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論文關(guān)鍵詞：薄膜；金剛石；鐵電；氮化碳；半導(dǎo)體；超晶格

論文摘要：薄膜材料的發(fā)展以及應(yīng)用，薄膜材料的分類，如金剛石薄膜、鐵電薄膜、氮化碳薄膜、半導(dǎo)體薄膜復(fù)合材料、超晶格薄膜材料、多層薄膜材料等。各類薄膜在生產(chǎn)與生活中的運用以及展望。

1膜材料的發(fā)展

在科學(xué)發(fā)展日新月異的今天，大量具有各種不同功能的薄膜得到了廣泛的應(yīng)用，薄膜作為一種重要的材料在材料領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。

自然屆中大地、海洋與大氣之間存在表面，一切有形的實體都為表面所包裹，這是宏觀表面。生物體還存在許多肉眼看不見的微觀表面，如細(xì)胞膜和生物膜。生物體生命現(xiàn)象的重要過程就是在這些表面上進行的。細(xì)胞膜是由兩層兩親分子--脂雙層膜構(gòu)成，它好似柵欄，將一些分子攔在細(xì)胞內(nèi)，小分子如氧氣、二氧化碳等，可以毫不費力從膜中穿過。膜脂雙層分子層中間還夾雜著蛋白質(zhì)，有的像船，可以載分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。細(xì)胞膜具有選擇性，不同的離子須走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。細(xì)胞膜的這些結(jié)構(gòu)和功能帶來了生命，帶來了神奇。

2膜材料的應(yīng)用

人們在驚嘆細(xì)胞膜奇妙功能的同時，也在試圖模仿它，仿生一直以來就是材料設(shè)計的重要手段，這就是薄膜材料。它的一個很重要的應(yīng)用就是海水的淡化。雖然地球上70％的面積被水覆蓋著，但是人們賴以生存的淡水只占總水量的2.5％～3％，隨著人口增長和工業(yè)發(fā)展，當(dāng)今世界幾乎處于水荒之中。因此將浩瀚的海水轉(zhuǎn)為可以飲用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技術(shù)主要有反滲透法和蒸餾法,反滲透法用到的是具有選擇性的高分子滲透膜,在膜的一邊給海水施加高壓,使水分子透過滲透膜,達(dá)到膜的另一邊,而把各種鹽類離子留下來,就得到了淡水。反滲透法的關(guān)鍵就是滲透膜的性能,目前常用有醋酸纖維素類、聚酰胺類、聚苯砜對苯二甲酰胺類等膜材料.這種淡化過程比起蒸法法,是一種清潔高效的綠色方法。

利用膜兩邊的濃度差不僅可以淡化海水,還可以提取多種有機物質(zhì)。工業(yè)生產(chǎn)中，可用膜法過濾含酚、苯胺、有機磺酸鹽等工業(yè)廢水，膜法過濾大大節(jié)約了成本,有利于我們的生存環(huán)境。

膜的應(yīng)用還體現(xiàn)在表面化學(xué)上面。在日常生活中,我們會發(fā)現(xiàn)在樹葉表面,水滴總是呈圓形,是因為水不能在葉面鋪展。噴灑農(nóng)藥時,如果在農(nóng)藥中加入少量的潤濕劑(一種表面活性劑),農(nóng)藥就能夠在葉面鋪展,提高殺蟲效果,降低農(nóng)藥用量。

更重要的，研究人員還將膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除體內(nèi)多余水份和清除尿毒癥毒素，大大降低了腎功能衰竭患者的病死率[1]

3膜材料的分類

近年來,隨著成膜技術(shù)的飛速發(fā)展,各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種普遍趨勢。

薄膜材料種類繁多,應(yīng)用廣泛,目前常用的有：超導(dǎo)薄膜、導(dǎo)電薄膜、電阻薄膜、半導(dǎo)體薄膜、介質(zhì)薄膜、絕緣薄膜、鈍化與保護薄膜、壓電薄膜、鐵電薄膜、光電薄膜、磁電薄膜、磁光薄膜等。目前很受人們注目的主要有一下幾種薄膜。

3.1金剛石薄膜

金剛石薄膜的禁帶寬，電阻率和熱導(dǎo)率大，載流子遷移率高，介電常數(shù)小，擊穿電壓高，是一種性能優(yōu)異的電子薄膜功能材料，應(yīng)用前景十分廣闊[2]。

近年來,隨著科技的發(fā)展,人們發(fā)展了多種金剛石薄膜的制備方法,比如離子束沉積法、磁控濺射法、熱致化學(xué)氣相沉積法、等離子化學(xué)氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質(zhì)量的膜,從而使金剛石膜具備了商業(yè)應(yīng)用的可能。

金剛石薄膜屬于立方晶系,面心立方晶胞,每個晶胞含有8個C原子,每個C原子采取sp3雜化與周圍4個C原子形成共價鍵,牢固的共價鍵和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優(yōu)異的性質(zhì)：硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)效、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小,是優(yōu)良的絕緣體。

利用它的高導(dǎo)熱率,可將它直接積在硅材料上成為既散熱又絕緣的薄層,是高頻微波器件、超大規(guī)模集成電路最理想的散熱材料。利用它的電阻率大,可以制成高溫工作的二極管,微波振蕩器件和耐高溫高壓的晶體管以及毫米波功率器件等。

金剛石薄膜的許多優(yōu)良性能有待進一步開拓,我國也將金剛石薄膜納入863新材料專題進行跟蹤研究并取得了很大進展、金剛石薄膜制備的基本原理是:在襯底保持在800~1000℃的溫度范圍內(nèi),化學(xué)氣相沉積的石墨是熱力學(xué)穩(wěn)定相,而金剛石是熱力學(xué)不穩(wěn)定相,利用原子態(tài)氫刻蝕石墨的速率遠(yuǎn)大于金剛石的動力學(xué)原理,將石墨去除,這樣最終在襯底上沉積的是金剛石薄膜。

3.2鐵電薄膜

鐵電薄膜的制備技術(shù)和半導(dǎo)體集成技術(shù)的快速發(fā)展,推動了鐵電薄膜及其集成器件的實用化。鐵電材料已經(jīng)應(yīng)用于鐵電動態(tài)隨機存儲器(FDRAM)、鐵電場效應(yīng)晶體管(FEET)、鐵電隨機存儲器(FFRAM)、IC卡、紅外探測與成像器件、超聲與聲表面波器件以及光電子器件等十分廣闊的領(lǐng)域[3]。鐵電薄膜的制作方法一般采用溶膠-凌膠法、離子束濺射法、磁控濺射法、有機金屬化學(xué)蒸汽沉積法、準(zhǔn)分子激光燒蝕技術(shù)等.已經(jīng)制成的晶態(tài)薄膜有鈮酸鋰、鈮酸鉀、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化鈮和鋯鈦酸鉛等,以及大量的鐵電陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美國伯克利大學(xué)物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶體結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,預(yù)言了一種新的C-N化合物b-C3N4,Cohen計算出b-C3N4是一種晶體結(jié)構(gòu)類似于b-Si3N4,具有非常短的共價鍵結(jié)合的C-N化合物,其理論模量為4.27Mbars,接近于金剛石的模量4.43Mbars.隨后,不同的計算方法顯示b-C3N4具有比金剛石還高的硬度,不僅如此,b-C3N4還具有一系列特殊的性質(zhì),引起了科學(xué)界的高度重視,目前世界上許多著名的研究機構(gòu)都集中研究這一新型物質(zhì).b-C3N4的制備方法只要有激光燒蝕法、濺射法、高壓合成、等離子增強化學(xué)氣相沉積、真空電弧沉積、離子注入法等多種方法。在CNx膜的諸多性能中，最吸引人的當(dāng)屬其可能超過金剛石的硬度，盡管現(xiàn)在還沒有制備出可以直接測量其硬度的CNx晶體，但對CNx膜硬度的研究已有許多報道。

3.4半導(dǎo)體薄膜復(fù)合材料

20世紀(jì)80年代科學(xué)家們研制成功了在絕緣層上形成半導(dǎo)體（如硅）單晶層組成復(fù)合薄膜材料的技術(shù)。這一新技術(shù)的實現(xiàn)，使材料器件的研制一氣呵成，不但大大節(jié)省了單晶材料，更重要的是使半導(dǎo)體集成電路達(dá)到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同時為微電子工業(yè)中的三維集成電路的設(shè)想提供了實施的可能性。

這類半導(dǎo)體薄膜復(fù)合材料，特別使硅薄膜復(fù)合材料已開始用于低功耗、低噪聲的大規(guī)模集成電路中，以減小誤差，提高電路的抗輻射能力。

3.5超晶格薄膜材料

隨著半導(dǎo)體薄膜層制備技術(shù)的提高，當(dāng)前半導(dǎo)體超晶格材料的種類已由原來的砷化鎵、鎵鋁砷擴展到銦砷、鎵銻、銦鋁砷、銦鎵砷、碲鎘、碲汞、銻鐵、銻錫碲等多種。組成材料的種類也由半導(dǎo)體擴展到鍺、硅等元素半導(dǎo)體，特別是今年來發(fā)展起來的硅、鍺硅應(yīng)變超晶格，由于它可與當(dāng)前硅的前面工藝相容和集成，格外受到重視，甚至被譽為新一代硅材料。

半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)不僅給材料物理帶來了新面貌，而且促進了新一代半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生，除上面提到的可制備高電子遷移率晶體管、高效激光器、紅外探測器外，還能制備調(diào)制摻雜的場效應(yīng)管、先進的雪崩型光電探測器和實空間的電子轉(zhuǎn)移器件，并正在設(shè)計微分負(fù)阻效應(yīng)器件、隧道熱電子效應(yīng)器件等，它們將被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、空間技術(shù)等領(lǐng)域。

3.6多層薄膜材料

多層薄膜材料已成為新材料領(lǐng)域中一支新軍。所謂多層薄膜材料，就是在一層厚度只有鈉米級的材料上，再鋪上一層或多層性質(zhì)不同的其他薄層材料，最后形成多層固態(tài)涂層。由于各層材料的電、磁及化學(xué)性質(zhì)各不相同，多層薄膜材料會用有一些奇異的特性。目前，這種制造工藝簡單的新型材料正受到各國關(guān)注，已從實驗室研究進入商業(yè)化階段，可以廣泛應(yīng)用于防腐涂層、燃料電池及生物醫(yī)學(xué)移植等領(lǐng)域。

1991年，法國特拉斯.博斯卡大學(xué)的Decher首先提出由帶正電的聚合物和帶負(fù)電的聚合物組成兩層薄膜材料的設(shè)想，由于靜電的作用，在一層材料上添加另外一層材料非常容易，此后，多層薄膜的研究工作進展很快。通常，研究人員將帶負(fù)電的天然襯材如玻璃片等，浸入含有大分子的帶正電物質(zhì)的溶液，然后沖洗、干燥，再采用含有帶負(fù)電物質(zhì)的溶液，不斷重復(fù)上述過程，每一次產(chǎn)生的薄膜材料厚度僅有幾鈉米或更薄。由于多層薄膜材料的制造可采用重復(fù)性工藝，人們可利用機器人來完成，因此這種自動化工藝很容易實現(xiàn)商業(yè)化。目前，研究人員已經(jīng)或即將開發(fā)的多層薄膜材料主要有以下幾種：①制造具有珍珠母強度的材料。②新型防腐蝕材料。③可使燃料電池在高溫條件下工作的多層薄膜材料[4]。

4展望

迄今，人們已經(jīng)設(shè)計和開發(fā)出了多種不同結(jié)構(gòu)和不同功能的薄膜材料，這些材料在化學(xué)分離、化學(xué)傳感器、人工細(xì)胞、人工臟器、水處理等許多領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值，被認(rèn)為將是21世紀(jì)膜科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]醫(yī)療設(shè)備信息.2007,(27)8.

[2]稀有金屬材料與工程.2007,(36)8增刊1.

[3]硅酸鹽通報.2008,(27)3.

[4]周志華,金安定,趙波,朱小蕾.材料化學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社,2006,1第一版.