薄膜應用范文

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1膜材料的發展

在科學發展日新月異的今天，大量具有各種不同功能的薄膜得到了廣泛的應用，薄膜作為一種重要的材料在材料領域占據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，如細胞膜和生物膜。生物體生命現象的重要過程就是在這些表面上進行的。細胞膜是由兩層兩親分子--脂雙層膜構成，它好似柵欄，將一些分子攔在細胞內，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，有的像船，可以載分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。細胞膜具有選擇性，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。細胞膜的這些結構和功能帶來了生命，帶來了神奇。

2膜材料的應用

人們在驚嘆細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計的重要手段，這就是薄膜材料。它的一個很重要的應用就是海水的淡化。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發展，當今世界幾乎處于水荒之中。因此將浩瀚的海水轉為可以飲用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技術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。工業生產中，可用膜法過濾含酚、苯胺、有機磺酸鹽等工業廢水，膜法過濾大大節約了成本,有利于我們的生存環境。

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

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,隨著成膜技術的飛速發展,各種材料的薄膜化已經成為一種普遍趨勢。

薄膜材料種類繁多,應用廣泛,目前常用的有：超導薄膜、導電薄膜、電阻薄膜、半導體薄膜、介質薄膜、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，電阻率和熱導率大，載流子遷移率高，介電常數小，擊穿電壓高，是一種性能優異的電子薄膜功能材料，應用前景十分廣闊[2]。

近年來,隨著科技的發展,人們發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、熱致化學氣相沉積法、等離子化學氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質量的膜,從而使金剛石膜具備了商業應用的可能。

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狀結構是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優異的性質：硬度高、耐磨性好、摩擦系數效、化學穩定性高、熱導率高、熱膨脹系數小,是優良的絕緣體。

利用它的高導熱率,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,化學氣相沉積的石墨是熱力學穩定相,而金剛石是熱力學不穩定相,利用原子態氫刻蝕石墨的速率遠大于金剛石的動力學原理,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和半導體集成技術的快速發展,推動了鐵電薄膜及其集成器件的實用化。鐵電材料已經應用于鐵電動態隨機存儲器(FDRAM)、鐵電場效應晶體管(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、有機金屬化學蒸汽沉積法、準分子激光燒蝕技術等.已經制成的晶態薄膜有鈮酸鋰、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年美國伯克利大學物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶體結構為出發點,預言了一種新的C-N化合物b-C3N4,Cohen計算出b-C3N4是一種晶體結構類似于b-Si3N4,具有非常短的共價鍵結合的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,引起了科學界的高度重視,目前世界上許多著名的研究機構都集中研究這一新型物質.

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，最吸引人的當屬其可能超過金剛石的硬度，盡管現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半導體薄膜復合材料

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

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

3.5超晶格薄膜材料

隨著半導體薄膜層制備技術的提高，當前半導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體擴展到鍺、硅等元素半導體，特別是今年來發展起來的硅、鍺硅應變超晶格，由于它可與當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。

半導體超晶格結構不僅給材料物理帶來了新面貌，而且促進了新一代半導體器件的產生，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，還能制備調制摻雜的場效應管、先進的雪崩型光電探測器和實空間的電子轉移器件，并正在設計微分負阻效應器件、隧道熱電子效應器件等，它們將被廣泛應用于雷達、電子對抗、空間技術等領域。

3.6多層薄膜材料

多層薄膜材料已成為新材料領域中一支新軍。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不同的其他薄層材料，最后形成多層固態涂層。由于各層材料的電、磁及化學性質各不相同，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注，已從實驗室研究進入商業化階段，可以廣泛應用于防腐涂層、燃料電池及生物醫學移植等領域。

1991年，法國特拉斯.博斯卡大學的Decher首先提出由帶正電的聚合物和帶負電的聚合物組成兩層薄膜材料的設想，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，研究人員將帶負電的天然襯材如玻璃片等，浸入含有大分子的帶正電物質的溶液，然后沖洗、干燥，再采用含有帶負電物質的溶液，不斷重復上述過程，每一次產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商業化。目前，研究人員已經或即將開發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，人們已經設計和開發出了多種不同結構和不同功能的薄膜材料，這些材料在化學分離、化學傳感器、人工細胞、人工臟器、水處理等許多領域具有重要的潛在應用價值，被認為將是21世紀膜科學與技術領域的重要發展方向之一。

論文關鍵詞：薄膜；金剛石；鐵電；氮化碳；半導體；超晶格

論文摘要：薄膜材料的發展以及應用，薄膜材料的分類，如金剛石薄膜、鐵電薄膜、氮化碳薄膜、半導體薄膜復合材料、超晶格薄膜材料、多層薄膜材料等。各類薄膜在生產與生活中的運用以及展望。