纳米薄膜的结构和性能

纳米纤维膜的特点
纳米纤维膜是一种由纳米纤维构成的薄膜，具有以下特点：
1. 高比表面积：纳米纤维膜的纳米纤维直径通常在10-1000纳米之间，因此具有非常高的比表面积，能够提高物质的吸附和反应速率。

2. 高孔隙率：由于纳米纤维的互相交织和侧向连接，纳米纤维膜具有高孔隙率，使其具有良好的渗透性和过滤效果。

3. 高强度：纳米纤维膜的纳米纤维之间相互交织，形成了一种高度有序的结构，这种结构赋予了纳米纤维膜极高的强度和韧性。

4. 超疏水和超亲水：由于纳米纤维膜的微观结构，其表面具有特殊的超疏水或超亲水性质，可以应用于自清洁、防污染、防水等领域。

5. 可控性好：纳米纤维膜的制备可以通过改变纳米纤维的直径、形态、密度、排列方式等参数来实现对纳米纤维膜结构和性能的控制。

6. 应用广泛：纳米纤维膜具有良好的渗透性、过滤效果、防污染性能等特性，可以应用于水处理、空气净化、医疗、能源、电子等众多领域。

- 1 -。

碳纳米管薄膜碳纳米管薄膜是由碳纳米管组成的一种薄膜材料。

碳纳米管是由碳原子构成的纳米级管状结构，具有优异的力学、电学和热学性能。

碳纳米管薄膜由于其独特的结构和性能，被广泛应用于电子学、光电子学、能源储存和传感器等领域。

碳纳米管薄膜具有优异的力学性能。

碳纳米管的直径非常小，通常在纳米级别，但其强度却非常高，可以承受很大的拉伸力。

这使得碳纳米管薄膜具有良好的韧性和柔韧性，可以在各种复杂的形状和表面上制备成膜。

碳纳米管薄膜的高强度和柔韧性使其具有很大的应用潜力，可以用于制备柔性电子设备和柔性光电器件。

碳纳米管薄膜具有优异的电学性能。

碳纳米管是一种半导体材料，具有特殊的电子输运性质。

碳纳米管薄膜可以用作电极材料或导电薄膜，具有低电阻率和高电流密度的特点。

此外，由于碳纳米管的高载流子迁移率和较低的电子散射率，碳纳米管薄膜还具有优异的导电性能和电子传输性能。

因此，碳纳米管薄膜可以应用于高性能电子器件和集成电路的制备。

碳纳米管薄膜还具有优异的热学性能。

碳纳米管的热导率非常高，远远超过传统的热导材料。

碳纳米管薄膜可以应用于制备高效的热导材料，用于散热和热管理。

此外，碳纳米管薄膜还具有良好的热稳定性和耐高温性能，可以在高温环境下稳定工作。

因此，碳纳米管薄膜在电子器件和光电器件的散热和热管理方面具有广阔的应用前景。

碳纳米管薄膜还可以应用于能源储存领域。

由于碳纳米管具有大比表面积和丰富的孔隙结构，碳纳米管薄膜可以用作电容器、超级电容器和锂离子电池的电极材料。

碳纳米管薄膜的高比表面积可以增加电极材料与电解质的接触面积，提高电极的容量和能量密度。

碳纳米管薄膜还可以应用于传感器领域。

由于碳纳米管的高比表面积和敏感性，碳纳米管薄膜可以用于制备高灵敏度的气体传感器、化学传感器和生物传感器。

碳纳米管薄膜可以通过吸附、吸附剂和电子传输等多种机制来实现对气体、化学物质和生物分子的检测和识别。

碳纳米管薄膜传感器具有高灵敏度、快速响应和良好的选择性，具有广泛的应用前景。

纳米材料简介
纳米材料是指至少在一个尺度上具有纳米级别尺寸（通常是1到100纳米）的材料。

这些材料具有独特的物理、化学和生物学特性，与其大尺度相同的材料相比，纳米材料常常表现出截然不同的性能和行为。

以下是纳米材料的一些常见类型和特点：
1.纳米颗粒：纳米颗粒是一种在三维空间中具有纳米级尺寸的颗粒状物质。

由于其表面积相对较大，纳米颗粒常常表现出优异的光学、电子和磁学性能，广泛应用于催化、生物医学、能源存储等领域。

2.纳米线/纳米管：纳米线和纳米管是一种在一个或多个维度上具有纳米级尺寸的细长结构材料。

它们具有高比表面积和优异的电子、热学和力学性能，可用于纳米电子器件、传感器、能量转换等领域。

3.纳米薄膜：纳米薄膜是一种在表面上具有纳米级厚度的薄膜材料，通常由单层或多层纳米结构组成。

纳米薄膜具有良好的光学、电学和机械性能，在光电子器件、涂料、柔性电子等领域具有广泛应用。

4.纳米复合材料：纳米复合材料是将纳米材料与宏观材料进行复合而成的材料，通过控制纳米材料的分散、填充和界面特性，可以显著改善宏观材料的性能，如增强强度、改善导电性、提高耐磨性等。

5.碳纳米材料：碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒等，具有优异的导电性、热导性、力学性能和化学稳定性，广泛应用于电子器件、催化剂、材料强化等领域。

纳米材料的独特性质和广泛应用使其成为了科学研究和工业应用的热点领域之一，对于推动材料科学、纳米技术和相关产业的发展具有重要意义。

薄膜材料的结构和性质薄膜材料是一种在现代工程和科技领域广泛应用的材料。

薄膜材料的结构和性质是决定其应用领域和性能的关键因素。

本文将介绍薄膜材料的结构和性质，并且阐述其在现代应用中的作用。

一、薄膜材料的结构薄膜材料是用溶液、气相、物理气相沉积或其他特殊方法制备的具有厚度在纳米到微米级之间的材料。

薄膜材料的结构可以分为单层膜和复合膜两种。

单层膜材料的结构简单，是由一个单一的材料组成的。

而复合膜材料由两种或两种以上的材料组成。

单层膜材料中，有机薄膜和无机薄膜是两种主要的类型。

有机薄膜可以是单一的高分子化合物，如聚合物和蛋白质，也可以是多种有机化合物的混合物。

然而，无机薄膜主要是由金属化合物和非金属化合物组成的，如氮化硅、氧化锌和氧化铝。

复合膜材料的结构复杂多样，包括两种材料的层状复合膜、不同材料的交替堆层膜和多元复合膜等。

其中，层状复合膜又可以分为层流复合、分子间作用层间复合以及互分布层间复合。

二、薄膜材料的性质薄膜材料的性质是其应用的关键，因为它们直接影响着材料的功能和性能。

薄膜材料的性质包括物理性质、化学性质和光学性质。

物理性质：薄膜材料的物理性质如密度、熔点、固化温度、硬度、弹性模量等往往与相应材料的体积相比有所变化。

例如，聚合物在形成薄膜后通常比原来的体积密度更低。

在这些性质方面，薄膜材料的行为往往是不同于体积材料的。

化学性质：薄膜材料的化学性质通常是由材料本身和加工方法共同决定的。

由于其表面积大、颗粒小，在化学反应和承受环境变化时，它们的响应也不同于体积材料。

面向化学特性的研究是用来检测这些特性并表征所使用薄膜材料的作用和性能的关键。

光学性质：薄膜材料的光学性质是其应用于光学晶体管等领域的原理依据。

光电材料必须具有较强的吸收、发射、调制和切换光学信号的能力。

因此，它们的光学性质应符合基本的光学特性，如透明度、折射率、色散、发射率和吸收率等。

三、薄膜材料在现代应用中的作用薄膜材料的结构和性质是使其在现代应用中具有广泛适用性的原因。

纳米滤膜的工作原理纳米滤膜是一种高效过滤材料，其工作原理基于纳米级孔隙结构和表面性质的特殊设计。

本文将介绍纳米滤膜的原理及其应用。

一、纳米滤膜的结构纳米滤膜的基本结构由多个纳米级薄膜层叠加而成，每层膜的厚度仅为数纳米至数百纳米。

这些纳米膜通常由聚合物、陶瓷或金属等材料构成，具有优异的过滤性能。

二、纳米滤膜的过滤机制纳米滤膜主要通过两种基本机制实现过滤功能：筛分和吸附。

1. 筛分：纳米滤膜具有均匀分布的纳米孔隙，其孔隙尺寸范围通常为1到100纳米，可根据需求调整。

当待处理的物质通过滤膜时，尺寸大于孔隙的物质无法通过，而尺寸较小的物质则可以通过孔隙，实现分离和过滤的目的。

2. 吸附：纳米滤膜表面的纳米颗粒或功能化分子具有高度吸附能力，对待处理物质中的杂质、颗粒或溶质进行吸附。

通过吸附作用，纳米滤膜能够有效去除物质中的微量杂质，提高过滤效率和净化质量。

三、纳米滤膜的应用纳米滤膜广泛应用于各个领域，包括水处理、食品加工、制药、生物医学等。

以下是几个常见应用领域的介绍：1. 水处理：纳米滤膜在水处理中起到关键作用。

其高效的过滤机制能够去除水中的微量悬浮颗粒、有机物、重金属等污染物，提供清洁安全的饮用水。

同时，纳米滤膜还能够拦截病毒、细菌和微生物，防止水中传播疾病的风险。

2. 食品加工：纳米滤膜在食品加工中的应用主要是用于液体的分离和浓缩。

通过纳米滤膜的筛分机制，可以去除食品中的悬浮颗粒、胶体物质等杂质，提高产品的质量和纯度。

3. 制药：在制药过程中，纳米滤膜通常用于分离和纯化药物。

通过纳米滤膜的吸附和筛分机制，能够去除药物中的微量杂质、溶剂和其他不需要的成分，保证药物的安全性和有效性。

4. 生物医学：纳米滤膜在生物医学领域发挥着重要作用。

它可以用于分离和富集生物分子、细胞和病原体，研究生物反应、诊断疾病以及制备生物医学材料。

总结：纳米滤膜是一种高效过滤材料，其工作原理基于纳米级孔隙结构和表面性质的设计，在水处理、食品加工、制药和生物医学等领域有着广泛应用。

等体积纳米结构聚合物薄膜的制备及性能研究聚合物薄膜是一类具有很广泛应用前景的新型功能材料。

例如，聚合物薄膜广泛应用于电子信息、能源领域以及环境保护等方面。

然而，目前用于制备聚合物薄膜的工艺中，存在制备过程复杂、形貌控制难度大、性能稳定性差等问题。

为了解决这些问题，最近研究人员通过富含亲水基团的模板表面修饰和等体积纳米结构控制等手段，实现了一种新型的聚合物薄膜制备技术。

该研究有望为聚合物薄膜的制备提供新的思路，并在相关领域得到广泛应用。

在这种新型聚合物薄膜制备技术中，研究人员首先在模板表面引入亲水分子。

这些亲水基团可以使聚合物在表面均匀排列，并减少聚合物膜的缺陷。

接着，研究人员引入带有烯丙基官能团的前驱物单体，通过自由基聚合反应在模板表面形成等体积纳米结构，最终形成聚合物薄膜。

在研究中，研究人员采用了原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段对聚合物薄膜进行了形貌分析。

结果表明，采用亲水基团进行表面修饰后，聚合物在模板表面的形貌得到了有效控制。

同时，聚合物薄膜中等体积纳米结构的对称性也得到了有效保障，从而避免高分子链的扭曲和聚集现象。

此外，研究人员还对聚合物薄膜的性能进行了评估。

结果表明，这种新型聚合物薄膜具有优异的热稳定性和机械性能。

在高温条件下，聚合物薄膜不会产生明显的熔融或拉伸现象，从而保证了其在高温环境下的稳定性。

此外，聚合物薄膜的力学性能也相对较好，可以承受较大的拉伸应力，并保持长期的稳定性。

总之，这项研究为聚合物薄膜的制备提供了一种新的思路，其应用前景广阔，未来可望在电子信息、能源和环境保护等领域发挥重要作用。

同时，这项研究也为相关材料科学领域的制备技术提供了一定的参考价值，并为未来的相关研究提供了新的思路和方向。

碳纳米薄膜
1碳纳米薄膜的定义
碳纳米薄膜是由机械旋转的钻头将碳量子晶体拉伸为薄膜的一种材料，也称为碳纳米管（CNT）薄膜。

它由一系列互相紧密包裹在一起的碳原子形成的狭窄密封柱或波纹状结构，直径尺寸介于一纳米和数百纳米之间。

2碳纳米薄膜的特性
碳纳米薄膜具有良好的强度和韧性，具有极高的电除尘能力、阻隔能力和电性能。

它的优势在于可以减少或完全抵抗电场，在绝对密封环境和复杂压力梯度条件下仍能发挥卓越的机械性能。

此外，它还具有高分子化学相容性，可以与任何结构性配料形成水凝胶被膜，实现有效的渗透、排气控制技术。

3碳纳米薄膜的应用
由于其独特的电除尘能力和耐热性，碳纳米薄膜一直被广泛应用于各种电气设备的可靠性加强如飞机、卫星、汽车和其他高要求设备。

它还可以用于制造航空航天和精密电气系统，以减少重量，改善系统性能，提高可靠性和可维护性。

此外，由于其尺寸小、重量轻、刚性高、耐热性强、安全性高等优点，碳纳米薄膜也可用于制造高性能消费品和医疗器械设备。

4总结
碳纳米薄膜是一种具有优良机械性能、高渗透性、强热稳定性、高耐碱性等优势的材料，广泛应用于电气设备、航空航天精密电气系统、消费品和器械设备等领域，在节能环保方面发挥着重要作用。

二维纳米薄膜材料概述二维纳米薄膜材料是一种具有特殊结构和性质的纳米材料，其厚度只有几个原子或几个分子层。

与传统的三维材料相比，二维纳米薄膜材料具有独特的电子、光学、磁学和机械性质，被广泛应用于电子器件、储能、传感器、催化剂等领域。

二维纳米薄膜材料独特的性质源于其极薄的结构。

由于其结构只有几个原子或分子层，表面积相对较大，而体积相对较小，从而导致一系列特殊的物理、化学性质。

例如，二维纳米薄膜材料具有巨大的比表面积，这可以增加其与外界的相互作用，使得其在催化剂、气体传感器等应用中表现出卓越的性能。

此外，二维纳米薄膜材料还具有优异的电子输运性能，其载流子能够在平面上自由传输，使得其在纳米电子器件中具有巨大的潜力。

目前，二维纳米薄膜材料已经被广泛研究和应用。

其中最著名的材料之一是石墨烯。

石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜，具有优异的导电性能和机械性能，被认为是未来电子器件的候选材料。

除了石墨烯，还有许多其他的二维纳米薄膜材料，如二硫化钼、二硫化钨、二硫化硒等。

这些材料也具有独特的性质，例如，二硫化钼具有优异的光学吸收和光致发光性能，被广泛用于光电器件和传感器。

二维纳米薄膜材料的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学溶液法等。

机械剥离法是目前最常用的制备方法之一，通过在晶体表面撕去原子层来得到二维纳米薄膜。

化学气相沉积法利用化学反应在基底上沉积原子层来制备二维纳米薄膜。

化学溶液法通过调节溶液中的反应条件来得到二维纳米薄膜。

总之，二维纳米薄膜材料具有独特的结构和性质，被广泛应用于电子器件、储能、传感器、催化剂等领域。

随着制备技术的不断进步和发展，预计二维纳米薄膜材料将在各个领域取得更多的突破和应用。

纳米薄膜材料
纳米薄膜材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其厚度通常在纳米尺度范围内。

由于其特殊的物理和化学性质，纳米薄膜材料在许多领域都具有重要的应用价值，例如光电子器件、传感器、催化剂等。

本文将对纳米薄膜材料的特性、制备方法和应用进行介绍。

首先，纳米薄膜材料具有较大的比表面积和较高的表面活性，这使得其在催化
剂和传感器等领域具有重要的应用价值。

与传统材料相比，纳米薄膜材料能够更有效地与周围环境发生相互作用，从而提高了催化和传感性能。

其次，纳米薄膜材料的制备方法多种多样，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法等。

这些方法可以根据具体的需求选择合适的工艺条件，从而得到具有特定结构和性能的纳米薄膜材料。

例如，通过控制沉积温度、压力和反应气体组成等参数，可以制备出具有优异性能的纳米薄膜材料。

最后，纳米薄膜材料在光电子器件、传感器和催化剂等领域具有广泛的应用。

例如，纳米薄膜材料可以作为光电子器件中的光学薄膜、导电薄膜等关键部件，从而提高器件的性能和稳定性。

在传感器领域，纳米薄膜材料的高表面活性和灵敏度使得其能够更快速、更准确地响应外界环境的变化。

同时，纳米薄膜材料还可以作为催化剂，用于促进化学反应的进行，提高反应速率和选择性。

综上所述，纳米薄膜材料具有特殊的结构和性能，其制备方法多样，应用领域
广泛。

随着纳米技术的不断发展，纳米薄膜材料必将在各个领域发挥重要作用，推动相关技术的进步和应用的拓展。

磁控溅射(Ti,Al)N纳米晶薄膜的结构和性能贺春林;高建君;张金林;王苓飞;李蕊;解磊鹏;马国峰;王建明【摘要】通过在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜.采用场发射扫描电镜、X 射线衍射和纳米压痕技术研究了薄膜的微结构和力学性能.结果表明,(Ti,Al)N膜具有细小、致密和光滑的表面结构.在交替沉积过程中Ti原子会被较小的Al原子取代,形成面心立方结构的(Ti,Al)N薄膜,并存在(200)面择优取向.与TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄膜的晶粒尺寸和晶格常数均有所下降;(Ti,Al)N薄膜的硬度H明显提高,而弹性模量E却稍有降低,其结果使H3/E2比值大幅提高,薄膜的抗塑性变形能力增强.(Ti,Al)N纳米晶薄膜的高性能主要归因于固溶强化机制.【期刊名称】《沈阳大学学报》【年(卷),期】2015(027)003【总页数】5页(P173-176,184)【关键词】(Ti,Al)N;纳米晶薄膜;反应溅射;微结构;力学性能【作者】贺春林;高建君;张金林;王苓飞;李蕊;解磊鹏;马国峰;王建明【作者单位】沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044【正文语种】中文【中图分类】TB174TiN薄膜因具有高硬度、高耐磨性和化学稳定性而广泛应用于机械加工刀具和模具的耐磨防护涂层[1].通常,TiN薄膜采用离子镀和磁控溅射等物理气相沉积方法制备,其力学和腐蚀性能取决于膜结构,而膜结构又与制备工艺密切相关[2-5].尽管TiN薄膜一直占据着主导位置,但由于TiN在高于500℃时会快速氧化,因而极大地限制了其应用领域.为了改进TiN膜的抗氧化性能,人们采用合金化的方法制备了三元化合物(Ti,Al)N[6-7],由于可在其表面形成一层致密、高结合强度的Al2O3层,因此(Ti,Al)N涂层的抗氧化温度可由500℃提高到925℃[8]68.同时,合金化还有利于提高薄膜的力学性能,如明显改进硬度,维持高的断裂韧性和膜基结合力等[9].本文通过在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜,并对其结构和力学性能进行了研究.试样基体为单面抛光的单晶Si(100)片和AISI 304不锈钢板.基体用丙酮和酒精依次超声波清洗除油,冷风吹干后装入真空室准备镀膜.磁控溅射设备采用中科院沈阳科学仪器有限公司生产的JGP 450三靶磁控溅射镀膜系统.靶材为直径60mm的高纯Ti靶(99.99 %,质量分数)和高纯Al靶(99.999%,质量分数).开始溅射前,先将腔体的本底压强抽到0.6mPa后,通入高纯氩气(99.999%,质量分数),溅射Ti靶10min以获得Ti薄层用于改善界面结合强度,然后再通入高纯氮气(99.999%,质量分数),其中氩气和氮气的流量分别为30和4mL/min,Ti靶(DC)电流0.2A,Al靶(RF)功率150W,负偏压-70V,基体温度600℃,工作气压0.5Pa,通过计算机控制靶材挡板的打开时间来交替沉积TiN和AlN薄膜,Ti和Al靶溅射时间均为7s,周期数为300;TiN单层膜的沉积时间为1h.采用场发射扫描电镜(S 4800 FESEM)分析表面和断面形貌,用Bede-D1型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析,X射线源为CuKα(λ=0.154056nm)射线,扫描范围30°~90°.用MTS XP纳米压痕仪测量薄膜的硬度和弹性模量,用Berkovich三棱锥金钢石压头,最大载荷选用1.5mN以确保压痕深度/膜厚比值小于1/7以避免基体对测量的影响.纳米压痕实验进行5次,取平均值,以确保数值重现性.图1为不同偏压下沉积的TiN和(Ti,Al)N薄膜FESEM表面形貌.与相同条件下沉积的TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄膜表面更为均匀、光滑、致密,缺陷也更少些.这是因为采用了适中的负偏压(-70V)和高的沉积温度(600℃),能够确保表面吸附原子的迁移率足够大而反溅射作用不明显[10].由图1可见,薄膜组织非常细,TiN和(Ti,Al)N薄膜均属于纳米结构薄膜.图2为薄膜的横截面FESEM形貌,由图可见,TiN和(Ti,Al)N薄膜都具有柱状晶结构,这也是磁控溅射TiN和(Ti,Al)N薄膜的典型结构[11-12].TiN和(Ti,Al)N薄膜厚度分别为338和293nm.假如TiN单层的沉积速率不变,而且在薄膜制备过程中,Ti和Al原子间不存在扩散过程,那么,计算出的(Ti,Al)N薄膜中TiN和AlN单层厚度分别为0.66和0.32nm.事实上,在600℃高温沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散过程不可避免.由于TiN和AlN单层厚度非常薄,因此通过本文所采用的在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶,是完全可能制备出(Ti,Al)N薄膜(不是TiN/AlN多层膜)的.图3为TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的XRD图谱. 图谱中的43.6°,44.3°,50.7°,64.6°和82.3°衍射峰为AISI 304基体,在36.3°,42.3°,61.5°,74.3°和77.7°衍射峰分别对应TiN的(111),(200),(220),(311)和(222)晶面, 其中的择优取向为(200)晶面. 由图3可看出,(Ti,Al)N纳米薄膜的XRD图谱与TiN薄膜几乎完全相同, 只是其峰位稍有右移[8]73. 文献[13]认为这些峰对应的是(Ti,Al)N薄膜. 这表明Al原子取代了TiN晶格中的Ti原子形成了(Ti,Al)N固溶体.由布拉格方程2dsinθ=λ可知,衍射角增大则晶面间距d将减小,于是,基于(111)面计算出的晶格常数a=30.5d也将变小.表1给出了晶格常数计算结果.由于金属Al 的原子半径(rAl=0.143nm)小于Ti(rTi=0.146nm),在600℃高温的成膜过程中,Ti 和Al原子间的互扩散导致Al原子取代了TiN晶格中的部分Ti原子,形成了(Ti,Al)N固溶体,其结果使(Ti,Al)N纳米薄膜的晶格常数a减小[8]67.理论上,对所有具有B1 NaCl-型fcc结构的过渡金属氮化物,它们的(200)面具有最低的表面自由能[14],因此薄膜具有强的(200)晶面择优取向.在薄膜生长过程中,织构的演变实际上与表面能和应变能的竞争有关.在总能量中当表面能为主时,薄膜沿(200)面生长;而当应变能为主时,薄膜沿(111)面生长[15].本文中,当Al原子进入TiN晶格中后,会导致部分Ti原子被更小的Al原子取代,引起TiN晶格畸变,结果导致应变能增加.于是,(200)面择优取向强度下降,与此同时,(111)面取向则有所增加(见图3).根据X射线衍射理论,晶粒尺寸在100nm以下时,衍射峰的宽度会随着晶粒尺寸的减小而变宽,薄膜的晶粒尺寸可由Debye-Scherrer 公式计算得出:式中:D为晶粒尺寸(nm);K为常数(K=0.91);λ为入射X射线的波长(nm);β为衍射峰的半高宽(Rad);θ为布拉格角(°).对(111)晶面,由式(1)计算得到的TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的晶粒尺寸分别为11.3和9.1nm(见表1),这表明Al原子取代TiN晶格中的部分Ti原子后,薄膜的晶粒尺寸稍有减小.TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜具有细小的晶粒尺寸是由于高能撞击离子进入TiN致密膜的晶格中,所形成的大量缺陷会增加择优形核点数量,导致晶粒细化[16].采用纳米压痕仪测得的TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的硬度和弹性模量列于表1.由表1可见,Ti原子被更小的Al原子取代后会导致薄膜的H由(25.8±1.9)GPa增加到(30.0±2.2)GPa,而E则由(322.9±20.0)GPa降到(311.1±23.5)GPa.(Ti,Al)N纳米薄膜的高力学性能归因于如下机制:①晶粒细化机制.由于TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的晶粒尺寸仅为9.1~11.3nm(表1),根据Hall-Petch方程,TiN和(Ti,Al)N薄膜会显示出高的力学性能.但由于TiN和(Ti,Al)N薄膜的晶粒尺寸差别不大,因此Hall-Petch方程不能解释为何TiN和(Ti,Al)N薄膜的硬度存在较大差异.②固溶硬化机制[8]68.Ti被更小的Al原子取代会诱导晶格应变,结果会导致硬度增加.固溶硬化是导致(Ti,Al)N比TiN纳米薄膜具有更高硬度的主要因素.文献[17-18]报道,硬度和弹性模量具有类似的行为,即硬度大的涂层其弹性模量也大.本文的实验结果与文献[17-18]不一致,但与文献[19]相似.文献[19]认为,纳米层状CrTiAlN薄膜尽管硬度与TiN薄膜相近但比CrN更高,但其弹性模量却比TiN和CrN薄膜都低.与TiN薄膜相比,(Ti,Al)N纳米薄膜有更高的硬度和更低的弹性模量,意味着(Ti,Al)N薄膜具有更高的H3/E2比(见表1).通常,可用硬度和弹性模量比H3/E2来表征薄膜的韧性,该比值越高,表明薄膜的抵抗塑性变形能力也越高[20-21].由表1可见,本文所制备的(Ti,Al)N纳米薄膜的H3/E2比为0.28GPa,比TiN薄膜的0.17GPa提高了64.7%.这表明(Ti,Al)N纳米薄膜的抗开裂能力得到了大幅提高.通过在N2气氛、600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜.(Ti,Al)N膜组织细小、致密和光滑,具有明显的柱状晶结构.在交替沉积过程中Ti原子会被较小的Al原子取代,形成面心立方结构的(Ti,Al)N薄膜,其择优取向为(200)面.与同条件下形成的TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄的晶粒尺寸稍有减小,为9.1nm,晶格常数也有所下降;(Ti,Al)N薄膜的硬度明显提高,而弹性模量却稍有下降,其结果使H3/E2比值大幅提高,表明该薄膜具有更高的抵抗塑性变形能力.(Ti,Al)N纳米晶薄膜的强化效应主要归因于固溶强化机制.【相关文献】[1] Musil J, Vlcek J. A Perspective of Magnetron Sputtering in Surface Engineering[J]. Surfa ce and Coatings Technology, 1999,112(1/2/3):162-169.[2] Wang H L, Zhang S, Li Y B, et al. Bias Effect on Microstructure and Mechanical Properti es of Magnetron Sputtered Nanocrystalline Titanium Carbide Thin Films[J]. Thin Solid Film s, 2008,516(16):5419-5423.[3] Devia D M, Restrepo-Parra E, Arango P J, et al. TiAlN Coatings Deposited by Triode Magnetron Sputtering Varyi ng the Bias Voltage[J]. Applied Surface Science, 2011,257(14):6181-6185.[4] Gangopadhyay S, Acharya R, Chattopadhyay A K, et al. Effect of Substrate Bias Voltage on Structural and Mechanical Properties of Pulsed DC Magnetron Sputtered TiN-MoSx Composite Coatings[J]. Vacuum, 2010,84(6):843-850.[5] 贺春林,朱跃长,张金林,等. 磁控溅射沉积TiN薄膜工艺优化[J]. 沈阳大学学报:自然科学版, 2014,26(4):272-276.(He Chunlin, Zhu Yuechang, Zhang Jinlin, et al. Process Optimization of TiN Thin Films Pre pared by Magnetron Sputtering[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2014, 26(4):272-276).[6] Jehn H A, Hofmann S, Ruckborn V, et al. Morphology and Properties of Sputtered (Ti,Al )N Layers on High Speed Steel Substrates as a Function of Deposition Temperature and S puttering Atmosphere[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A, 1986,4(6):2701-2705.[7] Hakansson G, Sundgren J E. Microstructure and Physical Properties of Polycrystalline M etastable Ti0.5Al0.5N Alloys Grown by d.c. Magnetron Sputter Deposition[J]. Thin Solid Fil ms, 1987,153(1/2/3):55-65.[8] 宋贵宏,杜昊,贺春林. 硬质与超硬涂层—结构、性能、制备与表征[M]. 北京:化学工业出版社, 2007.(Song Guihong, Du Hao, He Chunlin. Hard and Superhard Coatings: Microstructure, Prope rties, Preparation and Characterization[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2007.)[9] Cavaleiro A, De Hosson J T M. Nanostructured Coatings[M]. New York: Springer-Verlag, 2006.[10] Patsalas P, Charitidis C, Logothetidis S. The Effect of Substrate Temperature and Biasi ng on the Mechanical Properties and Structure of Sputtered Titanium Nitride Thin Films[J]. Surface and Coatings Technology, 2000,125(1/2/3):335-340.[11] Grips V K W, Barshilia H C, Selvi V E, et al. Electrochemical Behavior of Single Layer Cr N, TiN, TiAlN Coatings and Nanolayered TiAlN/CrN Multilayer Coatings Prepared by React ive Direct Current Magnetron Sputtering[J]. Thin Solid Films, 2006,514(1/2):204-211. [12] Cunha L, Andritschky M, Rebouta L, et al. Corrosion of TiN, (TiAl)N and CrN Hard Coat ings Produced by Magnetron Sputtering[J]. Thin Solid Films, 1998,317(1/2):351-355. [13] Chen J T, Wang J, Zhang F, et al. Characterization and Temperature Controlling Prope rty of TiAlN Coatings Deposited by Reactive Magnetron Co-Sputtering[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009,472(1/2):91-96.[14] Rong S Q, He J, Wang H J, et al. Effects of Bias Voltage on the Structure and Mechani cal Properties of Thick CrN Coatings Deposited by Mid-Frequency Magnetron Sputtering[J]. Plasma Science and Technology, 2009,11:38-41. [15] Xiao L S, Yan D R, He J N, et al. Nanostructured TiN Coating Prepared by Reactive Plas ma Spraying in Atmosphere[J]. Applied Surface Science, 2007,253(18):7535-7539. [16] Mattox D M. Particle Bombardment Effects on Thin-Film Deposition: A Review[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A, 1989,7(3):1105-1114.[17] Hsu C H, Chen K L, Lin Z H, et al. Bias Effects on the Tribological Behavior of Cathodic Arc Evaporated CrTiAlN Coatings on AISI 304 Stainless Steel[J]. Thin Solid Films, 2010,518( 14):3825-3829.[18] Rebholz C, Leyland A, Matthews A, et al. Correlation of Elastic Modulus, Hardness and Density for Sputtered TiAlBN Thin Films[J]. Thin Solid Films, 2006,514(1/2):81-86. [19] Yang Q, Zhao L C, Cai F, et al. Wear, Erosion and Corrosion Resistance of CrTiAlN Coat ing Deposited by Magnetron Sputtering[J]. Surface and Coatings Technology, 2008,202(1 6):3886-3892.[20] Tsui T Y, Pharr G M, Oliver W C, et al. Nanoindentation and Nanoscratching of Hard C arbon Coatings for Magnetic Disks[J]. Materials Research Society Symposium Proceeding, 1995,383:447-451.[21] Musil J, Kunc F, Zeman H, et al. Relationships between Hardness, Young’s Modulus a nd Elastic Recovery in Hard Nanocomposite Coatings[J]. Surface & Coatings Technology, 2002,154(2/3):304-313.。

纳米薄膜材料引言：随着社会生产的发展，仅以强度为主要功能的结构材料越来越不能满足人们的需要，而功能材料的出现弥补了这一不足。

功能材料是指除强度外，以其他功能（电、磁、声、光、热等）为主要功能的材料的总称。

即为满足某些特定的物理和化学性能要求而制造的材料，就是功能材料。

如，电功能材料，磁功能材料，光功能材料，超导材料，储氢材料，形状记忆合金，非晶材料、纳米材料和生物医学材料等等。

纳米材料作为功能材料的一种，较其他材料其具有更为优异的物理化学特性及发展潜力，正在不断的吸引着世界的目光。

而且随着电子工业的迅速崛起，使得纳米薄膜材料和技术变得越来越重要，特别在集成电路微型化和微电子方面。

一纳米材料1 定义及分类从狭义上，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。

广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

按维数，纳米材料的基本单元一般分为三类：○1零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；○2一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等；○3二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如薄膜，超晶格等。

2 纳米粒子的特性（1）小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，电子被局域在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，能级产生分裂，这使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能发生新奇的改变。

如金属纳米材料的电阻随尺寸的下降而增大；金属熔点明显降低；10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm矫顽力变为零，表现为顺磁性等。

（2）表面效应纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占的原子数目大大增加。

例如，当粒子粒径从100nm减小到1nm，其表面原子占粒子中原子总数从20%增加到99%。

庞大的比表面，使得键态严重失配。

纳米级孔径薄膜纳米级孔径薄膜是一种由纳米尺度孔道构成的薄膜材料。

纳米级孔径薄膜在材料科学、物理学和化学等领域有着广泛的应用前景。

本文将介绍纳米级孔径薄膜的定义、制备方法、物理性质以及应用领域等方面的内容。

纳米级孔径薄膜的定义：纳米级孔径薄膜是一种厚度在几十纳米到几百纳米之间，具有纳米级孔道结构的薄膜材料。

纳米级孔径薄膜的孔径大小通常在1到100纳米之间，具有高度有序排列的孔道结构。

纳米级孔径薄膜的制备方法：纳米级孔径薄膜的制备可以使用多种方法，如溶剂烧蚀法、相转移法、电化学法、模板法等。

其中，模板法是最常用的制备方法之一。

模板法利用纳米级孔道模板的孔道结构作为模板，通过溶胶-凝胶或物理蒸发的方法将材料填充到模板孔道中，然后去除模板材料，从而得到纳米级孔径薄膜。

纳米级孔径薄膜的物理性质：纳米级孔径薄膜具有很多独特的物理性质。

首先，纳米级孔径薄膜具有很大的比表面积，这使得其在催化、吸附、分离等方面具有出色的性能。

其次，纳米级孔径薄膜具有尺寸限制效应和量子大小效应，导致其光学、电学、磁学等性质与宏观材料有很大差异。

此外，纳米级孔径薄膜还具有可控的孔径大小和孔道结构，能够通过调节制备条件来改变其性质。

纳米级孔径薄膜的应用领域：纳米级孔径薄膜具有广泛的应用前景。

首先，纳米级孔径薄膜在催化领域具有很大的潜力。

其大比表面积和可控的孔道结构使得其成为高效催化剂的良好载体。

其次，纳米级孔径薄膜在分离领域也有着广泛的应用。

其孔径大小和孔道结构可以使其选择性地分离特定大小的分子或离子。

此外，纳米级孔径薄膜还可以用作光学、电子和传感器等方面的功能材料。

总结：纳米级孔径薄膜是一种具有纳米级孔道结构的薄膜材料，具有很大的比表面积和可控的孔道结构。

纳米级孔径薄膜具有独特的物理性质，具有广泛的应用前景。

对纳米级孔径薄膜的制备方法和性质进行深入研究，对于开发高效催化剂、分离材料和功能材料等具有重要意义。

高分子纳米膜
高分子纳米膜是一种具有三层结构（纳米复合结构）的功能性薄膜，
由高分子亲水层、具有纳米级孔隙的中间层和疏水层组成。

这种纳米
膜具有优异的亲水性、分离性能和气体透过性能，可用于制造纳滤膜、反渗透膜等。

同时，高分子纳米膜的中间层具有优异的分离性能和气
体透过性，可用于气体分离、渗透蒸发等。

此外，高分子纳米膜还具
有优异的耐化学腐蚀性、耐高温性、机械强度和稳定性，可在恶劣环
境下保持稳定性能。

高分子纳米膜的应用非常广泛，包括能源、环境、医疗、电子等领域。

在能源领域，高分子纳米膜可用于燃料电池和太阳能电池等新能源设
备的制造，提高能源效率和性能。

在环境领域，高分子纳米膜可用于
水处理、气体分离等领域，提高水质和空气质量。

在医疗领域，高分
子纳米膜可用于药物输送、组织工程和生物传感器等领域，提高医疗
水平和效果。

此外，高分子纳米膜还可用于电子器件、光学器件、传
感器等领域，具有广阔的市场前景和发展潜力。