纳米薄膜的结构和性能

纳米薄膜的结构和性能

§1 纳米薄膜材料概述

1.1纳米薄膜的含义

1.2纳米薄膜材料在材料学中的作用

§2 纳米薄膜的分类

§3 纳米薄膜的组织结构

3.1薄膜生长过程概述

3.2薄膜的生长模式

3.3连续薄膜的形成

3.4.纳米薄膜的组织形态

§4 纳米薄膜的性能

4.1.力学性能

4.2光学性能

4.3电磁学性能

4.4气敏特性

§5 纳米薄膜的应用

5.1耐磨及表面防护涂层

5.2纳米金刚石薄膜

5.3.纳米磁性薄膜

5.4纳米光学薄膜

5.5纳米气敏膜

5.6纳米滤膜

5.7纳米润滑膜 ................................................................................................................................

§1纳米薄膜材料概述

1.1纳米薄膜的含义：

纳米薄膜是指由尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合膜（如Ge/SiO2，将Ge镶嵌于SiO2薄膜中），以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜，有时

也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。

1.2纳米薄膜材料在材料学中的作用

在材料科学的各分支中，纳米薄膜材料科学的发展占据可极为重要的地位。薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能获性能组合。

在这种意义上，薄膜材料学作为材料科学的一个快速发展的分支，在科学技术以及国民经济的各个领域发挥着越来越大的作用。

§2纳米薄膜的分类

纳米薄膜的分类情况比较复杂，根据不同的分类标准，大体可以分为以下几类：

(1)按照应用性能，可分为纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏薄膜、纳滤膜、纳米润滑膜、纳米多孔膜、LB（Langmuir－Buldgett）膜、SA（分子自组装）膜等有序组装膜。

(2)根据纳米结构的特殊性质，可分为含有纳米颗粒与原子团簇－基质薄膜和纳米尺寸厚度薄膜。

(3)按照用途，可分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。

§3纳米薄膜的组织结构

薄膜的生长过程直接影响薄膜的组织结构以及它的最终性能。下面首先讨论一下薄膜的生长过程。

3.1薄膜生长过程概述

薄膜的生长过程可划分为两个阶段，即新相的形核与薄膜的生长阶段。

所谓薄膜的形核阶段是指在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底的表面上。

所谓薄膜的生长阶段是指在衬底表面上的原子先是形成可以运动的原子团，也称为“岛”，然后这些小岛逐渐长大并且合并，最终联成一片在衬底上形成连续的薄膜。

3.2薄膜的生长模式

3.2.1岛状生长（Volmer-Weber）模式

对于很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为如图如图5.2a所示的岛状模式。

图5.2 三种不同的拨摸生长模式

3.2.2层状生长（Frank-van der Merwe）模式

当被沉积物质与衬底之间的浸润性很好时，被沉积物质的原子更

倾向于与衬底原子键合，如图5.2b所示。

3.2.3层状－岛状（Stranski-Krastanov）生长模式

在层状－岛状生长模式下，最开始的一两个原子层的层状生长之后，生长模式从层状模式转化为岛状模式，如图5.2c所示。

3.3连续薄膜的形成

薄膜形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而逐渐长大，这一过程除了涉及吸纳单个的气相原子和表面吸附原子之外，还涉及了核心之间的相互吞并和联合的过程。

3.3.1奥斯瓦尔多（Ostwald）吞并过程

这一过程的驱动力来自于岛状结构的薄膜力图降低自身表面自有能的趋势，如图5.7a所示。

图5.2 岛状核心的长大机制

3.3.2熔结过程

熔结是两个相互接触的核心相互吞并得过程。如图5.7b所示。在熔结机制中，表面能的降低趋势仍然是整个过程的驱动力。

3.3.3原子团（岛）的迁移

原子团的迁移是由热激活过程所驱使的，其激活能应与原子团的

半径有关。原子团越小，激活能越低，原子团的迁移也越容易。原子团的运动将导致原子团间相互发生碰撞和合并，如图5.7c所示。3.4.纳米薄膜的组织形态

在薄膜的沉积过程中，入射的气体原子的沉积经历了以下三个过程：

(1) 被衬底或薄膜表面所吸附；

(2) 在衬底或薄膜表面进行一定的扩散，一部分原子脱附，另一部分原子在薄膜表面某些低能位置沉积；

(3) 当衬底温度足够高时，原子可在薄膜内部进行一定的扩散。

由于这些过程受相应的激活能控制，因此薄膜结构的形成与沉积时的衬底相对温度Ts／Tm以及沉积原子自身的能量有关。Ts为衬底温度；Tm为沉积物质熔点。

依据沉积条件的不同，溅射法制备的薄膜组织呈现四种不同的组织形态。如图5.9 所示。

图5.9 薄膜组织的四种典型结构

3.4.1形态1型的薄膜组织

在温度很低、气体压力较高的情况下，入射粒子的能量很低，此时形成形态1型的微观组织。（如图5.9 ）

形态1型薄膜组织的特征：

(1) 直径为数十纳米的细纤维状组织形态；

(2)纤维内部缺陷密度很高，或者就是非晶态的结构；

(3)纤维间结构疏松，存在很多纳米尺寸的孔洞，因此薄膜的强度很低；

(4)薄膜表面呈现拱形形貌。

3.4.2. 形态T型的薄膜组织

介于形态1和形态2 之间的过渡型组织。（如图5.9 所示）

形态T型薄膜组织的特征：

(1) 仍然呈现纤维状的特征；

(2) 纤维内部缺陷密度较高，但纤维边界较为致密；

(3) 纤维间的孔洞以及拱形表面形貌消失；

(4) 薄膜的强度较形态1显著提高。

3.4.3形态2型的薄膜组织

当Ts／Tm＝0.3~0.5温度区间时，原子表面扩散进行得较为充分，这时形成形态2型的薄膜组织（如图5.9 所示）。

形态2型的薄膜组织的特征：

(1) 均匀的柱状晶组织，柱状晶的直径随沉积温度的增加而增加；

(2) 晶粒内部缺陷密度较低，边界的致密性较好，从而薄膜具有较高的强度；

(3) 各晶粒表面开始呈现晶体学平面所特有的形貌

3.4.4形态3型的薄膜组织