二维纳米薄膜材料概述

第一篇：二维纳米薄膜材料概述

二维纳米材料概述

-----纳米薄膜概述

班级：材料科学与工程103班

姓名：卢忠

学号：201011601322

摘要 纳米科学技术是二十世纪八十年代末期诞生并快速崛起的新科技，而其二维纳米结构——纳米薄膜在材料应用以及前景上都占据着重要的地位。纳米薄膜材料是一种新型的薄膜材料，由于其特殊的结构和性能，它在功能材料和结构材料领域都具有良好的发展前景。本论文着重介绍纳米薄膜的制备方法、特性以及研究前景。纳米薄膜材料性能较传统的薄膜材料有更加明显的优势，特别是纳米磁性多层膜、颗粒膜作为一种新型的复合材料将是今后的研究方向。

关键词：纳米；薄膜材料

目录

一.薄膜材料定义............................................................（1）二.纳米薄膜的分类..........................................................（1）三.纳米薄膜的制备方法......................................................（2）四.纳米薄膜特性............................................................（4）五.应用及前景..............................................................（6）参考文献

一.薄膜材料定义：纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜或将纳米晶粒薄膜镶嵌于某种薄膜中构成的复合膜，以及层厚在纳米量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。

二.纳米薄膜的分类

1.纳米薄膜，按用途分为两大类:纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。

纳米功能薄膜:主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。

纳米结构薄膜:主要是通过纳米粒子复合，提高材料在机械方面的性能。

2.按膜的功能分

纳米磁性薄膜 纳米光学薄膜 纳米气敏膜 纳滤膜、纳米润滑膜 纳米多孔膜

LB（Langmuir Buldgett）膜

SA（分子自组装）膜 3.按膜层结构分类

单层膜

如热喷涂法的表面膜等

双层膜

如在真空气相沉积的反射膜上再镀一层 多层膜

指双层以上的膜系

4.按膜层材料分

金属膜，如Au、Ag等 合金膜，如Cr-Fe、Pb-Cu等 氧化物薄膜 非氧化物无机膜 有机化合物膜

三.纳米薄膜的制备方法

纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域内一个重要的研究课题，新材料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。最早是采用金属蒸发凝聚-原位冷压成型法制备纳米晶体，相继又发展了各种物理、化学方法，如机械球磨法、非晶晶化法、水热法、溶胶-凝胶法等。

1.化学法：指在镀膜技术中，有化学反应参与，通过物质间的化学反应实现薄膜的生长。

（1）化学还原法

（2）化学气相沉积法（CVD）：包括常压、低压、等离子体辅助气相沉积等。该方法通过在高温、等离子或激光辅助等条件下控制反应气压、气流速率、基片材料温度等条件，从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程；或者通过薄膜后处理，控制非晶薄膜的晶化过程，从而获得纳米结构的薄膜。用CVD法制备薄膜材料是通过使原料气体以不同的能量使其产生各种法学反应，产物在基片上生长、沉积成固体薄膜。

（3）高温分解法

（4）溶胶-凝胶法：这种方法是20世纪60年代作为一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的合成工艺而开发的。溶胶–凝胶法可以赋予基体多种特殊性能，其中包括机械、化学保护、光学、电磁和催化等。溶胶–凝胶法制备薄膜，首先必须制得稳定的溶胶，按其溶胶的方法，将溶胶–凝胶工艺分为有机途径和无机途径，两者各有优缺点。与其他制备薄膜的方法相比，溶胶–凝胶法工艺设备简单，温度低，易于大面积制备各种不同形状、材料的薄膜，用料省、成本较低。

（5）电浮法（6）阴极电镀法

2.物理法：指在薄膜沉积过程中，不涉及化学反应，薄膜的生长基本是物理过程。

物理气相沉积（PVD）是一类常规的薄膜制备手段，它包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。主要通过两种途径制膜：

（1）在非晶薄膜晶化过程中控制纳米结构的形成。

（2）在薄膜的成核过程中控制纳米结构的形成。物理气相沉积主要包括以下三点：

①气相物质的产生。在蒸发镀膜方法中，用加热源使其蒸发；而在溅射镀膜中，则用具有一定能量的粒子轰击靶材。

② 气相物质的输送。由于有气体存在时会与气相物质发生碰撞，因此气相物质的输送往往在真空中进行。

③ 气相物质的沉积。气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形成单晶膜、多晶膜或者非晶态膜。

3.分子组装方法

（1）LB膜技术

LB膜技术就是先将双亲分子在水面上形成有序的紧密单分子薄膜，再利用端基的亲水、疏水作用将单层膜转移到固体基片上。由于基片与分子之间的吸附作用，单分子层级成绩在固体基片上。这样基片反复的进出水面就可以形成多层膜。LB膜随着转移方式的不同可得到X型、Y型和Z型。LB膜的制备是将悬浮在气/液界面的单分子膜转移到基片表面。最常用的方法是垂直拉提法、水平拉提法、亚相降低法、扩散吸附法和接触法。

（2）分子自组装技术

分子自组装（SA）薄膜技术是一种在平衡条件下通过建的相互作用，自发结缔形成性能稳定的、结构完整的薄膜的方法。SA成膜技术主要包括基于化学吸附的自组装成膜技术，和基于物理吸附的离子自组装膜技术。

①基于化学吸附的SA技术

其基本方法是：将表面修饰有某种物质的基片浸入待组装分子的溶液中，待组装分子一端的反应基于基片表面发生自动连续的化学反应，在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜；如果单层膜表面也有具有某种反应活性的基团，则又可以和别的物质反应，如此重复就构建成同质或异质的多成膜。SA技术形成的多层膜有如下主要特征：①.原位自发形成；②.热力学性质稳定；③.物理基片形状如何，其表面均可形成均匀一致的覆盖层；④.高密度堆积和低缺氧浓度；⑤.分子有序排列；⑥.可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的物理和化学性质；⑦.有机合成和制膜有很大的灵活性。

②基于物理吸附的SA膜技术

基于物理吸附的SA膜技术又叫做离子自组装技术，其原理是将表面带负电荷的基片浸入阳离子聚电解质溶液中，由于静电吸引，阳离子聚电解质聚集到基片表面，使基片表面带正电，然后将基片再浸入阴离子聚电解质溶液中，如此重复进行，就会形成多层聚电解质自组装膜。

这种建立在静电互相作用原理基础上的自组装技术，是一种新型的制备聚合物纳

米复合膜的方法。它的特点是：①对沉积过程或膜结构进行分子级控制；②.利用连续沉积的方法，可实现层间分子对称或非对称二维或三维超晶格结构，从而实现膜的光、电、磁、非线性光学性能的功能化；③.可形成仿真生物膜；④.层与层之间膜的稳定性极好；⑤.与基于化学吸附法制备有机复合膜相比，具有较好的重复性。

四.纳米薄膜特性

1.纳米薄膜的力学性能：纳米薄膜的性能强烈依赖于晶粒(颗粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构，这也就是日前纳米薄膜研究的主要内容。

硬度：纳米多层膜的硬度与材料系统的组分、各组分的相对含量、薄膜的调制波长有着密切的关系。

机械性能较好的薄膜材料一般由硬质相〔如陶瓷材料)和韧性相(如全属材料)共同构成。因此如果不考虑纳米效应的影响和硬质相含量较高时，则薄膜材料的硬度较高，并且与相同材料组成的近似混合的薄膜相比，硬度均有所提高。

韧性：多层膜结构可以提高材料的韧性，其增韧机制主要是裂纹尖端钝化、裂纹分支、层片拔出以及沿界面的界面开裂等，在纳米多层膜中也存在类似的增韧机制。

影响韧性的因素主要有组分材料的相对含量及调制波长。在金属/陶瓷组成的多层膜中，可以把金属作为韧性相，陶瓷为脆性相，实验中发现在TiC/Fe、Ti/Al、TiC/W多层膜系中，当金属含量较低时，韧性基本上随金属相含量的增加而上升，但是在上升到一定程度时反而下降。

耐磨性：研究发现合理搭配材料可以获得较好的耐磨性。从结构上看，多层膜的晶粒小，原子排列的晶格存在缺陷的可能性增多，晶粒内的晶格点阵畸变和晶格缺陷的增多，使晶粒内部的位错滑移阻碍增加；此外，多层膜相界面结构也非常复杂，由于不同材料位错能的差异，也会导致薄膜材料的耐磨性的不同。

2.光学性能

（1）蓝移和宽化

用胶体化学法制备TiO2/SnO2超颗粒及其复合LB膜具有特殊的紫外-可见光吸收光谱。TiO2/SnO2超颗粒具有量子尺寸效应使吸收光谱蓝移。TiO2/SnO2-硬脂酸复合LB膜具有良好的抗紫外线性能和光学透过性。

（2）光学线性与非线性

光学线性效应是指介质在光波场作用下，当光强较弱时，介质的电极化强度与光波电场的一次方成正比的现象。一般说来，多层膜的每层膜厚度与激子玻尔半径(aB)相近

或小于aB时，在光的照射下，吸收谱上会出现激子吸收峰,这种现象也属于光学效应。半导体InCaAlAs和InCaAs构成的多层膜，通过控制InCaAs膜的厚度，可以很容易地观察到激子吸收峰。

光学非线性是在强光场的作用下，介质的电极化强度中就会出现与外加电磁场的二次、三次乃至高次方成比例的项。对于纳米材料，小尺寸效应、宏观量子尺寸效应、量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因。

3.电磁学特性

（1）磁学特性

磁性材料在吸波材料中最具特色和发展潜力，高磁导率金属材料一般具有高电导率，高频下易产生大涡流，对电磁波强反射而难以被吸收。采用薄膜多层化设计，用绝缘介质层将高磁导率金属层间隔形成纳米多层膜复合结构，可能获得高频下的高磁导率和大磁损耗。某文献研究报道了C0923zr7Ndn，薄膜材料的高频磁谱特性，该材料具有高的磁损耗，有可能成为GHz频段抗EMI材料，难以应用于高于2 GHz频段。华中科技大学邓联文吲等人研究一种能用于微波吸收的高磁损耗型纳米多层膜材料，并获得了高于2GHz频段的高磁导率。

（2）电学特性

有人在Au/Al2O3de 颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着纳米金颗粒含量的增加，电阻不但不减小，反而急剧增加。实验证明，材料的导电性与材料颗粒的临界尺寸有关。当材料颗粒小于临界尺寸时，它可能失去原来的电学性。

（3）气敏特性

采用PECVD方法制备的SnO2超微粒颗粒薄膜比表面积大，存在不饱和配位键，表面存在很多活性中心，容易吸附多种气体而在表面进行反应，是很好的制备传感器的功能膜材料。

五.应用及前景

1.应用（1）金属的耐蚀薄膜：非晶态合金膜是一种无晶界的，高度均匀的单相体系，且不存在一般金属或合金所具有的晶体缺陷，因此，它不存在晶体间腐蚀和化学偏析，具有极强的防腐蚀性能。

如化学沉积制备非晶态的Ni-P合金。由于它没有晶态Ni-P合金所具有的两相组织，无法构成微电池。其镀层可使金属材料原来敏感的点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和氢脆等易腐蚀性都得到改善。

（2）多功能薄膜—SnO2由于：SnO2具有良好的吸附性、较低的电阻温度系数及化学稳定性，因此容易沉积在诸如玻璃、陶瓷材料、氧化物材料及其他种类的衬底材料上。SnO2薄膜的主要用途有：薄膜电阻器、透明电极、气敏传感器、太阳能电池、热反射镜、光电子器件、电热转化等。

2.前景

纳米薄膜在很多领域内都有着广阔而先进的应用前景，利用它独有的物理化学性质及特性，设计出新型纳米结构性器件和纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破，而功能性的薄膜材料一直是目前研究的热点。

利用纳米薄膜吸收光谱的蓝移和红移特性，人们已经制造出了各种各样的紫外吸收薄膜和红外反射薄膜，并且在日常的生产和生活中获得了广泛的应用；在一些硬度高的耐磨涂层或薄膜中添入纳米相，可进一步提高纳米薄膜的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性；利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸收能力，可对重型设备起到隐身作用，纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁等具有导体性质的粒子，有很好的静电屏蔽作用；美国科学家将PAH、PSS沉积到多空聚丙烯膜上，二氧化碳和氮气的选择透过性表明固体二甲基硅烷沉积多层膜后有较高的选择性。

在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的要求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。正想美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很有可能给各个领域带来一场革命”。在纳米科技的竞争中，我国起步并不算晚，这是我国赶上世界经济发展的又一个不可多得的机遇。

参考文献

[1] 崔传文

姜明

纳米薄膜材料的制备技术及其应用研究 [2] 徐扬海 纳米薄膜材料

[3] 王鹏飞 周剑平巫建功 王永明 ZnO基稀磁半导体纳米薄膜材料的研究进展 [4] 贾嘉 溅射法制备纳米薄膜材料及进展

第二篇：纳米薄膜小论文

纳米技术在薄膜中的应用与发展

摘要:近年来纳米技术的发展研究是一个热烈的话题，受到了广泛的关注。而纳米薄膜材料是一种新型材料，由于其特殊的结构特点，时期作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文简单介绍了纳米薄膜材料的性能、制备方法，应用领域等几个方面，为初步认识和了解纳米薄膜材料有推动作用。

关键字：纳米技术,薄膜,材料

纳米技术在今天已经不是个陌生的话题，所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项技术。这是21世纪最有竞争力的技术之一。科学家们在研究微观粒子结构与性能过程中，发现在纳米尺度下的原子或分子，可以表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能的设备与仪器，能够在改善人们的日常生活中起到相当显著的作用。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。而我所研究的是纳米技术在薄膜中的部分应用与其今后发展。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。

1.纳米薄膜材料概述

纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料, 按用途可以分为两大类,即纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性,通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合, 提高材料在机械方面的性能。由于纳米粒子的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对薄膜的特性有显著影响, 因此可以在较多自由度的情况人为地 控制纳米复合薄膜的特性, 获得满足需要的材料。纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉积而形成的组分或结构交替变化的合金薄膜材料, 且各层金属或合金厚度均为纳米级, 它也属于纳米薄膜材料。多层膜的主要参数为调制波长,指的是多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和。当调制波长比各层薄膜单晶的晶格常数大几倍或更大时,可称这种多层膜结构为超晶格薄膜。组成复合薄膜的纳米粒子可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子等材料，而复合薄膜的基体材料可以是不同于纳米粒子的任何材料。人们采用各种物理和化学方法先后制备了一系列金属/绝缘体、半导体/绝缘体、金属/半导体、金属/高分子、半导体/高分子等纳米复合薄膜。特别是硅系纳米复合薄膜材料得到了深入的研究，人们利用热蒸发、溅射、等离子体气相沉积等各种方法制备了Si/SiOx、Si/a-Si：H、Si/SiNx、Si/SiC等纳米镶嵌复合薄膜。尽管目前对其机制不十分清楚，却有大量实验现象发现在此类纳米复合薄膜中观察到了强的从红外到紫外的可见光发射。由于这一类薄膜稳定性大大高于多孔硅，工艺上又可与集成电路兼容，因而被期待作为新型的光电材料应用于大规模光电集成电路。

由于纳米薄膜的纳米相粒子的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效 应等使得它们的光学性能、电学性能、力学性能、催化性能、生物性能等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此，纳米薄膜在光电技术、生物技术、能源技术等各个领域都有广泛的应用前景。现以纳米薄膜材料在润滑方面的作用为例介绍它们的特性及其应用。

2.纳米薄膜的制备方法

纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法和化学方法两大类。粒子束溅射沉积和磁空溅射沉积,以及新近出现的低能团簇束沉积法都属于物理方法；化学气相沉积（VCD）、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法和电沉积法属于化学方法。2.1离子束溅射沉积

使用这种方法制备纳米薄膜是在多功能离子束辅助沉积装置上完成。该装置的本底真空度为 0.2MPa, 工作气压为 7MPa。沉积陶瓷材料可以通过使用3.2KeV/100mA 的 Ar+ 离子束溅射相应的靶材沉积得到, 而沉积聚四氟乙烯材料需要使用较小的束流和束压(15KeV/30mA)。沉积陶瓷材料时的速率为6nm/min, 沉积金属和聚四氟乙烯材料时的速率为 12nm/min。2.2磁控溅射沉积

磁控溅射沉积法制备薄膜材料是在磁控溅射仪上实现的, 其真空室中有三个阴极靶(一个直流阴极, 两个射频阴极), 三个阴极可分别控制。首先将溅射材料安装在射频阴极上, 通过基片架转动, 基片轮流在两个射频靶前接受溅射原子, 控制基片在各靶前的时间, 即可控制多层膜的调制波长。同时在真空室内通入一定压力的气体, 可以作为保护气氛, 或与溅射金属原子反应生成新的化合物, 沉积到基片上。此外在基片高速旋转的条件下, 还可制备近似均匀的复合薄膜。磁控溅射法具有镀膜速率易于控制, 稳定性好, 溅射材料不受限制等优点。2.3低能团簇束沉积法

低能团簇束沉积方法是新近出现的一种纳米薄膜制备技术。该技术首先将所沉积材料激发成原子状态, 以 Ar、He 作为载气使之形成团簇, 同时采用电子束使团簇离化, 利用质谱仪进行分离, 从而控制一定质量、一定能量的团簇沉积而形成薄膜。在这种条件下沉积的团簇在撞击表面时并不破碎, 而是近乎随机分布；当团簇的平均尺寸足够大, 则其扩展能力受到限制, 沉积薄膜的纳米结构对团簇尺寸具有很好的记忆特性。2.4电沉积法

电沉积法可以制得用喷射法不能制得的复杂形状,并且由于沉积温度较低, 可以使组分之间的扩散程度降到最低。匈牙利的Eniko TothKadar 利用交流脉冲电源在阴极镀制纳米晶 Ni膜, 试样制备与普通电镀相同, 电镀时电流保持不变, idep = 20Adm-2, 脉冲电流通电时间 ton ,断电时间 toff在 0.001,0.01,0.1, 1, 10s 之间变化。

此外用电沉积法在 AISI52100 钢基体上制得铜-镍多层膜, 试样预先淬硬到 HRC62 左右, 然后抛光清洗,进行电沉积, 镀铜时电压 u = 1600mV, i = 0.881mA cm-2 , 镀镍时电压 u = 600mA, i = 22.02mA cm-2。2.5胶体化学法

采用溶胶-凝胶法制备纳米薄膜,首先用化学试剂制备所需的均匀稳定水溶胶, 然后将溶胶滴到清洁的基体上,在匀胶机上匀胶, 或将溶胶表面的陈化膜转移到基体上, 再将薄膜放入烘箱内烘烤或在自然条件下干燥, 制得所需得薄膜。根据制备要求的不同, 配制不同的溶胶, 即可制得满足要求的薄膜。用溶胶-凝胶法制备了纳米微孔 SiO2薄膜和 SnO2纳米粒子膜。

此外,还有用这种方法制备 TiO2/SnO2 超颗粒及其复合 LB(Langmuir-Blodgett)膜、SiC/AIN 膜、ZnS/Si 膜、CuO/SiO2 膜的报道。2.6化学气相沉积法

在电容式耦合等离子体化学气相沉积(PCVD)系统上, 用高氢稀释硅烷和氮气为反应气氛制备纳米硅氮(Nc-SiNx:H)薄膜。其试验条件为: 电极间距 3.2cm,电极半径 5cm。典型的沉积条件为: 衬底温度 320℃, 反应室压力为 100Pa, 射频功率为70W SiH4/H2的气体流量比为 0.03, N2/SiH4的气体流量比为 1~10。

此外,还有用化学沉积法制备 Fe-P 膜, 射频溅射法制备 a-Fe/Nd2Fe4B 多层膜, 热化学气相法制备 SiC/Si3N4膜的报道。

3.纳米薄膜的应用领域

3.1纳米光学薄膜

利用纳米薄膜吸收光谱的蓝移与红移特性，人们已制造出了各种各样的紫外吸收薄膜和红外反射薄膜，并在日常生产、生活中取得应用。如在平板玻璃的两面镀制的Ti02纳米薄膜，在紫外线作用下，该薄膜可分解沉积在玻璃上的有机污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的有害细菌和病毒；在眼镜上镀制的TiO2 纳米粒子树脂膜或Fe2O3纳米微粒聚醇酸树脂膜，可吸收阳光辐射中的紫外线，保护人的视力；在灯泡罩内壁涂敷的纳米SiO2和纳米TiO2 微粒多层干涉膜，灯泡不仅透光率好，而且具有很强的红外线反射能力，可大大节约电能等。此外，利用Si纳米晶粒薄膜的紫外线光致发光特性，还可获得光致变色效应，从而产生新的防伪、识别手段。3.2纳米耐磨损膜与纳米润滑膜 在一些硬度高的耐磨涂层/薄膜中添入纳米相，可进一步提高涂层/薄膜的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。此外，一些表面涂层/薄膜中加入一些纳米颗粒，如C60 富勒烯、巴基管等还可达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料，甚至获得超润滑功能。事实上，在Ni等基体表面上沉积纳米Ni-La2O3 曲，薄膜后，除了可以增加基体的硬度和耐磨性外，材料的耐高温、抗氧化性也显著提高。3.3纳米磁性薄膜

经过纳米复合的涂层/薄膜具有优异的电磁性能。利用纳米粒子涂料形成的涂层/薄膜具有良好的吸波能力，可对飞行器、重型武器等装备起到隐身作用；纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加人到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能；纳米结构的Fe/Cr，Fe/Cu，Co/Cu等多层膜系统具有巨磁阻效应，可望作为应用于高密度存储系统中的读出磁头、磁敏传感器、磁敏开关等。3.4纳米气敏薄膜

由于气敏纳米膜吸附了某种气体以后会产生物理参数的变化，因此可用于制作探测气体的传感器。目前研究最多的纳米气敏薄膜是SnO2 超微粒膜，该膜比表而积大，且表面含有大量配位不饱和键，非常容易吸附各种气体在其表面进行反应，是制备气敏传感器的极佳功能材料。3.5纳米滤膜

纳米滤膜是一种新型的分离膜，可分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，它常常被用来在溶液中截留某些有机分子，而让溶液中的无机盐离子自由通过。目前商业化的纳米滤膜的材质多为聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纤维素等，这些纳米滤膜除了具有微筛孔外，滤膜上各基团往往还带有电荷，因此，还可以对某些多价的离子进行截留，而让其他离子通过滤膜。现在，纳米滤膜已经在石化、生化、食品、纺织以及水处理等方面得到广泛应用。

4.纳米薄膜的发展前景

纳米薄膜材料的研究是纳米科学技术领域的重要内容，在许多领域内都有着广泛的应用前景。世界上的发达国家都把纳米薄膜材料的研究列入国家发展规划中。我国对纳米薄膜材料的研究也非常重视，利用新的物理化学性质、新原理、新方法设计纳米结构性器件和纳米复合传统材料改性正孕育新的突破。相信纳米薄膜材料将会在未来给人们带来更多的惊喜。

参 考 文 献

[1]张立德.纳米材料研究的新进展及在 21 世纪的战略 地位, 中国粉体技术[J].2000, 6(1)：1~ 5 [2]高海永,庄惠照,薛成山,王书运,董志华,何建廷.竹叶状GaN纳米带的制备[J].电子元件与材料.2004(09)[3]Ji-Hyuk Choi,Moon-Ho Ham,Woong Lee,Jae-Min Myoung.Fabrication and characterization of GaN/amorphous Ga2O3 nanocables through thermal oxidation Solid.State.Commun.2007 [4]王非.GaN纳米线和薄膜的制备及其特性研究[D].太原理工大学 2007 [5]李鹏.纳米薄膜材料制备工艺研究[D].重庆大学 2004 [6]曹铖.聚苯乙烯纳米薄膜的制备与表征[D].天津大学 2010 [7]唐一科,许静,韦立凡.纳米材料制备方法的研究现状与发展趋势[J].重庆大学学报(自然科学版).2005(01)

第三篇：纳米薄膜材料的制备方法

纳米薄膜材料的制备方法

摘 要 纳米薄膜材料是一种新型材料,由于其特殊的结构特点,使其作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文综述了近几年来国内外对纳米薄膜材料研究的最新进展,包括对该类材料的制备方法、微结构、电、磁、光特性以及力学性能的最新研究成果。

关键词

纳米薄膜;薄膜制备;微结构;性能 世纪,由于信息、生物技术、能源、环境、国防 等工业的快速发展, 对材料性能提出更新更高的要求,元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小,航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此, 新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础,其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能, 以及由此产生的特殊的应用价值, 必将使其成为科学研究的热点[1]。

事实上, 纳米材料并非新奇之物, 早在 1000 多年以前, 我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料, 可能就是最早的纳米颗粒材料;我国古代铜镜表面的防锈层, 经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜,这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识的开展纳米材料的研究开始于大约 50 年代,西德的 Kanzig 观察到了 BaTiO3 中的极性微区,尺寸在10~ 100纳米之间。苏联的 G.A.Smolensky假设复合钙钛矿铁电体中的介电弥散是由于存Kanzig微区导致成分布不均匀引起的。60 年代日本的 Ryogo Kubo在金属超微粒子理论中发现由于金属粒子的电子能级不连续,在低温下, 即当费米 能级附近的平均能级间隔 > kT 时, 金属粒子显示出与块状物质不同的热性质[ 4]。西德的 H.Gleiter 对纳米固体的制备、结构和性能进行了细致地研究[ 5]。随着技术水平的不断提高和分析测试技术手段的不断进步, 人类逐渐研制出了纳米碳管, 纳米颗粒,纳米晶体, 纳米薄膜等新材料, 这些纳米材料有一般的晶体和非晶体材料不具备的优良特性, 它的出现使凝聚态物理理论面临新的挑战。80 年代末有人利用粒度为 1~ 15nm 的超微颗粒制造了纳米级固体材料。纳米材料由于其体积和单位质量的表面积与固体材料的差别,达到一定的极限, 使颗粒呈现出特殊的表面效应和体积效应,这些因素都决定着颗粒的最终的物理化学性能,如随着比表面积的显著增大,会使纳米粒子的表面极其活泼,呈现出不稳定状态,当其暴露于空气中时,瞬间就被氧化。此外, 纳米粒子还会出现特殊的电、光、磁学性能和超常的力学性能。

纳米薄膜的分类

纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质, 目前可以 分为两类:(1)含有纳米颗粒与原子团簇

基质薄 膜;(2)纳米尺寸厚度的薄膜, 其厚度接近电子自由 程和 Denye 长度, 可以利用其显著的量子特性和统 计特性组装成新型功能器件。例如, 镶嵌有原子团 的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应, 该结 构相当于大原子超原子膜材料具有三维特征;纳米厚度的信息存贮薄膜具有超高密度功能, 这类 集成器件具有惊人的信息处理能力;纳米磁性多层 膜具有典型的周期性调制结构, 导致磁性材料的饱 和磁化强度的减小或增强。对这 些问题的系统研究 具有重要的理论和应用意义。

纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料, 按用途可以分为两大类,即纳米功能薄膜和纳米结 构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性,通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合, 提 高材料在机械方面的性能。由于纳米粒子的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对复合薄膜的特性 有显著影响, 因此可以在较多自由度的情况人为地 控制纳米复合薄膜的特性, 获得满足需要的材料。纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉 积而形成的组分或结构交替变化的合金薄膜材料, 且各层金属或合金厚度均为纳米级, 它也属于纳米 复合薄膜材料。多层膜的主要参数为调制波长, 指的是多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和。当调制波长

比各层薄膜单晶的晶格常数大几倍 或更大时, 可称这种多层膜结构为 超晶格 薄膜。组成薄膜的纳米材料可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子等材料, 因此可以有许多种组合方式, 如 金属半导体、金属绝缘体、半导体绝缘体、半导体 高分子材料等, 而每一种组合都可衍生出众多类型 的复合薄膜。

纳米薄膜的制备方法

纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法和 化学方法两大类。粒子束溅射沉积和磁空溅射沉 积,以及新近出现的低能团簇束沉积法都属于物理 方法;化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶(Sol Gel)法 和电沉积法属于化学方法。1 离子束溅射沉积

使用这种方法制备纳米薄膜是在多功能离子束 辅助沉积装置上 完成。该装置 的本底真空度 为 0 2MPa, 工作气压为 7MPa。沉积陶瓷材料可以通过 使用 3 2KeV 100mA 的 Ar + 离子束溅射相应的靶材 沉积得到, 而沉积聚四氟乙烯材料需要使用较小的 束流和束压(1 5KeV 30mA)。沉积陶瓷材料时的速 率为 6nm min, 沉积金属和聚四氟乙烯材料时的速率 为 12nm min[ 7]。磁控溅射沉积

磁控溅射沉积法制备薄膜材料是在磁控溅射仪 上实现的, 其真空室中有三个阴极靶(一个直流阴 极, 两个射频阴极), 三个阴极可分别控制。首先将 溅射材料安装在射频阴极上, 通过基片架转动,基片 轮流在两个射频靶前接受溅射原子, 控制基片在各 靶前的时间, 即可控制多层膜的调制波长。同时在 真空室内通入一定压力的气体, 可以作为保护气氛, 或与溅射金属原子反应生成新的化合物,沉积到基 片上[ 8-10]。此外在基片高速旋转的条件下, 还可制备近似均匀的复合薄膜[11]。磁控溅射法具有镀膜 速率易于控制, 稳定性好, 溅射材料不受限制等优 点。低能团簇束沉积法

低能团簇束沉积方法是新近出现的一种纳米薄 膜制备技术。该技术首先将所沉积材料激发成原子 状态,以 Ar、He作为载气使之形成团簇, 同时采用电 子束使团簇离化,利用质谱仪进行分离, 从而控制一 定质量、一定能量的团簇沉积而形成薄膜。在这种 条件下沉 积的团簇在撞击表面时并不破碎, 而是近乎随机分布;当团簇的平均尺寸足够大, 则其扩展能 力受到限制,沉积薄膜的纳米结构对团簇尺寸具有 很好的记忆特性[12]。电沉积法

电沉积法可以制得用喷射法不能制得的复杂形 状,并且由于沉积温度较低, 可以使组分之间的扩散 程度降到最低[13]。匈牙利的 Eniko TothKadar 利用交流脉冲电源在 阴极镀制纳米晶 Ni 膜, 试样制备与普通电镀相同, 电镀时电流保持不变, idep = 20A dm-2 , 脉冲电流通 电时间 t on ,断电时间 to f f 在 0 001, 0 01, 0 1, 1, 10s 之 间变化[14]。此外用电沉积法在 AISI52100 钢基体上制得铜-镍多层膜, 试样预先淬硬到 HRC62 左右, 然后抛 光清洗, 进行电沉积, 镀铜时电压 u = 1600mV, i = 0 881mA cm-2 , 镀镍时电压 u = 600mA, i = 22 02mA cm-2[15]。胶体化学法

采用溶胶-凝胶法制备纳米薄膜,首先用化学 试剂制备所需的均匀稳定水溶胶, 然后将溶胶滴到 清洁的基体上,在匀胶机上匀胶, 或将溶胶表面的陈 化膜转移到基体上, 再将薄膜放入烘箱内烘烤或在 自然条件下干燥, 制得所需得薄膜。根据制备要求 的不同, 配制不同的溶胶, 即可制得满足要求的薄 膜。用溶胶-凝胶法制备了纳米微孔 SiO2 薄膜[16] 和SnO2 纳米粒子膜[17]。此外, 还有用这种方法制 备 化学气相沉积法 在电容式耦合等离子体化学气相沉积(PCVD)系统上, 用高氢稀释硅烷和氮气为反应气氛制备纳 米硅氮(Nc SiNx :H)薄膜。其试验条件为: 电极间距 3 2cm,电极半径 5cm。典型的沉积条件为: 衬底温 度 320 , 反应室压力为 100Pa, 射频功率为 70W SiH4 H2 的气体流量比为 0 03, N2 SiH4 的气体流量 比为 1~ 10[19]。此外,还有用化学沉积法制备 Fe P 膜[20] , 射频 溅射法制备 a Fe Nd2 Fe4 B 多层膜[21] , 热化学气相法 制备 SiC Si N 膜的报道。

纳米粒子膜的结构

中科院长春化学研究所研究了用胶体化学法制 备的 SnO2 纳米粒子膜的结构, 然后将胶体表面的陈 化膜转移出来, 发现新鲜的膜体表面均匀,但经过一 段时间以后, 出现小的胶体粒子畴, 并逐渐增多变 大。随着时间的增加, 畴间距缩小,形成大块膜。薄 膜的致密程度以及晶型与转移膜的悬挂状态和干燥 时间有一定的联系[ 17]。

纳米多层膜的结构

纳米多层膜中各成分都有接近化学计量比的成 分构成, 从 X 射线衍射谱中可以看出, 所有金属相 及大多数陶瓷相都为多晶结构, 并且谱峰有一定程 度的宽化, 表明晶粒是相当细小的,粗略的估算在纳 米数量级, 与子层的厚度相当。部分相呈非晶结构, 但在非晶基础上也有局部的晶化特征出现。通过观察, 可以看到多层膜的多层结构,一般多 层膜的结构界面平直清晰, 看不到明显的界面非晶 层, 也没有明显的成分混合区存在。此外, 美国伊利诺斯大学的科研人员成功地合 成了以蘑菇形状的高分子聚集体微结构单元, 在自 组 装成纳米结构的超分子多层膜[ 22]。

力学性能

纳米薄膜由于其组成的特殊性, 因此其性能也 有一些不同于常规材料的特殊性, 尤其是超模量、超 硬度效应成为近年来薄膜研究的热点。对于这些特 殊现象在材料学理论范围内提出了一些比较合理的 解释。其中有 Koehler 早期提出的高强度固体的设 计理论[23] , 以及后来的量子电子效应、界面应变效 应、界面应力效应[24, 25] 等都不同程度的解释了一些 实验现象。现在就纳米薄膜材料的力学性能研究较 多的有多层膜硬度、韧性、耐磨性等。

硬度 纳米多层膜的硬度与材料系统的组 分,各组分的相对含量, 薄膜的调制波长有着密切的 关系。纳米多层膜的硬度对于材料系统的成分有比较 强烈的依赖性,在某些系统中出现了超硬度效应, 如 在TiN Pt 和Ti C Fe中,尤其是在TiC Fe 系统中,当单 层膜厚分别为 tTiC = 8nm 和 tFe= 6nm 时,多层膜的硬 度可达到 42GPa,远远超过其硬质成分 TiC 的硬度;而在某些系统中则没有这一现象出现, 如在 TiC Cu 和TiC Al 中,并且十分明显的是在不同的材料系统 中,其硬度值有很大的差异, 如TiC 聚四氟乙烯的硬 度比TiC 低很多, 大约只有 8GPa左右[7]。影响材料硬度另一个因素是组分材料的相对含 量。机械性能较好的薄膜材料一般由硬质相(如陶 瓷材料)和韧性相(如金属材料)共同构成。因此如 果不考虑纳米效应的影响,如果硬质相含量较高, 则 薄膜材料的硬度较高, 并且与相同材料组成的近似 混合薄膜相比,硬度均有所提高。对于纳米多层膜的强化机理, 多数观 点认为其 硬度值与调制波长的关系近似的遵循 Hall Petch 关系式[26] : = 0 +(a0)n(2)式中

为多层膜的调制波长。按照该关系式, 硬度 值随调制波长的增大而减小。根据位错机制, 材 料的硬度随晶粒度的减小而增大。在纳米多层膜 中,界面的含量是相当高的, 而界面对位错移动等材 料变形机制有着直接影响, 可以将层间界面的作用 类似于晶界的作用, 因此多层膜的硬度随调制波长的减小而增大。实验中观察到在TiC Cu、TiC AIN 等系统中硬度值随调制波长的变化类似遵循 Hall Petch关系式[ 27] , 但是在 SiC W[ 11]、TiN Pt [ 7] 中的 情况要复杂一些,硬度与调制波长的关系并非单 调地上升或下降,而是在某一调制波长

存在一个 硬度最高值。

韧性 多层膜结构可以提高材料的韧性, 其 增韧机制主要是裂纹尖端钝化、裂纹分支、层片拔 出、以及沿界面的界面开裂等, 在纳米多层膜中也存 在类似的增韧机制。影响韧性的因素有组分材料的相对含量及调制 波长。在金属陶瓷组成的多层膜中, 可以把金属作 为韧性相,陶瓷为脆性相, 实验中发现在TiC Fe、TiC Al、TiC W 多层膜系[7] 中, 当金属含量较低时, 韧性 基本上随金属相的增加而上升, 但是在上升到一定 程度时反而下降。对于这种现象可以用界面作用和单层材料的塑 性加以粗略的解释。当调制波长

不是很小时, 多 层膜中的子层材料基本保持其本征的材料特点, 金 属层仍然具有较好的塑性变形能力, 减小调制波长

相当于增加界面含量,有助于裂纹分支的扩展, 增 加材料的韧性。当调制波长

很小时,子层材料的 结构可能会发生一些变化, 金属层的塑性降低,同时 由于子 层的厚度太薄, 材料的成分变化梯度减小, 裂 纹穿越不同叠层时很难发生转移和分裂,因上韧性 反而降低。4 1 3 耐磨性 对于纳米薄膜的耐磨性, 现在进行 的研究还较少, 但是从现有的研究看来,合理的搭配 材料可以获得较好的耐磨性。如在 52100 轴承钢基 体上沉积不同调制波长的铜膜和镍膜[15] , 实验证明 多层膜的调制波长越小, 使其磨损明显变大的临界 载荷越大, 即铜-镍多层膜的调制波长越小,其磨损 抗力越大。对于这种现象没有确切的理论解释, 可以用晶 粒内部、晶粒界面和纳米多膜的邻层界面上的位错 滑移障碍比传统材料的多, 滑移阻力比传统材料的 大来解释。从结构上看, 多层膜的晶粒小,原子排列的晶格 缺陷的可能性大, 晶粒内的晶格点阵畸变和晶格缺 陷的增多, 使晶粒内部的位错滑移障碍增加;晶界长 度也比传统晶粒的晶界长的多, 使晶界上的位错滑 移障碍增加;此外, 多层膜相邻界面结构也非常复 杂, 不同材料的位错能的差异,导致界面上的位错滑 移阻力增大。因此使纳米多层膜发生塑性变形的流 变应力增加, 并且这种作用随着调制波长的减小而 增强。

纳米薄膜在许多领域内都有着广泛的应用前 景。利用新的物理化学性质、新原理、新方法设计纳 米结构性器件和纳米复合传统材料改性正孕育着新 的突破。功能性的薄膜材料一直是人们研究的热 点,例如 H.Matsuda等人制备的 Fe P 纳米薄膜具有 优良的磁性能[ 20];纳米硅薄膜(nc Si: H)是一种新型 低维人工半导体材料[34];Eniko TothKadar 等人用脉 冲电沉积法制备的 Ni 纳米晶薄膜,具有良好的电传 导性[14];杨仕清等人研究了纳米双相交换耦合多层膜 a Fe Nd2 Fe4 B永磁体的磁性能[21];利用巨磁电阻 效应制成的读出磁头可显著提高磁盘的存储密度;利用巨磁电阻效应制作磁阻式传感器可大大提高灵 敏度。

参 考 文 献

1.张立德.纳米材料研究的新进展及在 21 世纪的战略 地位, 中国粉体技术[ J].2000, 6(1): 1~ 5 2.李戈扬, 施晓蓉, 张流强, 等.TiN AIN纳米多层膜的 制备及力学性能.[ J].上海交通大学学报, 1999, 33(2): 159 3.纳米薄膜材料的研究进展 邱成军1, 2 , 曹茂盛2, 3 , 朱 静3 , 杨慧静2(1 黑龙江大学电子工程学院;2 哈尔滨工程大学材料系)

第四篇：纳米隐身材料概述

纳米隐身材料概述

摘要：本文主要在前人论述总结的基础上对当前纳米隐身材料的原理、研究的现状（进展）、存在的问题、发展趋势和自己的一点个人看法做一个大概的简单的概述。关键词：纳米

隐身材料

所谓纳米材料是指晶粒直径小于100纳米、包含多个原子簇的超细材料。在这种材料状态下，材料的力学性能、光学性能、化学性能、磁性能及电学性能发生了与传统材料不相同的变化。隐身材料是指以磁性纳米材料或结构为主体构成的一种复合隐身材料。

【1】

纳米

在信息化条件下，军事高科技的发展受到各国的重视，作为军事高科技的重要成员和基础，军用材料的发展历来很受重视。现代战争中，先进侦察系统和精确打击系统在实际作战中对军事装备及设施的威胁越来越大，隐身技术的应用能够显著提高武器装备的生存、突防和纵深打击能力，因此隐身技术成为世界各军事强国研究的热点之一。一．隐身原理

⒈简单来说，金属粉体（如Fe、Ni等）随着颗粒尺寸的减小，特别是达到纳米级后，电导率很低，材料的比饱和磁化强度下降，但磁化率和矫顽力急剧上升。其在细化过程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，因此在一定波段电磁波的辐射下，原子、电子运动加剧，促进磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了材料的吸波性能。2从而反射

【】除去的波就少，不容易被对方雷达探测到，从而起到隐身效果。一般认为，其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应来决定。

⒉纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。但目前对其结构的研究并没有得出确切结论，一般认为，在纳米Si/C/N粉体中固溶了N，存在Si（N）C固溶体，而这些判断也得到了实验的证实。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的SiC晶格中，每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连接，同样每个硅原子也与周围的四个碳原子形成共价键。当N原子取代C原子进入SiC后，由于N只有三价，只能与三个Si原子成键，而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子。由于原子的热运动，这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动，从一个Si原子上跳跃到另一个Si原子上。在跳跃过程中要克服一定势垒，但不能脱离这四个Si原子组成的小区域，因此，这个电子可以称为“准自由电子”。在电磁场中，此“准自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化，导致电子位移。电子位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因。带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置，相当于电矩的转向过程，在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化驰豫。二．研究现状【4.5.6.7.8.9】

公开资料显示目前国内外研究的纳米雷达波吸收剂主要有如下几种类型:纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米SiC吸收剂、纳米铁氧体吸收剂、纳米石墨吸收剂、纳米Si/C/N 和Si/C/N/O 吸收剂、纳米金属膜/绝缘介质膜吸收剂、纳米导电聚合物吸收剂、纳米氮化物吸收剂【3】等

国内关于纳米吸收剂的研究具有代表性的是成都电子科技大学的纳米针形磁性金属粉、多层纳米膜复合吸收剂,青岛化工学院的手征和纳米磁性金属离子的复合吸收剂以及哈尔滨工业大学的纳米亚单畴氮化铁固体超顺磁体复合吸收剂。

成都电子科技大学以液相法合成出铁基纳米针形粉,并对影响其电磁参数的诸多因素进行了研究,这种纳米铁基金属粉密度低、质量轻,通过成分变化,可以有效控制其频率特性,有利展宽吸收频带。在此基础上,他们又对轻质多层膜复合材料进行了研究,利用化学成膜技术在中空玻璃球表面生成均匀、致密的金属镀层从而制备出了轻质颗粒膜复合吸收剂,这种吸收剂具有密度小,能充分发挥单位质量损耗层作用的显著特点,并且可以通过控制镀膜工艺和损耗层成分的方法达到有效调节镀膜颗粒复合材料的电导率、比饱和磁化强度进而调节其电磁参数,是一种轻质复合吸收剂。

青岛化工学院纳米材料研究所用纳米金属作催化剂通过聚合反应制备出导电螺旋手征吸收剂,这是一种集纳米材料、导电高聚物与螺旋手征于一体的新型轻质、宽频吸收剂。由于螺旋的作用,这种吸收剂对吸波涂层具有增强作用,具有工艺性能好、使用方便等优点。

哈尔滨工业大学制出了具有纳米粒度的单畴氮化铁固体超顺磁体并对超顺磁体的研制工艺也进行了探索性研究,建立了工艺研究设备。纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度,而且有很高的饱和磁流密度,因此纳米粒度的氮化铁超顺磁体吸收剂具有较高的磁导率。此外，纳米氮化硅是另一种常见的纳米氮化物吸收剂,纳米氮化硅中大量悬挂键的存在形成电偶极矩,使其界面发生极化从而使纳米氮化硅产生强的介电损耗，具有良好的吸波性能。

国外方面，美、法、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。日本用二氧化碳激光法研制出一种在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的硅/ 碳/ 氮和硅/ 碳/ 氮/

氧复合吸收剂。其吸波机理为:通过碳化硅、氮化硅和自由碳等对雷达波进行吸收和衰减,利用氮化硅的含量调节整体电阻率。法国研制成功的钴镍纳米材料与绝缘层构成的复合结构,由粘结剂和纳米级微屑填充材料组成,其结构具有很好的磁导率,与粘合剂复合涂层具有良好的吸波性能。纳米薄膜或纳米多层膜材料具有优异的电磁性能。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料,对雷达波的吸收率大于99 %,这种“超黑粉”纳米吸波材料不仅吸收率大,而且在低温下仍保持很好的韧性。

【6】

对纳米隐身材料的最新研究主要集中在复合材料方面，运用复合技术对电损耗型与磁损耗隐身材料进行纳米尺度上的复合便可得到吸波性能大为提高的纳米复合隐身材料。综合了纳米材料和复合材料的优点而具有良好的吸收特性。其制备方法现罗列如下：

1.溶胶-凝胶法：将金属有机物或无机化合物经溶液制得溶胶，溶胶在一定条件下（如加热）脱水时，具有流动性的溶胶逐渐变粘稠，成为略显弹性的固体凝胶，再将凝胶干燥、焙烧得到纳米级产物。烧结的方式和温度随物料的不同也有差异，近年来有用微波加热代替常规加热的，也有用射线照射得到产物的。该方法能够制备多孔连接的纳米材料。产生溶胶-凝胶的机制主要有：①传统胶体型：通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀，得到均匀稳定的溶胶，再经过蒸发溶胶（脱水）得到凝胶。②无机聚合物型：通过可溶性聚合物在水或有机相中溶胶-凝胶法过程，使金属离子均匀的分散在凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸、聚丙烯酰胺。③络合物型：利用络合剂（如柠檬酸）将金属离子形成络合物，再经过溶胶-凝胶法过程形成络合物凝胶。此方法有反应烧结温度低，径粒分布均匀等优点。

2.惰性气体冷凝法：是制备清洁界面纳米粉的主要方法之一。将装有待蒸发物质的容器抽至10pa高真空后，充入惰性气体，然后再加热蒸发，使物质蒸发成雾状原子，随惰性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度离子刮下，收集即得纳米粉末。如采用多个蒸发源，可同时得到复合粉体和化合物分体，颗粒尺寸可通过蒸发速率和凝聚气的气压来调控。

⒊此外有以在材料合成过程中于基体中产生弥散相与母体有良好的相容性、无重复污染为特点的原位复合技术；以自放热、自洁净、高活性和亚稳结构为特点的子蔓延复合技术；分子自组装技术；超分子符合技术等。另外，研究中还存在一些问题，主要有： ⒈对材料的隐身原理的研究还不是很成熟；

⒉用溶胶-凝胶法制备时存在反应过程过长，凝胶易开裂；

属于我国最尖端武器序列。另一方面，科学研究成果的应用，能更好地服务于民众，更好地促进国民经济的发展，在国际竞争中保持优势地位，能有效避免高昂的专利费流入他国。

对发展纳米隐身材料的建议：我国纳米产业化的道路还十分漫长。在科学发现方面我们和美、日、德等国家没什么大的差距，有些地方还超过了他们，但向工业化生产过程中，我国尚处于落后地位。因此我们必须大力做好纳米科技成果转化为生产力的工作。国内企业大多是生产型的，缺乏自主创新的能力，另一方面，我国的科研机构，有时缺乏从实验室小试成果转化到实施大量产业化的意识，或者能力还达不到。研究机构和企业不能很好的衔接，使得我国纳米材料产业的发展严重滞后。因此科研机构应多从实际应用的角度考虑，加强和企业的联系，以使成果较好最快的应用于实际。

参考文献：

【1】陈石卿.纳米隐身材料.航空工程与维修.中国航空工业第一集团公司第六二八研究所.2000.5总第197期第二页

【2】张振英.孙红彦.夏敏.柴娟.兵器用纳米隐身材料技术的研究.特种化工材料技术研讨会论文集.第一页

【3】王智勇, 刘俊能.航空材料学报,1996 【4】赵慕愚等.对于发展具有高新性能的纳米晶材料的战略设想 【5】张桂林.高技术通讯, 1993 【6】张卫东.吴伶芝.冯小云.刘剑锋.孟秀兰.纳米雷达隐身材料研究进展.2001年第3期 【7】王涛.张立德.纳米非晶氮化硅的界面极化行为及其机制.科学通报.1994 【8】朱以华等.Si2N4超微粒子的RF2CVD 合成及其介电性质.硅酸盐学报.1996 【9】钱海霞.熊惟皓.纳米隐身材料最新研究进展.宇航材料工艺.2002年第二期.第8-11页 【10】黄婉霞,毛建,吴行等.铁磁性Mn－Zn、Ni－Zn铁氧体与铁电性BaTiO3吸收电磁波能力研究.四川联合大学学报(工程科学版),1998

第五篇：二维纳米光子学材料研究获重要突破

二维纳米光子学材料研究获重要突破

近日，中科院上海光机所研究员王俊与张龙、赵全忠以及上海光机所中科院外国专家特聘研究员Werner Blau等人合作，首次报道了二维层状MoS2纳米材料在近红外波段的优异超快饱和吸收性能。相关研究成果日前发表于《美国化学学会—纳米》。

据介绍，过渡金属硫化物二维纳米材料，如MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2等受到了学界的高度重视，许多独特的光电性质在该材料由体材料降解到二维单分子层后体现出来，该类材料已成为新一代高性能纳米光电器件国际前沿研究的核心材料之一。然而，针对这类宽禁带直接带隙半导体二维纳米片的超快非线性光学性质及相应光子器件的研究还鲜有报道。

上述研究小组利用液相剥离技术成功制备出高品质MoS2纳米片分散液。透射电子显微镜、可见—红外吸收光谱、拉曼光谱、原子力显微镜研究表明，分散液中存在大量高品质MoS2纳米片层。超快非线性光学实验证实MoS2纳米片对100fs、800nm近红外激光脉冲具有比石墨烯更加优异的饱和吸收响应。

业内专家表示，这些结果预示着以MoS2为代表的过渡金属硫化物二维纳米半导体材料在超短脉冲锁模器、激光防护光限幅器以及光开关等光子学器件开发方面的巨大潜力。（来源：中国科学报）

石墨烯电池，利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。

1发明历程

不久前，美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。

目前，作为导电性、机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金，超过2000元/克。新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

2石墨烯电池利用环境热量自行充电的试验

这是一个有趣的创意，用于制作电池。水溶液中离子的热运动是巨大的，室温下达每秒几百米。但很少有人研究这一过程，也没有人研究它可能产生电流。进行这一研究的徐子涵(Zihan Xu)是香港理工大学(Hong Kong Polytechnic University)的，他和几个同伴不仅研究这个过程，而且似乎也掌握了。

石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中，时间(小时、天数)和产生电压的关系。这些人已经制成电路，其中包含LED，用电线连接到带状石墨烯。他们只是把石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶液中，进行观察。果然，LED灯亮了。实际上，他们需要6个石墨烯电路，形成串联，这样就可产生所需的2V，使LED灯发亮。

徐子涵和同事说，这里发生情况就是这样。铜离子具有双重正电荷，穿过溶液的速度约每秒300米，这是因为溶液在室温下的热能量。当离子猛烈撞入石墨烯带时，碰撞会产生足够的能量，使不在原位的电子离开石墨烯。这些电子有两种选择：可以离开石墨烯带，和铜离子结合，也可以穿过石墨烯，进入电路。

原来，流动的电子在石墨烯中更快，超过它穿过溶液的速度，所以电子自然会选择路径，穿过电路。正是这一点点亮了LED灯“释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面，而不是进入电解液。我们的设备就是这样产生电压的，”徐子涵说。

因此，这个装置产生的能量来自周围环境的热量。这些人说，他们可以提高电流，只需加热溶液，也可用超声波加快铜离子。他们甚至声称，只依靠周围热量，就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天。但是，还有一个重要的问号。另一个假设是某种化学反应产生电流，就像普通的电池。

然而，徐子涵和同事说，他们排除了这一点，因为进行了几组控制实验。然而，这些是在一些补充材料中介绍的，他们似乎并没有放在arXiv网站上。他们需要公开这些，要赶在别人做出严肃声明之前。从表面价值来看，这看起来是一项非常重要的成果。其他人也在石墨烯中产生过电流，但只是让水流过它，所以这并不真的使人吃惊，移动的离子也可以产生这样的效果。这预示着清洁的绿色电池，只依靠环境热量驱动。徐子涵和同事说：“这代表着一个巨大的突破，研究的是自驱动技术”。

我们希望他们是正确的。但至少在目前，人们还仍然无法下结论。3石墨烯市场 小电容带来大市场

由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”

最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。

石墨烯电池

微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。目前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。而现在只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。

石墨烯应用三大领域

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。在今年的消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片，这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信大规模商用指日可待。

另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

石墨烯在各国发展现状

正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI)，力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

图为中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。

随着研究的不断深入，技术难题的接连攻克，应用范围也在不断拓宽，相信石墨烯器件时代已为期不远，现在也可以期待一下这一“21世纪的神奇材料”会带来怎样的惊喜。【转】