《《納米表面工程的》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《納米表面工程的》PPT課件.ppt（43頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、納米表面工程的 基本問題及其進(jìn)展 Fundament and Progress of Nano-surface Technology,余 志 明,中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 功能薄膜材料研究室,納米表面工程產(chǎn)生的背景,納米表面工程的最新進(jìn)展,納米表面工程中的科學(xué)問題,主要內(nèi)容,納米表面工程的內(nèi)涵和特點,表面工程是將材料的表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，利用各種表面技術(shù)，使材料的表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。,什么是表面工程,,,,,表面 工程,一、 納米表面工程產(chǎn)生的背景,隨著納米科技的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計、制造日益增多，制造技術(shù)以由亞微米層次進(jìn)入到原子、分子級的納米
2、層次。納米機(jī)器人、納米鉗、納米電機(jī)、，此類機(jī)電系統(tǒng)涉及到大量的表面科學(xué)表面技術(shù)問題，且隨著尺寸減小和表面效應(yīng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的的表面設(shè)計和加工方法以不再適應(yīng)。,要求材料在特殊情況，如超高溫/低溫、超高壓、高真空、強(qiáng)氧化還原或腐蝕環(huán)境以及存在輻射、聲吸收、信號屏蔽、承受點載荷等條件下服役的情況越來越多，由于納米材料在力、電、聲、光、熱、磁方面表現(xiàn)出與宏觀材料不同的特性。因此傳統(tǒng)材料表面納米化顯得特別重要。,二、 納米表面工程的內(nèi)涵和特點,表面含有納米顆粒與原子團(tuán)族: 2D + 0D-n,納米量級厚度的薄膜: 2D-n,什么是“納米表面”,表面含有納米碳管: 2D + 1D-n,復(fù)合納米表面: (2D
3、 + 0D-n)n, 2D-n + 1D-n, ,納米表面工程是通過特定的加工技術(shù)賦予材料以納米表面、使表面納米結(jié)構(gòu)化，從而使材料的表面得以強(qiáng)化、改性或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。產(chǎn)生機(jī)敏表面、納米智能表面和表面納米器件。 （潛艇蒙皮、坦克外殼） 與傳統(tǒng)的表面工程相比，其特點是：取決于基體性能的因素被弱化，表面處理、改性和功能化的自由度擴(kuò)大，表面加工技術(shù)的作用更加突出，產(chǎn)品的附加值更高。,三、 納米表面工程的最新進(jìn)展,表面納米超薄膜,納米涂、鍍層,表面超微圖形,超光滑表面,表面納米化,1. 納米單層膜,2. 納米多層疊膜,3. 有序分子膜,3-1 表面納米超薄膜,零磨損、超滑：DLC、Ni-
4、P非晶膜、a-C、LB潤滑膜； 功能膜：光-電、壓-電、磁性膜、IC chips、.。,InGaAs-InAlAs多層膜有準(zhǔn)三維向準(zhǔn)二維轉(zhuǎn)變中的線性吸收譜圖。圖中曲線上所標(biāo)數(shù)字為InGaAs膜的厚度。,納米單層膜,納米固體薄膜制備技術(shù),直流濺射,射頻濺射,磁控濺射,離子束濺射,真空 蒸發(fā),濺射 沉積,離子鍍,物理氣相沉積 （PVD）,化學(xué)氣相沉積 （CVD）,分子束外延 （MBE）,氣相沉積,電 鍍 法,溶膠-凝膠法,電阻加熱,感應(yīng)加熱,電子束加熱,激光加熱,直流二極型離子鍍,射頻放電離子鍍,等離子體離子鍍,HFCVD,PECVD,LECVD,DC,RF,MW,ECR,熱壁,冷壁,Films
5、of 2D-n single layer,Ti(N, C, CN),(V, Al, Nb)N,Ni-Cu alloys,Al2O3, SiC,Cu, Ni, Al, Ag, Au, Diam., DLC,b-C3N4: E = 349 GPa,,,DLC coated a magnetic thin-film disk,,,The surface of stretched (12%) video tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm.,The surface of stretched (12%) video tape without DLC
6、-layer.,納米多層疊膜,疊層膜是廣義上的金屬超晶格，表現(xiàn)出不同于各組元也不同于均勻混合態(tài)薄膜的異常力學(xué)、電、光、磁等性能。在表面強(qiáng)化、功能化及超精度加工等領(lǐng)域具有極大的潛力。,Cu/Ni, Cu/Pd, Cu/Al, Ni/Mo, TiN/VN, TiC/W, TiN/AlN, ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO, .,,YSZ (yttrium-stabilized ZrO2) bicrystal ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO internal films.V. Roddatis, Journal of Crystal Growth 220 (2000) 515-521.
7、,The solid-phase intergrowth (SPI) process,,HREM image of ZnO/YSZ interface along 1 -1 0 YSZ (a) and 0 0 1YSZ (b). Moir fringes are visible at the boundary between ZnO grains. Stacking faults are indicated with arrows. Doubling in YSZ lattice is shown with white arrowheads. A and B areas show normal
8、 and oxygen deficient ZnO, respectively. An intermediate layer is visible at the interface.,YSZ yttrium-stabilized ZrO2,1 -1 0,0 0 1,1-10,110,110,001,,,？,？,Schematic diagram of a new triode structure of FED with carbon nanotube emitters. Diamond and Related Materials 10 (2001) 1705.,復(fù)合納米表面器件,有序分子膜,L
9、B膜（Langmuir-Blodgett）,SA膜（self-assembled mono- or multi-layer）,MD膜（molecular deposition film）,通過固液界面具有反應(yīng)活性的不同頭尾基的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，在基片上形成化學(xué)鍵連接、緊密排列的有序單層或多層膜。 “分子篩”: 空隙只允許一定尺寸的分子通過。用作化學(xué)傳感器，其靈敏度比普通材料高500倍。 納米智能薄膜: 空隙可隨條件的變化或根據(jù)靠近的分子特征而開閉。,利用陰陽離子間的靜電相互作用力，通過相反離子體系的交替分子沉積制備而成的層狀有序超薄膜。,將氣液界面上的單分子層的膜通過物理機(jī)械過程轉(zhuǎn)移到固體基
10、片上。,,,3-2 納米涂、鍍層,1）熱噴涂法制備納米結(jié)構(gòu)涂層 （Nano-structure Coating, NC）,2）電沉積法直接制備NC,3）超聲波法組裝NC,液相分散噴霧合成法,1）熱噴涂法制備NC,納米粒子（0D-n）：質(zhì)量太小，不能直接噴涂； 噴涂過程中被燒結(jié)。,液相分散噴霧合成法，原位生成噴霧合成法，機(jī)械研磨合成法。,納米結(jié)構(gòu)喂料 ( Nanostrucyured Feedstock, NF ),,1-1 納米結(jié)構(gòu)喂料的制備,原位生成噴霧合成法,按液相合成法在液相中先生成納米粒子，通過過濾、滲透、反滲透及超離心等手段除出納米粒子以外的組分，再加入液相介質(zhì)何
11、其它組分，用液相噴霧分散法獲得NF。,通過機(jī)械研磨、機(jī)械合金、高能球磨等方法直接將微米粉或非晶金屬箔加工成NF。具體為：在干燥的高真空料機(jī)內(nèi)通入保護(hù)氣體（Ar, N2）；或在CH3OH和液氮介質(zhì)中通過對磨球/粉體比、磨球數(shù)量和尺寸、球磨能量、球磨溫度、介質(zhì)等參數(shù)的控制，對粉末粒子反復(fù)進(jìn)行熔結(jié)、斷裂過程，使晶粒不斷細(xì)化，達(dá)到納米尺寸。除去CH3OH和液氮介質(zhì)后，0D-n會因自身的靜電引力自行團(tuán)聚成微米級的納米結(jié)構(gòu)喂料。,機(jī)械研磨合成法,1-2. NC組裝,1-3. 熱噴涂直接組裝NC,2）電沉積法直接制備NC,2-1、在電沉積液中0D-n或1D-n，達(dá)到組裝NC的目的。 45鋼鍍：Ni-P +
12、C納米管，改善摩擦學(xué)性能； 磁盤基扳：Ti-P + DNP (diamond nanopowder)，減少磨損50%； 磁頭、存取器磁膜：Co-P + DNP，耐磨能力提高2-3倍； 模具：Cr + DNP，延長使用壽命； 此外，(n-ZrO2 + Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層)能提高涂層的高溫抗氧化性能； (DNP + Ag)能增強(qiáng)鍍層的導(dǎo)熱、耐磨性；,2-2、利用電化學(xué)反應(yīng)將金屬離子直接還原成0D-n或 1D-n。,,,,,,,UHV STM image of three C60 molecules chemisorbed at missing dimer defects on a Si
13、(100)-2x1 surface. 10nm scan.,3）超聲波法組裝NC,3-3 表面納米化,表面自身納米化對于多晶材料采用非平衡的處理方法增加材料的表面自由能，是粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級。 特征：晶粒沿厚度方向逐漸變化，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間不存在界面。 主要方法：1）表面機(jī)械加工處理法和2）非平衡熱力學(xué)法。,1)表面機(jī)械加工處理法,在外加載荷的重復(fù)作用下，材料表面的粗晶組織通過不同的方式產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形而逐漸細(xì)化至納米級。其過程包括： （1）表面產(chǎn)生大量缺陷，如位錯、孿晶、層錯、剪切帶。 （2）當(dāng)位錯密度增至一定程度時，發(fā)生淹沒、重組，形成納米尺度的亞晶。
14、（3）隨著溫度升高，表面具有高儲能的組織發(fā)生再結(jié)晶，形成納米晶粒。 （4）此過程不斷發(fā)展，最終形成晶體學(xué)取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織。,2)非平衡熱力學(xué)法,將材料快速加熱使其表面熔化或相變溫度，再急劇冷卻，通過動力學(xué)控制來提高形核率，抑制晶粒長大速率，從而在材料的表面獲得納米晶組織。 激光加熱、電子束加熱。,目前表面納米化的研究還處在起步階段，要實現(xiàn)其工業(yè)用，需解決以下問題： （1）加工工藝、參數(shù)及材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能對納米化的影響。 （2）表面納米化的微觀機(jī)制及形成動力學(xué)。 （3）納米結(jié)構(gòu)表層的組織與性能的關(guān)系。 （4）納米結(jié)構(gòu)表層的熱穩(wěn)定性與化學(xué)性能。,3-4 表面
15、超微圖形加工技術(shù),涂光致抗蝕劑,曝光,顯影,腐蝕,去膠,,,,,光刻 技術(shù),當(dāng)前的光刻技術(shù)，采用193nm曝光波長，可實現(xiàn)大于100nm線寬的圖形。 下一代光刻技術(shù)，*157nm曝光，小于50nm線寬圖形。 再下一代光刻技術(shù)，**126nm曝光。,* 德國的Carl Zeiss公司 美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、SVGL公司 日本的尼康公司 荷蘭的ASML公司,** 德國的Carl Zeiss公司 美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室,,,光刻技術(shù)IC產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),STM 技術(shù)在Si(111)面上形成的“中國”字樣。 最鄰近硅原子間的距離為0.4nm。,納米量級結(jié)構(gòu)的制作是納米技術(shù)的關(guān)鍵
16、技術(shù)之一。 我國SPM系統(tǒng)在Au-Pd合金膜表面上機(jī)械刻畫出的最小線寬為25nm。,A field-assisted local anodization technique using an atomic force microscope (AFM), a single-hole transistor has been fabricated on an undoped hydrogen-terminated diamond surface where p-type conduction occurs on the subsurface region.,Power dissipation a
17、nd integration issues are of paramountimportance for designing future ultralarge scaleintegrated circuits. Single-electron devices exploiting the Coulomb blockade effect are thought to have the potential to overcome these difficulties because a singleelectron transistor operates with one electron, w
18、hich can reduce the power consumption and can be applied to highly integrated devices. Measurement of the Coulomb blockade effect has been made possible by continuing advances in the field of nanometer fabrication technology such as local anodization using an atomic force microscope (AFM).,3-5 超光滑表面
19、,超光滑表面（Ultrosmooth surfaces） 1）表面粗糙度小于1nm的表面（應(yīng)用于光學(xué)器件、窗口等） 2）表面晶格的完整性 的表面（應(yīng)用于功能光電器件：InP, HgCdTe的完整晶體表面 ）,拋光液： 納米顆粒（含n-MoS2, n-Al2O3, n-SiO2, n-Cr2O3, n-DP）+ 潤滑油。,宏觀、介觀及微觀一體化研究,介觀環(huán)境中微觀粒子的行為和作用。,如何進(jìn)行不同尺度(nano-, meso-, micro-, macro-scale)層次的過渡及相應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系。如體相材料表面原子排布對單晶格、超晶格和納米超薄膜的生長及性能有何影響。,低維非平衡材料結(jié)構(gòu)的
20、形成演化和表征。,宏觀環(huán)境中納米、介觀體系的行為和作用。即：材料的結(jié)構(gòu)、組織及其對宏觀力學(xué)、物理、化學(xué)等性能的影響。其研究有助于達(dá)到表面的優(yōu)化設(shè)計和有效控制。,四、 納米表面工程的科學(xué)問題,環(huán)境問題,尺度問題,晶 體 周 期 性 結(jié) 構(gòu),電子在周期勢場中的運(yùn)動,量子力學(xué) Schrdinger方程,能 帶 理 論 固體半導(dǎo)體理論,,,,,晶體點陣中的缺陷,金屬材料強(qiáng)化理論,位錯在晶體中運(yùn)動,,,,,晶體的宏觀 幾何形貌,晶體生長理論,表 面 組 裝,,,環(huán)境問題,環(huán)境問題,尺度問題,材料的微觀組織,,Properties,Morphology,Processing,Microstructure
21、(internal),Growth condition (external),,,Applications,,晶體長大（尺度的演變）： 發(fā)生在表面上的從無序到序、周期性的組裝過程。,The broad field of materials science and engineering seeks to explain and control one or more of the four basic elements: The structure and composition of a material, including the type of atoms and their arra
22、ngement as viewed over the range of length scales (nano-, meso-, micro-, macro-scale). The synthesis and processing by which the particular arrangement of atoms achieved. The properties of the material resulting from the atoms and their arrangement, that make material interesting or useful. The perf
23、ormance of the material, that is, the measurement of its usefulness in actual conditions, taking account of economic and social costs and benefits.,,,,,,,,,,,思考題：,1、如何認(rèn)識表面科學(xué)在納米材料中的作用 2、您對“宏觀、介觀、微觀一體化”的理解,Are there, in nature, behaviors of whole systems unpredicted by the parts? 是否本質(zhì)上存在由系統(tǒng)的局部性質(zhì)無法預(yù)言的整體行為?,Thanks for joining,Thanks for joining,See you next time,4 Mbit DRAM chip,,微 觀 (Micro-),介 觀 (Meso-),宏 觀 (Macro-),,納 米 (Nano-),,,,,,,,X-rays,Ultraviolet,g-rays,LIGHT,Infrared,Microwaves,,Milli-waves,Ultrasonic,,Electro-magnetic Spectra,
《納米表面工程的》PPT課件.ppt
