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功能薄膜材料及其研究(中南大学材料科学与工程,湖南长沙)摘要:综述了功能薄膜材料及其研究,介绍了装饰膜、硬质薄膜、光学薄膜、电子薄膜等功能薄膜材料的性能特点及其制备应用,并简析功能薄膜材料未来的发展前景。

关键词:功能薄膜材料薄膜制备发展综述引言:在科学发展日新月异的今天,大量具有各种不同功能薄膜得到广泛的应用,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。

薄膜是以特殊方式形成的具有独特结构和性能、厚度为亚纳米和微纳米级的附着于固体表面的二维材料,常用的薄膜材料有:硬质薄膜、信息薄膜、装饰膜、润滑膜、光学薄膜、电子薄膜、光电子薄膜、生物薄膜、化学功能薄膜、能量变换功能薄膜等。

薄膜功能材料具有极其优良的力学、电学、磁学、光学、等化学性质,可以被用来制作具有特殊性能的涂层,广泛应用于航空航天、核工业、生物、传感器、发动机等行业。

现正致力于新型薄膜材料的研究和开发,以满足高技术时代发展的需求。

一、功能薄膜材料1.装饰薄膜1.1装饰薄膜简介装饰膜除了美观作用外,还有一些其他性能,如:隔热、保暖、隔紫外线、安全防爆防盗防弹、私密性等。

装饰膜种类很多,家具贴膜、地板保护膜、墙面贴膜等。

装饰膜由多层涂层组成,其性能主要有基材决定。

装饰膜可分为:PVC (真空吹塑膜):力学性能好,化学性能稳定,难燃,成本低。

缺点热稳定性差,软化温度低,只能在80℃以下条件中使用,受热会引起不同程度降解;PP:成型性好,收缩率高,力学性能优良,耐热温度高,在150℃时不施加外力不会变形,耐寒性不如PE;PET:具有较高的成膜性和成型性,很好的光学性能和耐候性,耐磨耗摩擦性、尺寸稳定性、电绝缘性,非晶态具有良好的光学透明性。

1.2装饰薄膜制备装饰膜的制备方法有电镀、磁控溅射法和离子镀。

电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。

电镀时,镀层金属或其他不溶性材料做阳极,待镀的工件做阴极,镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。

磁控溅射是在高真空充入适量的氩气,在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百K直流电压,在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电,使氩气发生电离。

氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面,将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。

直流/中频/射频磁控溅射法、反应磁控溅射。

离子镀是在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离,并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。

其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀(空心阴极蒸镀法)、多弧离子镀(阴极电弧离子镀)等。

2.硬质薄膜2.1硬质薄膜简介将超硬薄膜材料镀于金属切削刀具表面,正适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求,金属切削刀具基体保持了其较高的强度,镀于表面的涂层又发挥它“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势,从而大大提高了金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。

此外,许多在磨擦环境中使用的部件,硬质薄膜材料也能大大提高其使用寿命,因此硬质薄膜被广泛应用于机械、电子、冶金、汽车、航天航空等不同领域。

【1】在材料表面力学性能、化学性能以及抗高温氧化和抗腐蚀性能上有着诸多优势的硬质薄膜尤为引人瞩目。

硬质薄膜材料主要有TiC/TiN/TiCN/WC/Al2O3等金属化合物、金刚石/类金刚石、立方氮化硼等。

2.2硬质薄膜制备(1)化学气相沉积化学气相沉积是一种热化学反应过程,是在特定的温度和经过特别处理的基体表面所经行的气态化学反应。

CVD的沉积过程应该包括反应气体到达基材表面,反应气体分子被基材表面吸附,在基材表面发生化学反应,形核,生成物从基材表面脱离,生成物在基材表面扩散等过程。

其主要的反应类型有:(1)热分解反应;(2)还原反应;(3)化学输送反应;(4)氧化反应;(5)加水分解;(6)与氨反应;(7)合成反应;(8)等离子反应;(9)光激发反应;(10)激光激发反应。

CVD技术又可以分为热化学气相沉积(TCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子化学气相沉积(PVCD)、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)、激光(诱导)化学气相沉积(LCVD)等等。

【2】(2)物理气相沉积物理气相沉积是利用某种真空物理过程,例如蒸发或者溅射实现物质的转移,即原子或分子由源转移到基体表面上,并沉积成薄膜。

它是一种能真正获得纳米至微米级薄膜且无污染的环保型表面处理方法,在不影响基体尺寸的情况下,提高表面强度、增强耐腐性和摩擦磨损等性能。

【3】(3)阴极电弧技术阴极电弧技术是利用真空环境下的弧光放电,使固体阴极靶材蒸发、离化并通过等离子体的强化作用,飞向阳极基体表面沉积成膜。

阴极电弧是一种典型的高电流(可高达数百安培)电弧,电弧以等离子体的形式来传输阴极材料,而且离子电流约占弧电流的10%左右。

【4】所以,阴极电弧技术具有极高的沉积速率。

被离化的靶材粒子以60至100eV平均能量溅射出来形成高度激发的离子束,在含有惰性气体或反应气体的真空环境下沉积在基体表面,具有高能量的离子束对于提高膜基结合力和打乱膜的柱状晶结构是非常有利的,从而也可大幅度改善膜的组织结构和力学性能。

【5】3.光学薄膜3.1光学薄膜简介光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。

依靠反射功能,它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位;依靠减反射功能,它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致,完美的实现现代光学仪器和光学系统的设计功能;依靠它的光谱调控功能,实现光学系统中的色度变换,获得五彩缤纷的颜色世界。

光学薄膜的这些功能,在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用,促进了相关技术和学科的发展。

【6】常见的光学薄膜有:反射膜、增透膜、纳米光学薄膜、金刚石膜等。

3.2光学薄膜制备随着近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展,对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高,从而发展出一系列新型光学薄膜及其制备技术,例如:(1)物理气相沉积法物理气相沉积是光学薄膜制备的主流技术,物理气相沉积法,简单地说是在真空环境中加热薄膜材料使其成为蒸汽,蒸汽再凝结到温度相对低的基片上形成薄膜。

PVC需要使用真空镀膜机,制造成本高,膜层厚度可以精确控制,膜层强度好。

PVD制备光学薄膜这一技术目前已被广泛采用,从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛应用。

在PVD方法中,根据膜料汽化方式的不同,又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。

【7】其中常用的制备技术是真空热蒸发,最常用的蒸发手段是电阻蒸发和电子束蒸发。

(2)离子束辅助沉积法离子束辅助沉积法是在气相沉积镀膜的同时,利用高能粒子轰击薄膜沉积表面,对薄膜表面环境产生影响,从而改变沉积薄膜成分、结构的过程这种把离子辅助与反应蒸发法结合起来的镀膜技术能够实现低温成膜,改善薄膜的微观结构、力学性能并提高薄膜和基体结合力,从而提高薄膜的综合性能但由于离子束轰击基片的能量束流密度不均匀以及高能量离子引起的反溅射等因素,使得离子束辅助蒸发技术在生产应用中受到限制。

【8】(3)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是以金属醇盐或其他金属无机盐的溶液作为前驱体溶液,在低温下通过溶液中的水解、聚合等化学反应,首先生成溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,然后经过热处理或减压干燥,在较低温度下制备出各种无机材料薄膜或复合材料薄膜的方法这种技术可以用于制备各种光学膜如高反射膜、减反射膜等,还可以制备光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等,以及波导光栅、稀土发光材料等。

【9】4.电子薄膜4.1电子薄膜简介薄膜技术在电子领域的推广,是由于电子元件在小型化,高功能,高可靠,批量生产,低成本方面占有很大优势。

类似的薄膜技术在电子元件制造领域占有相当重要的地位。

而薄膜在薄膜电阻,薄膜电容,薄膜开光器件和薄膜太阳能电池和薄膜集成电路应用尤为广泛。

电子器件的小型化、多样化和性能的不断提高是光电子技术发展的重要标志,在这个发展过程中,薄膜技术功不可没。

电子薄膜的应用有薄膜电阻、薄膜电容、薄膜太阳电池、薄膜集成电路、超导薄膜等。

对导电薄膜的要求除了经济性能外,主要是导电率大,附着牢靠,可焊性好和稳定性高。

因尚无一种材料能完全满足这些要求,所以必须采用多层结构。

常用的是二至四层结构,如铬-金(Cr-Au)、铝-氮(Al-N)、镍铬-金(Ni Cr-Au)、钛-铂-金(Ti-Pt-Au)、钛-钯-金(Ti-Pd-Au)、钛-铜-金(Ti-Cu-Au)、铬-铜-铬-金(Cr-Cu-Cr-Au)等。

【10】4.2电子薄膜材料制备薄膜混合集成电路所用基片有多种,最常用的是玻璃基片,其次是微晶玻璃和被釉陶瓷基片,有时也用蓝宝石和单晶硅基片。

为了实现紧密组装和自动化生产,一般使用标准基片。

在基片上形成薄膜有多种方法。

制造薄膜网路常用物理汽相淀积(PVD)法有时还用阳极氧化或电镀法。

在物理汽相淀积法中,最常用的是蒸发工艺和溅射工艺。

这两种工艺都是在真空室中进行的,所以统称为真空成膜法。

用这两种方法,可以制造无源网路中的无源元件、互连线、绝缘膜和保护膜。

阳极氧化法可以形成介质膜,并能调整电阻膜的阻值。

在制造分布参数微波混合集成电路时,用电镀法增加薄膜微带线的厚度,以减少功耗。

二、功能薄膜材料发展前景各种新的成膜方法不断涌现,特别是以等离子体法为代表的新技术得到开发,制膜质量也得到大大改善。

传统的所谓镀膜,已从单一的真空蒸镀发展到包括蒸镀、离子镀、溅射镀膜、化学气相沉积、PCVD、MOCVD、分子束外延、液相生长、微波法及MWECR法等在内的成膜技术;包括离子刻蚀、反应离子刻蚀、离子注入和离子束混合改性等在内的微细加工技术;以及薄膜沉积过程、监测控制、薄膜检测、薄膜应用在内的,内容十分丰富的薄膜技术,并正逐渐成为一门高新技术产业。

随着科学技术的发展,各种特殊用途对薄膜技术与薄膜材料提出了各种各样的要求。

从尺寸上讲,厚度从几纳米到几十微米,长度从纳米微米级(如超大规模集成电路的图形宽度)到成千上万米(如磁带)。

有的要求样品表面尺寸稳定,有的要求严格控制厚度;从成分讲,包括金属、合金、非金属、半导体、化合物、陶瓷、塑料。

有些对纯度、合金的配比,化合物的组份比有严格的要求。

从膜的结构讲,有多晶的、单晶的、非晶态的、纳米晶的、超晶格的、多层膜的、按特定方向取向的、外延生长的。

新型薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用,是国际上科学技术研究的热门学科之一。

开展新型薄膜材料的基础研究直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域的发展方向和进程。

新型薄膜的发展依赖于人们对先进薄膜材料、先进的成膜技术和薄膜结构的控制,以及对薄膜的物理、化学行为的深入研究。

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