无机薄膜材料与制备技术

薄膜材料制备原理、技术及应用薄膜材料是在基材上形成的一层薄膜状的材料，通常厚度在几纳米到几十微米之间。

它具有重量轻、柔韧性好、透明度高等特点，广泛应用于电子、光学、能源、医疗等领域。

薄膜材料制备的原理主要涉及物理蒸发、溅射、化学气相沉积等方法。

其中，物理蒸发是指将所需材料制成块状或颗粒状，利用高温或电子束加热，使材料从固态直接转变为蒸汽态，并在基材上沉积形成薄膜。

溅射是将材料制成靶材，用惰性气体或者稀释气体作为工作气体，在高电压的作用下进行放电，将靶材表面的原子或分子溅射到基材上形成薄膜。

化学气相沉积是指在一定条件下，将气态前体分子引入反应室，通过化学反应沉积到基材上，形成薄膜。

薄膜材料制备技术不仅包括上述原理所述的基本制备方法，还涉及到不同材料、薄膜厚度、表面质量等方面的特定要求。

例如，为了提高薄膜的品质和厚度均匀性，可采用多台蒸发源同时蒸发的方法，或者通过旋涂、喷涂等方法使得所需薄膜材料均匀地覆盖在基材上。

此外，为了实现特定功能，还可以通过控制制备条件、改变材料组成等手段来改变薄膜的特性。

薄膜材料具有多种应用领域。

在电子领域，薄膜材料可以用于制作集成电路的介质层、金属电极与基板之间的隔离层等。

在光学领域，薄膜材料可以用于制作光学滤波器、反射镜、透明导电膜等。

在能源领域，薄膜材料在太阳能电池、锂离子电池等器件中扮演重要角色。

在医疗领域，薄膜材料可以用于制作人工器官、医用伽马射线屏蔽材料等。

此外，薄膜材料还应用于防腐蚀涂料、食品包装、气体分离等领域。

虽然薄膜材料制备技术已经相对成熟，但是其制备过程中仍然存在一些挑战。

例如，薄膜厚度均匀性、结晶性能、粘附性能等方面的要求十分严格，制备过程中需要控制温度、压力、物质流动等多个参数的影响，以确保薄膜的质量。

此外，部分薄膜材料的制备成本相对较高，制约了其在大规模应用中的推广。

总的来说，薄膜材料制备原理、技术及其应用具有重要的实际意义。

通过不断改进制备技术，提高薄膜材料的制备效率和质量，将有助于推动薄膜材料在各个领域的更广泛应用。

典型无机纳米材料制备无机纳米材料是指在纳米尺度范围内具有特殊性质和应用的无机材料。

其制备方法多种多样，包括物理方法、化学方法和生物合成法等。

本文将主要介绍一些典型的无机纳米材料制备方法。

1.物理方法物理方法是通过物理手段来制备无机纳米材料。

最常见的物理方法包括溅射法、蒸发法、磁控溅射法和高能球磨法等。

（1）溅射法：溅射法是利用惰性气体离子轰击固体靶材的表面，使其材料原子或原子团簇从靶表面脱落，并在基底上凝聚成薄膜或纳米结构。

这种方法制备的材料具有较好的薄膜结晶度和纳米晶粒的均匀性。

（2）蒸发法：蒸发法是利用热量将固体材料加热，使其表面原子或离子脱离固体表面，并在基底上沉积成薄膜或纳米结构。

这种方法制备的材料晶粒大小和结晶度较差，但制备过程简单。

（3）磁控溅射法：磁控溅射法是在溅射法基础上加入磁场，使得离子的运动轨迹受到磁场的约束，从而得到具有较高纯度和较好结晶度的材料。

（4）高能球磨法：高能球磨法通过高能冲击和摩擦力将粉末原料进行球磨，使其晶粒尺寸减小到纳米尺度。

这种方法简单易行，但制备的材料晶粒尺寸不均匀。

2.化学方法化学方法是通过化学反应来制备无机纳米材料。

最常见的化学方法包括溶胶-凝胶法、气相沉积法和水热法等。

（1）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将适当的化合物溶解在溶剂中形成溶胶，然后通过化学反应或物理方法使其凝胶。

随后将凝胶加热并干燥，得到无机纳米材料。

这种方法制备的材料具有较好的纯度和较高的孔隙度。

（2）气相沉积法：气相沉积法是将气相中的材料原子或离子通过物理或化学反应沉积在基底上，形成纳米尺度的薄膜或纤维。

这种方法制备的材料薄膜结晶度高，但制备条件较为复杂。

（3）水热法：水热法是在高温高压的水溶液中，通过溶剂热和压力调节来促进反应进行，得到纳米材料。

水热法具有简便、环境友好等优点，适用于制备很多纳米材料。

3.生物合成法生物合成法是利用微生物、植物或其他生物体合成纳米材料。

最常见的生物合成方法包括微生物发酵法和植物提取法等。

化学薄膜材料化学薄膜材料具有在各个领域中广泛应用的特性。

从电子器件到太阳能电池，从食品包装到织物涂层，化学薄膜材料都发挥着重要的作用。

本文将介绍化学薄膜材料的定义、制备方法、应用领域以及未来的发展趋势。

一、定义化学薄膜材料是一种具有较薄厚度（通常在纳米到微米级别）的材料。

它们由多种化学物质组成，如聚合物、有机物、无机物等。

化学薄膜材料因其优异的物理和化学性质，在许多工业和科学应用中得到了广泛应用。

二、制备方法1. 溶液法溶液法是制备化学薄膜材料的常用方法之一。

该方法通过将溶解有机物或无机物的溶液涂布到基底上，再通过蒸发溶剂或溶液中溶剂的挥发使溶剂蒸发，从而形成化学薄膜。

2. 气相沉积法气相沉积法是制备化学薄膜材料的另一种常用方法。

该方法通过在低压或大气压下，将气体或原子沉积在基底表面上，使其在表面形成化学薄膜。

这种方法通常具有较高的沉积速率和较好的控制性能。

3. 凝胶法凝胶法是一种制备无机化学薄膜材料的常用方法。

该方法通过将溶解的金属盐或金属有机化合物浸渍在基底上，并通过水解反应或热处理将其转化为固体凝胶薄膜。

三、应用领域化学薄膜材料在各个领域中都具有广泛的应用。

1. 电子器件化学薄膜材料在电子器件中扮演着重要的角色。

例如，金属氧化物薄膜常被用作传感器的敏感材料，聚合物薄膜用于光学显示器的制造，导电薄膜用于电子电路的制备等。

2. 包装材料化学薄膜材料在包装行业中广泛应用。

由于其良好的气体和水分阻隔性能，以及较好的机械性能，化学薄膜材料被广泛用于食品包装、药品包装和其他消费品包装中。

3. 太阳能电池化学薄膜材料在太阳能电池中具有重要作用。

例如，硅薄膜材料被广泛用于光伏电池的制造，以提高光伏电池的效率。

4. 织物涂层化学薄膜材料在纺织工业中常被用作织物涂层材料。

它们可以改善织物的耐磨性、耐火性、防水性和防污性能，同时赋予织物其他特殊功能。

四、未来发展趋势随着科学技术的不断进步，化学薄膜材料领域也有着巨大的发展潜力和未来的发展趋势。

氧化物薄膜的制备和性能薄膜技术是材料领域中一项重要的技术，它已被广泛应用于工业生产和科学研究中。

其中氧化物薄膜是薄膜研究的一个重要领域。

本文旨在探讨氧化物薄膜的制备和性能。

一、氧化物薄膜的制备1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是制备氧化物薄膜的一种常见的方法。

其原理是在高温下使气体分解并与基底表面反应，形成薄膜。

该方法的优点是可以制备出具有高质量和均匀性的薄膜，具有较高的加工精度和生产效率。

缺点是需要使用高温和高压条件，对设备的要求比较高，同时易受到制备条件和杂质的影响。

2. 磁控溅射法磁控溅射法是使基底表面被金属表面击打，产生了一定能量的离子，离子袭击基底表面，形成薄膜的方法。

该方法具有制备薄膜均匀、纯度高、复合性能良好等优点。

但缺点是需要使用高真空和高电压条件，对设备的要求比较高，同时磁场和离子束的作用也会影响薄膜的制备。

3. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法制备氧化物薄膜是一种比较简单的方法。

其原理是将金属盐或有机金属化合物溶解在溶剂中，形成可沉淀的胶体，经过固化和热处理后形成氧化物膜。

该方法具有制备工艺简单、适量涂层、适用性广等优点。

但缺点是生长速度慢，薄膜质量较差。

二、氧化物薄膜的性能1. 电学性能氧化物薄膜的电学性能是其性能的一个重要方面。

其电学性能受到多种因素的影响，如氧化物材料、晶格结构、载流子浓度等。

常见的氧化物薄膜的电学性能包括介电常数、电阻率、电容率等。

其中介电常数是晶体对电场响应的量，电阻率是表征材料导电性能的一个参数，电容率是电容器的一个参数。

2. 光学性能氧化物薄膜的光学性能是其性能的一个重要方面，对于聚焦和调制光波等方面有应用价值。

其光学性能包括透过率、反射率、折射率等参数。

其中透过率是材料透过入射光线的能量大小的一个参数，反射率是材料反射入射光线的能量大小的一个参数，折射率是材料将光线折射后能量传播的一个参数。

3. 结构性能氧化物薄膜的结构性能对薄膜的其它性能有着重要的影响。

Al2O3无机薄膜的制备、热稳定性及表面自由能计算杨靖;李鹏程;穆瑞花;赵亚梅;同帜;郭雅妮【摘要】Al2O3 inorganic films was prepared in a sol-gel process,using aluminum isopropoxide (AIP) as precursor,nitric acid as the peptizer.The thermal stability and surface free energy of inorganic film materials were studied by X-ray diffraction(XRD),energy dispersespectroscopy(EDS),Fourier transform infraredspectroscopy(FTIR),thermogravimetry-differential thermal gravimetry (TG-DTG) and contact angle measurement.The results showed that,with the increasing of calcination temperature,the absorption peak of C—H is weakened and the Al—O—H bond gradually breaked.When calcined at 350 ℃,Al—O bond was the primary chemical structure of the sample materials,the phase structure of the sample was transformed from the γ-Al OOH to the γ-Al2O3,the grain size calculated from the strongest diffraction peak corresponding to the crystal plane of (440) reaches 4.2 nm.The corresponding Al/O element atomic and weight percentage of the film materials was coincided with the chemical composition of Al2O3 and the surface free energy can reach a minimum of 46.24× 10-5 N/cm.%以异丙醇铝(AIP)为前体,硝酸为胶溶剂,采用溶胶-凝胶法制备Al2O3无机薄膜.通过X 射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)、红外光谱(FTIR)、热重-微分热重(TG-DTG)、接触角测试等表征,对无机薄膜的热稳定性及表面自由能进行研究.结果表明,随着焙烧温度的升高,C-H吸收峰减弱,Al-O-H键逐渐断裂,表面自由能先减小后增大;350℃时化学结构以Al-O键为主,物相结构由γ-AlOOH转变为γ-Al2O3,对应最强衍射峰(440)晶面处的晶粒尺寸达到4.2 nm,膜材料对应的Al/O元素原子及重量百分比与Al2O3化学组成匹配,表面自由能达到最小值46.24×10-5 N/cm.【期刊名称】《膜科学与技术》【年(卷),期】2017(037)003【总页数】6页(P62-67)【关键词】溶胶-凝胶法;Al2O3无机薄膜;热稳定性;表面自由能【作者】杨靖;李鹏程;穆瑞花;赵亚梅;同帜;郭雅妮【作者单位】西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048【正文语种】中文【中图分类】O4841975年Yoldas从勃姆石溶胶中制备了Al2O3无机薄膜[1]，揭开了无机膜研究的序幕.此后氧化铝薄膜因其耐高温、耐腐蚀、易清洁、强度高、热稳定性好、化学性质稳定等优异特性使得其在过滤、分离甚至催化反应领域都有着极大的应用[2-3].Al2O3薄膜的制备方法很多，目前有工业应用前景的制备方法主要有：固态粒子烧结法、溶胶 - 凝胶法、阳极氧化法、化学气相沉淀法(CVD)等[4].在众多的制备方法中，溶胶 - 凝胶法因其操作简单，工艺过程易于控制，且不需要任何真空环境和太高的合成温度，是当前制备氧化铝薄膜最常用的方法之一[5].近年来，国内外研究者虽然针对Al2O3无机薄膜开展了很多性能研究，如Park等[6]采用溶胶 - 凝胶法，以异丙醇铝为前体，硝酸为胶溶剂，研究了改性Al2O3膜的微观形貌、物相结构及透氢性能；Amanipour等[7]利用化学气相沉积法制备的Al2O3/SiO2复合膜，在800 ℃和100 kPa的压差下，H2的渗透速率为6.3×10-7 mol/(m2·Pa·s)，H2/N2分离因子可达到203.但这些研究多数集中于其基本结构及分离性能的报道，在XRD的表征中缺乏对晶粒尺寸的分析，而晶粒尺寸对膜材料结构组成至关重要，故很有必要进行研究.此外，实际应用中膜材料会在许多复杂的水汽环境工作，而水汽对膜材料的孔道结构及分离性能有重要影响，故膜材料表面性能研究尤为重要.此前曹志普[8]以溶液纺丝法制备的介孔Al2O3/PVDF复合中空纤维膜，刘娟娟等[9]以化学气相沉积法制备的Ni/Al2O3陶瓷膜，均利用直接测试接触角来研究其表面润湿性，但他们并未对润湿性进行深入分析.为了适应膜材料的应用要求，本文采用溶胶 - 凝胶法，以异丙醇铝(AIP)为前体，制备Al2O3无机薄膜，通过X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)、红外光谱(FTIR)、热重 - 微分热重(TG - DTG)及接触角测试等表征方法，系统地对600 ℃以下温度焙烧的膜材稳料进行热定性研究，在XRD表征中进行晶粒尺寸分析，并利用van Oss - Chaudhury - Good理论计算膜材料的表面自由能，对膜材料的表面润湿性进行评价.1 实验部分1.1 试剂异丙醇铝(C9H21AlO3 - AIP，AR)，天津市光复精细化工研究所；浓硝酸(HNO3，AR)，西安长安区化学试剂厂；甘油(C3H8O3，AR)，无锡市亚泰联合化工有限公司；二碘甲烷(CH2I2，AR)，广州和为化工有限公司；蒸馏水(H2O)，实验室自制.1.2 Al2O3无机薄膜的制备按摩尔比AIP/H2O/HNO3=1/100/0.25，利用集热式恒温磁力搅拌器将三口烧瓶中的去离子水加热至80 ℃，分次缓慢加入已称量好的AIP，强烈搅拌1.5 h，使其充分水解，然后用恒压漏斗将2 mol/L的胶溶剂HNO3缓慢加入三口烧瓶，在85 ℃回流搅拌8 h，便可得到充分水解的Al2O3溶胶.将充分水解的Al2O3溶胶倒入培养皿中，50 ℃真空干燥后，将凝胶片取出，放入程控高温炉中，在空气气氛中以1 ℃/min的升温速率分别升温至200 ℃、350 ℃、600 ℃进行焙烧，恒温2 h后随炉冷却至室温，即得焙烧过的Al2O3无机薄膜. 1.3 试样表征XRD测试采用日本理学公司生产Rigaku/D/max - 2550/pc型X射线衍射仪，Cu Kɑ射线，扫描速度4°/min，扫描范围5°～80°.能谱(EDS)分析采用英国牛津公司生产的X - MAX50型能谱仪.红外光谱(FTIR)采用美国PerkinElmer公司生产的Spotlight 400 & Frontier傅里叶变换红外光谱仪进行测定.热重 - 微分热重(TG - DTG)测试采用瑞士Mettler - Toledo公司生产的TGA/SDTA851e型热重，空气气氛，升温速率为5 ℃/min，测试温度范围为25～800 ℃.接触角测试采用承德试验机厂生产的JY - 82型接触角测定仪，测量温度25 ℃，相对湿度40%.2 结果与讨论2.1 物相结构分析将50 ℃真空干燥以及200 ℃、350 ℃、600 ℃焙烧的Al2O3无机薄膜材料进行物相结构分析，其XRD图谱如图1所示.350 ℃焙烧的Al2O3样品的EDS能谱分析如图2所示.在图1中，对于50 ℃干燥的样品，在2θ=14.46°、28.22°、38.41°、48.94°、65.19°、72.04°附近出现了正交晶系γ - AlOOH(JCPDS 21 - 1307)的特征衍射峰，其对应晶面指数分别为(020)、(120)、(031)、(051)、(002)、(251).焙烧温度为200 ℃时，与50 ℃干燥的样品相比，其衍射峰峰形、峰位相似，强度减弱，在2θ=65.19°、72.04°两处的特征峰已不明显.这是因为部分γ - AlOOH已发生转变，而主要衍射特征峰仍为γ - AlOOH.当焙烧温度为350 ℃时，在2θ=37.71°、45.87°、66.89°附近出现了新的衍射峰，衍射峰形较宽且弥散；图2表明，350 ℃焙烧的样品中对应的Al元素与O元素原子及重量百分比正好与Al2O3化学组成匹配；而图1(c)中新出现的3个衍射峰位置正好与立方晶系γ -Al2O3(JCPDS 29 - 0063)的晶面指数(311)、(400)、(440)相对应.这是因为γ - AlOOH完全脱羟，生成了γ - Al2O3，表明此时温度(a) 50 ℃; (b) 200 ℃; (c) 350 ℃; (d) 600 ℃图1 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的XRD图谱Fig.1 XRD(X-ray diffraction) spectra of Al2O3 film materials calcined at various temperature图2 350 ℃焙烧的Al2O3膜材料EDS能谱图Fig.2 EDS energy spectra ofAl2O3 film materials calcined at 350 ℃的升高导致了物相转变.当焙烧温度升至600 ℃时，在2θ=20.41°、31.99°、37.71°、45.87°、60.83°、66.89°附近出现了更加完整的立方晶系γ - Al2O3的特征衍射峰，相比于350 ℃焙烧的样品物相未发生变化.不同焙烧温度下，γ - AlOOH和γ - Al2O3对应的最强衍射峰晶面指数分别为(020)和(440)，其相应的晶粒尺寸D(nm)可根据Scherrer公式[10]计算得出，即(1)式中，K为Scherrer常数，一般取0.89；λ为X射线波长，CuKɑ射线源，取0.154 2 nm；θ为衍射半角,(°)；β为积分半高宽度(FWHM)/rad.计算结果见表1所示.由表1可知，当焙烧温度从50 ℃升高到200 ℃时，γ - AlOOH(020)晶面处对应衍射峰半高宽变小，结晶度变大，晶粒尺寸增大，说明温度的升高促进了该晶面的生长；当焙烧温度从200 ℃升高到350 ℃时，晶型及结构发生本质变化，因而最强衍射峰峰位发生变化.当焙烧温度从350 ℃升高到600 ℃时，γ -Al2O3(440)晶面处对应衍射峰半高宽减小，晶粒尺寸增大到4.4 nm，说明600 ℃的高温只是使得相应晶面生长，结晶度变大.表1 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的XRD图谱峰形参数Table 1 XRD spectra peak shape parameters of Al2O3 film materials calcined at various temperature焙烧温度/℃衍射角2θ/(°)FWHM/(°)晶粒尺寸D/nm5014．464．0052．020014．463．0762．635066．892．2834．2600 66．892．1854．42.2 化学结构分析将50 ℃真空干燥以及200 ℃、350 ℃、600 ℃焙烧的Al2O3无机薄膜材料进行红外光谱分析，结果如图3所示.在图3中，3 075 cm-1、3 300 cm-1处出现的吸收峰分别对应于Al—O—H结构中O—H键的对称伸缩振动和非对称伸缩振动[11]；1 069、1 185 cm-1处出现的吸收峰分别对应于Al—O—H键的对称伸缩振动和非对称伸缩振动[12]；1 108 cm-1、619 cm-1附近出现的吸收峰分别是由Al—O键的伸缩振动和弯曲振动引起的[13].有研究者认为[14-16]，736 cm-1、619 cm-1和475 cm-1附近的吸收峰分别对应于AlO6八面体结构中Al—O键的扭转振动、弯曲振动以及伸缩振动.但在本实验中，经过焙烧后的各样品619 cm-1附近的吸收峰一直存在，736 cm-1和475 cm-1附近的吸收峰只有200 ℃焙烧的样品中较弱地出现，而在350 ℃和600 ℃焙烧的样品图谱中并未出现.在图3中，1 385 cm-1处出现的吸收峰是由未完全水解反应物中甲基、亚甲基的C—H振动引起的[17-18]；3 442 cm-1、3 580 cm-1和1 634 cm-1附近为吸附水的吸收谱带，其中 3 442 cm-1、3 580 cm-1处的吸收峰对应于水分子中O—H 键的伸缩振动，而1 634 cm-1处的吸收峰对应于水分子中O—H 键的弯曲振动.(a) 50 ℃; (b) 200 ℃; (c) 350 ℃; (d) 600 ℃图3 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的红外光谱图Fig.3 FTIR(Flourier transfom infrared spctroscopy) spectra ofAl2O3 film materials calcined at various temperature在50 ℃干燥的样品中，3 075 cm-1、3 300 cm-1处Al—O—H结构中O—H 键，1 069 cm-1、1 185 cm-1处的Al—O—H键及1 385 cm-1处的C—H吸收峰并存，说明膜材料的化学结构以Al—O—H键为主，其中存在未完全水解的反应物；当焙烧温度升高到200 ℃时，部分Al—O—H键发生转变形成了新的Al—O振动峰，Al—O—H结构中的O—H键仍然存在，C—H吸收峰变小，说明温度的升高促进了Al—O—H键的分子间脱水和未完全水解反应物的分解，膜材料的化学结构为Al—O—H和Al—O键共存；当焙烧温度增至350 ℃时，Al—O—H键彻底断裂，Al—O—H结构中的O—H键完全消失，C—H吸收峰形大大减弱，说明膜材料的化学结构发生了很大变化，此时膜材料的化学结构以Al—O 键为主；当焙烧温度继续升高到600 ℃时，整体峰形与350 ℃时相比变化不大，表明这两个温度下膜材料的化学结构未发生明显变化.2.3 TG-DTG分析50 ℃真空干燥的Al2O3凝胶材料TG - DTG曲线如图4所示.在图4中，DTG曲线在71.6、184.2和283.5 ℃处出现了3个明显的失重峰，对应于3个失重过程.这是因为Al2O3凝胶材料在形成过程中发生了以下主要反应，如式(2)～式(6)所示[19].水解反应：Al(OC3H7)2(OH)+C3H7OH(2)Al2O(OC3H7)2(OH)2+ 2C3H7OH (3)2C3H7OH (4)缩聚反应：(5)Al—O—Al+C3H7OH(6)图4 Al2O3凝胶材料的TG - DTG曲线Fig.4 TG - DTG(thermogravimetry-differential thermogravimetry) curves of Al2O3 gel materials第一阶段的失重在115 ℃左右完成，主要是由材料中的物理吸附水和反应产生的C3H7OH挥发引起的，其失重率约为10.8%；第二阶段的失重发生在115～220 ℃之间，主要是由材料中结合水的脱除及未完全水解产物的分解所致，其失重率为约12.0%；第三阶段的失重发生在220～600 ℃之间，在283.5 ℃时失重速率达到最大，主要是由AlOOH分子内脱水，材料发生相变生成Al2O3所致，其失重率约为22.2%；600 ℃以后趋于稳定，失重率不到1%.2.4 表面自由能计算表面自由能作为材料自身的重要特征，与其表面润湿性密切相关[20].van Oss - Chaudhury - Good等[21-22]认为，固体或液体表面自由能γ由非极性的Lifshitz - Van der Waals分量γLW和极性的Lewis酸 - 碱分量γAB组成，而γAB为电子供体γ-和电子受体γ+的几何平均值，即γ=γLW+γAB(7)γAB=2(γ+γ-)1/2(8)当固、液、气三相界面张力达到平衡，根据Young方程[23]及黏附功原理[24-25]得到固液界面相互关系为γL(1+cosθ)=2[(γSLWγLLW)1/2+(γS+γL-)1/2+(γs-γL+)1/2](9)式中，θ为液体在固体表面的接触角，γS(γL)、γSLW(γLLW)、γSAB(γLAB)、γS+(γL+)、γS-(γL-)分别为固体(液体)的表面自由能、非极性Lifshitz - Van der Waals分量、Lewis酸 - 碱分量、电子受体分量及电子供体分量.实验所选测试液蒸馏水、甘油、二碘甲烷的表面自由能及其分量如表2所示，它们在Al2O3无机薄膜表面的接触角如表3所示.通过式(7)～式(9)计算出薄膜的表面自由能及其分量，结果如表4所示.由表3可知，Al2O3薄膜表面的蒸馏水接触角都小于90°，表现为亲水特性.表4表明，随着焙烧温度的升高，Al2O3薄膜的表面自由能及其Lifshitz - Van der Waals分量、Lewis酸 - 碱分量都先减小后增大，在350 ℃时达到最小值.主要因为当温度从50 ℃升至350 ℃时，膜材料中水分子及AlOOH结构中O—H键含量逐渐减少，导致测试液内的羟基群与膜材料之间的亲和力不断减弱，Lewis酸 - 碱分量所占比例γSAB/γS降低了2%，表面润湿性减弱；当焙烧温度从350 ℃升至600 ℃时，膜材料分子内结构发生变化，导致膜材料内聚能增大，Lewis酸 -碱分量所所占比例γSAB/γS增加了1%，表面润湿性增强.3 结论1) 未焙烧的Al2O3膜材料化学结构以Al—O—H键、Al—O键为主，随着焙烧温度的升高，Al—O—H键逐渐断裂，至350 ℃时，Al—O—H键彻底断裂，膜材料化学结构变为以Al—O键为主.表2 20 ℃测试液体的表面自由能及其分量(×10-5 N·cm-1)Table 2 Surface free energies and their components of liquids for measuring contact angles at20 ℃(×10-5 N·cm-1)测试液γLLWγL+γL-γLABγL蒸馏水21．8025．5025．5051．0072．80甘油34．003．9257．4030．0064．00二碘甲烷50．800．000．000．0050．80表3 测试液在不同温度焙烧Al2O3薄膜表面的接触角Table 3 Contact angles of Al2O3 film surfaces calcined at various temperature using different liquids焙烧温度/℃接触角/(°)水甘油二碘甲烷5044．841．239．520051．245．843．035056．850．046．560049．544．240．6表4 不同温度焙烧的Al2O3薄膜表面自由能及其分量(×10-5 N·cm-1)Table 4 Surface free energies and their components of Al2O3 film surfaces calcined at various temperature (×10-5 N·cm-1)焙烧温度/℃γSLWγS+γS-γSABγSγSAB/γS5039．861．3228．4912．2552．110．2420038．071．31 23．7611．1749．240．2335036．201．2819．7710．0446．240．226003 9．311．3124．6411．3850．690．232) 未焙烧的Al2O3膜材料物相结构为γ - AlOOH，当焙烧温度为200 ℃时，少部分γ - AlOOH发生转变，至350 ℃时物相结构转变为γ - Al2O3，晶粒尺寸约为4.2 nm，当焙烧温度继续升高到600 ℃时，γ - Al2O3的结晶度变得更高，晶粒尺寸略有增大，达到4.4 nm.3) Al2O3薄膜表面表现为亲水特性，随着焙烧温度的增加，薄膜的表面自由能先减小后增大，当焙烧温度为350 ℃时，表面润湿性最弱，表面自由能达到最小值46.24×10-5 N/cm，Lifshitz - Van der Waals分量γLW、Lewis酸 - 碱分量γAB分别为36.20×10-5、10.04×10-5 N/cm.参考文献:[1] Yoldas B E. 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制造无机薄膜的技术方法无机薄膜是一种极薄的材料层，通常是几百到几纳米厚度。

无机薄膜在很多行业中都有广泛的应用，比如电子、能源、材料、医学等领域。

因此，制造无机薄膜的技术方法十分重要。

1. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种将固体材料通过升华转化为气态，然后在表面上沉积的技术方法。

物理气相沉积法通常包括蒸发沉积和磁控溅射两种方法。

蒸发沉积是将材料加热到其熔点以上，使其转化为气态，然后在表面上沉积。

磁控溅射是利用高能电子击打材料表面，将原子从材料表面弹出，并在下方表面沉积。

物理气相沉积法的优点是制备的薄膜具有高质量和良好的结晶性能，但需要高温和高真空条件，适用于特定的材料和厚度范围。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法通过在气态中添加反应气体，产生一种化学反应，将材料沉积在表面上。

化学气相沉积法通常包括气相沉积和等离子体增强化学气相沉积两种方法。

气相沉积是将反应气体引入反应室中，在表面上沉积材料。

等离子体增强化学气相沉积是利用等离子体产生反应气体，增强反应的效果。

化学气相沉积法能制备出厚度较大的薄膜，并且需要较低的温度和气压条件，适用于大量制备，但其薄膜质量、结晶性能和控制精度较低。

3. 溶液法溶液法是将材料溶解在溶剂中，然后将其涂覆在表面上并蒸发溶剂或进行其他处理，最终制备出薄膜。

溶液法包括旋涂法，离子溶胶沉积法等多种方法。

旋涂法是将溶解材料涂覆在旋涂器上，利用离心力在基板上制备出薄膜。

离子溶胶沉积法是通过在溶液中加入反应剂，产生离子和分子，并通过电场吸引离子到基板上制备薄膜。

溶液法制备工艺简单，适用于大面积和柔性基板，但是制备的薄膜质量和结晶性能较低。

4. 主动控制沉积技术主动控制沉积技术是一种根据图像处理和反馈控制系统，利用扫描探针显微镜对沉积过程进行实时监测，并调整气压等参数实现精密控制的技术。

主动控制沉积技术可以实现高分辨率薄膜制备，并提高制备效率，但其设备和成本较高。

综上所述，无机薄膜的制备方法有很多种，具体的制备方法需要根据应用场景和材料特性而定。

薄膜材料制备原理、技术及应用1. 引言1.1 概述薄膜材料是一类具有微米级、甚至纳米级厚度的材料，其独特的性质和广泛的应用领域使其成为现代科学和工程中不可或缺的一部分。

薄膜材料制备原理、技术及应用是一个重要且广泛研究的领域，对于探索新材料、开发新技术以及满足社会需求具有重要意义。

本文将着重介绍薄膜材料制备的原理、常见的制备技术以及不同领域中的应用。

首先，将详细讨论涂布法、旋涂法和离子束溅射法等不同的制备原理，分析各自适用的场景和优缺点。

然后，将介绍物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的薄膜制备技术，并比较它们在不同实际应用中的优劣之处。

最后，将探讨光电子器件、传感器和生物医药领域等各个领域中对于薄膜材料的需求和应用，阐述薄膜材料在这些领域中的重要作用。

1.2 文章结构本文将按照以下顺序进行介绍：首先，在第二部分将详细介绍薄膜材料制备的原理，包括涂布法、旋涂法以及离子束溅射法等。

接着，在第三部分将探讨物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及溶液法制备技术等常见的制备技术。

然后，在第四部分将介绍薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的应用，包括各个领域需求和现有应用案例。

最后，在结论部分对整篇文章进行总结，并提出未来研究方向和展望。

1.3 目的本文旨在全面系统地介绍薄膜材料制备原理、技术及应用，为读者了解该领域提供一个基本知识框架。

通过本文的阐述，读者可以充分了解不同的制备原理和方法，并了解到不同领域中对于特定功能或性质的薄膜材料的需求与应用。

同时，本文还将重点突出薄膜材料在光电子器件、传感器和生物医药领域中的重要作用，以期为相关研究提供参考和启发。

以上为“1. 引言”部分内容的详细清晰撰写，请根据需要进行修改补充完善。

2. 薄膜材料制备原理：2.1 涂布法制备薄膜：涂布法是一种常见的制备薄膜的方法，它适用于各种材料的制备。

首先，将所需材料以溶解或悬浮态形式制成液体，然后利用刷子、喷雾或浸渍等方式将液体均匀地涂敷在基板上。

博士学位论文摘要表面薄膜赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳以及特殊的光、热、电和磁等多种功能，在现代高新技术中受到了越来越多的重视，成为材料科学中最活跃的研究领域之一。

薄膜材料和薄膜技术为机械、能源和交通等部门，以及现代军事提供了具有优异性能的新材料和器件，极大地促进了光电子技术、计算机技术、航空航天技术等现代高新技术的发展，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。

本文研究了三种无机薄膜的制备工艺及其力学和耐蚀性能，获得了一些有意义的结果。

采用磁控溅射方法在硅和玻璃基体上沉积了BaTiO3(BTO)薄膜，通过原位测试不同厚度BTO薄膜的应力、介电常数和铁电性能随温度的变化规律，系统研究了薄膜的铁电性能与厚度和应力的关系，并用两种方法确定BTO薄膜的双轴杨氏模量和热膨胀系数。

实验结果表明，BTO薄膜中的应力为张应力。

膜中张应力随薄膜厚度的减小而增大，导致居里温度下降，剩余极化减小，矫顽场增大。

特别是当厚度较小(35~250nm)时，这种变化更加明显。

张应力对薄膜居里温度的影响主要位于300-450Mpa应力区间，在该区间内，应力增大导致薄膜居里温度线性下降（0.16℃/Mpa）。

根据温度升高过程中BTO薄膜应力曲线的斜率变化、介电常数峰值、电滞回线收缩等确定的居里温度一致。

由于薄膜中张应力的存在，BTO薄膜相变温度比体材料的相变温度低。

电滞回线表明铁电-顺电相变开始于BTO薄膜的居里温度，并持续到接近BTO体材料的居里温度。

说明BTO薄膜中存在多种畴。

BTO薄膜的铁电性能主要由膜内畴决定，而表面畴的影响相对很小。

另外，根据升温过程中铁电-顺电相变时晶胞体积和应变的变化，以及不同基体上BTO薄膜应力随温度变化率的计算结果表明，BTO薄膜双轴杨氏模量比体材料的稍大，而热膨胀系数比体材料的偏小。

薄膜应力的存在和变化对薄膜与基体的粘结强度有很大影响。

为了制备高质量的类金刚石（DLC）薄膜，并改善DLC薄膜和基体之间的粘接强度，采用双离子束轰击混合（DIBM）技术+离子束沉积(IBD)技术在钢基体上沉积DLC膜，研究了DLC膜的力学性能和耐蚀性能。