化学气相沉淀法分析
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液相制备纳米材料的原理、方法和形成机理液相法实在液体状态下通过化学反应制取纳米材料方法的总称,又称为湿化学法或溶液法。
现在,有各种各样的制备方法,文献中无公认一致的分类方法,相反还有些凌乱。
为清晰醒目,特点明显,便于理解。
这里将液相材料的纳米制备方法分为:沉淀法、溶胶-凝胶(sol-gel)法、水热法、化学还原法、化学热分解法、微乳胶法、声化学法、电化学法和水中放电法等9中。
本章就沉淀法、溶胶-凝胶(sol-gel)法加以讨论。
沉淀法沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂,进行化学反应,生成难容性的反应物,在溶液中沉淀下来,或将沉淀物加热干燥和煅烧,使之分解得到所需要的纳米材料的方法。
沉淀法又主要分为共沉淀(CP),分布沉淀(SP),均匀沉淀(HP)等几种。
下面对这几种沉淀法做一简要分析。
含1种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后,所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。
(包括:单项共沉淀发和混合共沉淀法)下图给出共沉淀法的典型工艺流程。
沉淀物为单一化合物或单相固溶体时,称为单相共沉淀,亦称化合物沉淀法。
其原理为溶液中的金属离子是以具有与配比组成相等的化学计量化合物形式沉淀的,因而,当沉淀颗粒的金属元素之比就是产物化合物的金属元素之比时,沉淀物具有在原子尺度上的组成均匀性。
但是,对于由二种以上金属元素组成的化合物,当金属元素之比按倍比法则,是简单的整数比时,保证组成均匀性是可以的。
然而当要定量的加入微量成分时,保证组成均匀性常常很困难,靠化合物沉淀法来分散微量成分,达到原子尺度上的均匀性。
如果是形成固溶体的系统是有限的,固溶体沉淀物的组成与配比组成一般是不一样的,则能利用形成固溶体的情况是相当有限的。
要得到产物微粒,还必须注重溶液的组成控制和沉淀组成的管理。
为方便理解其原理以利用草酸盐进行化合物沉淀的合成为例。
反应装置如图:图 利用草酸盐进行化合物沉淀的合成装置实验原理:在Ba 、Ti 的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后,形成了单相化合物BaTiO3(C2H4)2•4H2O 沉淀;BaTiO3(C2H4)•4H2O 沉淀由于煅烧,分解形成BaTiO3微粉。
论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点物理气相沉积技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积的主要方法有,真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜,及分子束外延等。
发展到目前,物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
真空蒸镀基本原理是在真空条件下,使金属、金属合金或化合物蒸发,然后沉积在基体表面上,蒸发的方法常用电阻加热,高频感应加热,电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料,使蒸发成气相,然后沉积在基体表面,历史上,真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下,使氩气进行辉光放电,这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+),氩离子在电场力的作用下,加速轰击以镀料制作的阴极靶材,靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。
如果采用直流辉光放电,称直流(Qc)溅射,射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。
磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。
电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下,用引弧针引弧,使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电,阴极表面快速移动着多个阴极弧斑,不断迅速蒸发甚至“异华”镀料,使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体,并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑,所以也称多弧蒸发离化过程。
离子镀基本原理是在真空条件下,采用某种等离子体电离技术,使镀料原子部分电离成离子,同时产生许多高能量的中性原子,在被镀基体上加负偏压。
这样在深度负偏压的作用下,离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤:(1)镀料的气化:即使镀料蒸发,异华或被溅射,也就是通过镀料的气化源。
(2)镀料原子、分子或离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后,产生多种反应。