最新纳米科技概论课件第三章4

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纳米技术课件

根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因还是靠内因来划分，大致可分为两类，一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。所谓人工纳米结构组装体系 , 是按人类的意志 , 利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装在一起或利用物理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量子线，人工纳米结构包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。人的设计和参与制造起到决定性的作用 , 就好像人们造飞机，盖房子
1984年，德国Gleiter等人采用惰性气体蒸发冷凝法制备了纳米Fe，Cu，Pd等金属粉末。随后发现纳米TiO2陶瓷在室温下呈良好的韧性。在180经受弯曲并不产生裂纹。这一突破使为陶瓷增韧奋斗了一个世纪的材料科学家们看到了希望。英国著名材料科学家卡恩在nature 杂志上撰文说纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
三、纳米结构所谓纳米结构就是将纳米结构单元按照一定的规律规则地排列成二维和三维的结构。由于该结构奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系，成为人们十分感兴趣的研究热点。纳米结构单元是至小一维处于纳米尺度的结构单元，包括纳米晶，纳米颗粒，纳米管，纳米棒或纳米单层膜等。
纳米结构组装体系是以纳米颗粒或纳米丝，纳米管为基本单元在一维，二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米组装体系不仅在包含纳米结构基本单元还要包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体。
美国NNI（国家纳米创新中心）称其会引导下一次工业革命。（National nanotechnology initiative leading towards the next industrial revolution）。这个短语印在比头发丝还细下的一个平面上，字母大小是0.3 um。头发丝的直径一般在20-50um。不借助任何仪器，人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸为10 um。2002年，商用微芯片上刻蚀的最小器件的尺寸为0.13um。形象的比喻是1纳米和一个人的尺寸差别与1个人和月球轨道的差别相同，再就是一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。

选修课：纳米科技科普教程ppt课件

在人们极大地提高了获取和处理社会信息的能力之后，便会转向对生命信息的探索。图7中交叉领域即纳米电子学、纳米生物技术等将是今后影响人类社会的制高点，因为它们关系到国家安全、公共卫生和人类的健康和长寿。
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图7 三大高科技及其交叉领域 36
国内外纳米科技的发展现状
❖ 美国： “70年代重视微米技术的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为新世纪的先进国家”
“太空电梯”的绳索
如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。
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5、军事
“麻雀”卫星
美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，
重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭
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2. 纳米器件
❖ 从纳米材料出发，或者利用纳米加工科技,制造出具有特殊功能的产品，即纳米器件。
❖ 未来所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点。
❖ 科学家还希望通过对纳米生物学的研究，制造生物分子器件。
❖ 目前，科学家在纳米生物传感器、生物分子计算机、
纳米马达等方面做了重要的尝试
❖ 纳米材料
❖ 纳米器件
❖ 纳米结构的检测和表征
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1. 纳米材料
❖ 纳米材料指材料的显微结构至少在一个维度上尺寸小于100nm，并且具有某些特殊功能的材料。
❖ 纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、
纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。
❖ 纳米材料呈现如下的客观物理、化学特性：
低熔点、高比热容、高热膨胀系数；高反应活性，高扩散率；高强度、高韧性、高塑性；奇特磁性；极强的吸波性。

纳米技术PPT课件

纳米材料可分为人工制备与天然
天然：
•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿
•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的导航作用，并利用这种 “罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
§6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用
一、纳米结构的应用 1、量子磁盘与高密度磁存储 2、高密度记忆存储元件 3、高效能量转化纳米结构 (1) 高效再生锂电池： (2)太阳能电池： (3)热电转化
纳米材料——凝聚态物理纳米材料——半导体材料纳米材料——化学纳米材料——复合材料纳米材料——医学药物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
§6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。
1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理效应。
四、光学应用

《纳米技术》PPT课件

纳米技术
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1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为介观世界。
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2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
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6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
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虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
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纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍，率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
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超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小的芯片中。

《纳米大科学》PPT课件

纳米科学与纳米技术
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1
1 纳米世界里的大科学
纳米科学与技术简称纳米科技，是一项新兴的科学研究，纳米科技值得一搏，
但不是每个参入者都有把握赌赢。
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2
1.1 人类对自然界的认识
人类对自然世界的认识始于宏观物体又溯源于原
子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入细
致的研究。
客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二
纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具
备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论受到了挑战。
纳米科技是现代科学和先进技术结合的产物，
它不仅为人类提供新颖的装置，而且在物理学、化学、生物学、材料学、矿物学等领域中有广阔的前景，对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意义。
完整版ppt
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1.3 纳米科学与技术的未来
新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。
纳米微粒的结构研究，将促使物理学、化学、材料科
学、矿物学工作者认识改造完客整版观ppt 世界进入一个新层次，6 将使自然科学和技术等向更高层次发展。
1.4 纳米物质结构
纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是
尺度范围内物理、化学等特性确定。
原子是组成物质的基本单位，原子的不同方式排列使自
然界多姿多彩。
1959年，美国物理学家理查德·费曼设想，在原子和分
子水平上操纵和控制物质。完整版ppt
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纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅
含几十个到几万个原子的纳米微粒，把它作为基本单元，适当排列成一维的量子线、二维的量子面、三维的纳米固体。
微米科技在二十世纪七十年代以来的信息科学中占有

纳米科学概论PPT(完整版)

神奇的纳米世界
靓丽的纳米世界
单根碳纳米弹簧
扫描隧道显微镜下的纳米团簇酷似大力神杯的硅纳米结构
NANOGEAR
“麻雀卫星”
质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。
假如您掌握了纳米技术，您将应用在哪些方面？并简述理由。
科学的商品化
将“知识”转化为“经济”
NANOSCIENCE: Thinking about small to do big things
碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人
Science, , 322, 238 -242.
金纳米颗粒由102个金原子和44个硫醇分子组成，其中，金原子排列成球状。
Nature 1991, 354, 56
纳米管做成的“纳米秤”
令人惊奇的是，最近、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。
特殊的光学性质
当（Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
特殊的电学性质
介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。

纳米科技PPT课件

爱因斯坦说过：“想象力比知识更重要”。几百年来人类的近代史也证明，科学的发展需要高瞻远瞩和丰富的想象力。自从18 世纪后半叶欧洲工业革命以来，特别是20世纪以来，众多几年前还被认为是“不可能”的、仅在科幻小说中幻想过的巨大成就如电子世界、智能机器人、登月、心脏移植、基因拼接、用火箭飞船探索金星和火星、建立宇宙空间站等等，都一一变成了活生生的现实，而且有的现实比最初的想象走得更远。在当今世界上，科技先进的美国成了实现人类幻想、取得成就最多的国家。20世纪20年代以后，美国又成了世界科幻文艺的中心。埃里克•德雷克斯勒（K.Drexler）教授(图13)就是在这种充满科学幻想的环境中成202长1/3/起7 来，并成了这批科学CH“EN先LI 知先觉”者中的佼佼者。22
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[问题与思考]
费曼说的“最底层”是什么含意？（指原子、分子层面，这是构成物质的最基本单元）
阅读材料
在报告那天，费曼用如下的话结束了演讲：
“我愿意出资1000美元，奖励第一个把一本书中的信息缩小到书页两万五千分之一面积内的人。”
“我愿意再出资1000美元，奖励第一个制造出能够
从外部控制，线度只有六十四分之一英吋的电动机械
在纽曼获得第二份费曼奖金1000美元后两年三个月，费曼
因患癌症辞世。
2021/3/7
CHENLI
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2.3比尼格与罗勒尔发明了看得见原子的显微镜
长期以来人类就有一个幻想：希望能直接“看”到原子，而不是采用X衍射方法，通过X衍射图的分析间接地看到原子。直至20世纪80年代初除了个别情况外原子还是不能直接被“看”到。这个幻想在 1981年由于扫描隧道显微镜（STM）的发明终于成为现实。
2021/3/7
CHENLI

纳米材料科学与技术 ppt课件

ppt课件 10
2、纳米材料概述
《全球科技经济瞭望》：科学界普遍认为，纳米技术是21 世纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。
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11
纳米材料概述 —— 纳米技术在美国
美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划（ NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。
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14
纳米材料概述 —— 纳米技术在欧洲
2005年，欧盟制定《欧洲纳米技术发展战略》，欧盟成员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发展
计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过140亿美元。
俄罗斯从2001年开始重点推动纳米技术产业，2007年专门成立国有"俄罗斯纳米技术集团"推动产业化发展。
）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。
ppt课件
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纳米材料的奇异性能
表面效应
表面原子特点：
1）原子配位不满，多悬空键 2）高表面能，高表面活性
引发性能： 1）表面原子输运构型变化：催化 2）电子自旋构象能谱变化：光学
ppt课件
纳米材料的奇异性能
表面效应
如A原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近邻，它们均处于不稳定状态，近邻缺位越多越容易与其他原子结合，说明处于表 ppt课件面的原子(A、B、C、D和E)比处于内部的原子的配位有效明显的减少。

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纳
米
科
技
纳米薄膜的应用——纳米润滑膜
主要是指在微机电系统（或称纳米机械）表面的LB膜和改性LB膜润滑，以及SAMS薄膜润滑。
SAMS薄膜是指带有反应活性基因的长链单分子，通过化学键吸附在基底表面形成的有序的单层或多层分子膜。在微马达中，用SAMS薄膜润滑可以减小启动摩擦和静摩擦，显著降低磨损； SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境条件下，热稳定温度能达到400℃。
巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件、磁敏传感器等方面有很大的应用潜力。
纳
米
科
技
纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性颗粒膜是由强磁性的纳米颗粒嵌埋于与之不相溶的另一相基质之中生成的复合材料体系，兼具超细颗粒和多层膜的双重特性。通常采用共蒸发和共溅射等技术制备薄膜。
纳米磁性颗粒膜还存在巨霍尔效应。帕克霍姆夫等人在 Ni-SiO2 颗粒膜中发现高达 200μcm的饱和Hall电阻率，比普通非磁金属的正常Hall效应高106倍，比磁性金属中的反常Hall效应大4个数量级以上。
三、LB膜技术及应用
纳
米
科
技
纳米薄膜的制备
纳米薄膜的制备源于经典的方法又加以改进，是典型的 Top down （由上到下）的方法，具体方法很多，这里仅介绍最基本的几种。（一）溶胶-凝胶法
（二）真空蒸发法
（三）磁控溅射法
（四）分子束外延镀膜法
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纳
米
科
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溶胶-凝胶法
原理：将成膜物质溶于某种有机溶剂，成为溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶等方法涂敷于基体表面形成胶体膜，然后脱水而凝结为纳米薄膜。例如：纳米Cu膜的制备将硝酸铜Cu（NO3）2· 3H2O和正硅酸乙脂与乙醇混合形成溶胶，用玻璃（SiO2）衬板浸入溶胶后进行提拉（提拉速度<10-1mm/s），再在100℃ 温度下干燥成膜，经过450～650℃氢气中还原处理100分钟左右，就可以获得纳米Cu膜。
纳
米
科
技
纳米薄膜的应用——纳米光学薄膜
纳米硅膜是典型的纳米光学薄膜，它是一种硅晶态的纳米薄膜，当 Si 晶粒的平均直径小于 3.5nm时，具有很强紫外光致发光性能。
GaAs半导体颗粒膜和CdSxSe1-x/玻璃颗粒膜都具有光吸收带蓝移和吸收带的宽化现象。
半导体铟镓砷（InGaAs）和InAlAs构成的多层膜。通过控制膜的厚度可以改变它的光学线性和非线性，造成其在吸收谱上出现峰值。
纳
米
科
技
磁控溅射法为了克服成膜速度低的缺点，人们设计了磁控溅射镀膜，在溅射靶与基片之间引入了正交电磁场，使气体分子被电离的速率提高了10倍，达到了真空蒸发法的成膜速率。
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分子束外延镀膜法
分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。
它是在超高真空条件下，将薄膜的诸组分元素的分子束流，直接喷到衬底（半导体材料的单晶片）表面上，沿着单晶片的结晶轴方向生长成一层结晶结构完整的新的单晶层薄膜。
第四节
纳米薄膜
纳米薄膜是指在空间只有一维处于纳米尺度而另两维不是纳米尺度的物质，由分子或晶粒均匀铺开构成薄膜，可以是超薄膜、多层膜和超晶格等。纳米薄膜根据它的构成和致密程度又可分为颗粒膜和致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极细小的间隙，而致密膜则是连续薄膜。一、纳米薄膜的制备
二、纳米薄膜的应用
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纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻；若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。
纳
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LB膜的制备
能形成LB膜的材料，大都是表面活性分子，即两亲分子。若两亲分子材料两者平衡，即称为 “两亲媒性平衡”，该材料就会吸附于水-气界面。
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磁控溅射法磁控溅射是溅射镀膜中的一种，所谓溅射是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出，射出的粒子大多呈原子态，称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子可以在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作轰击粒子，该粒子又称入射离子。所以溅射镀膜又称离子溅射镀膜。
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纳米薄膜的应用——纳米气敏膜原理：利用其在吸附某种气体之后引起物理参数的变化来探测气体。
纳米气敏膜具有比普通膜更好的气敏性、选择性和稳定性。 SnO2纳米颗粒气敏膜是当前研究的热点。
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型分离膜，采用纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，适宜于分离相对分子质量在200以上的溶解组分，介于超滤膜和反渗透膜之间。膜在渗透过程中截留率大于95%的最小分子大小约为1nm，因此称为“纳滤”。纳滤膜技术因其独特的性能，使得它在许多领域具有其他膜技术无法替代的地位，它的出现不仅完善了膜分离过程，而且大有替代某些传统分离方法的趋势。
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LB膜技术及其应用
LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔—布罗杰特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的重视。
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LB膜的特点超薄且厚度可准确控制，因此这种纳米薄膜可满足现代电子学器件（纳电子器件）和光学器件的尺寸要求。膜中分子排列高度有序且各向异性，使之可根据需要设计，便于实现分子水平上的组装。制膜条件温和，操作简便。
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溶胶-凝胶法
优缺点：
采用溶胶 - 凝胶法制备薄膜具有多组分均匀混合，成分易控制、成膜均匀、成本低、易于工业化生产的优点；但不是所有的薄膜材料都能很容易制成溶胶，又很容易找到衬板材料；细心完成溶胶制备是本法的重要因素。
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真空蒸发法原理：使待成膜的物质蒸发气化，在真空中使气化的原子或分子在蒸发源与基片之间飞行，达到基片后在基片表面积淀。