是，电压模式下，溅射 率低，有利于制备纳米膜过 程的控制与提高膜的质量。
微波ECR等离子体增强非平衡磁控溅射照片
❖ 等离子体增强磁控溅射特点
（1）工作气体的电离率高，可以产生高密度的等离子体。
❖这些技术包括：
➢ 以蒸发沉积为基础发展了电子束蒸发沉积、分 子束外延薄膜生长(MBE)、加速分子束外延生长；
➢ 以载能束与固体相互作用为基础, 先后出现了 离子束溅射沉积、脉冲激光溅射沉积(PLD)、强 流离子束蒸发沉积、离子束辅助沉积(IBAD)、 低能离子束沉积；
➢ 以等离子体技术为基础发展了等离子体增强化 学气相沉积(PECVD)、磁控溅射沉积等。