先進材料制備技術,化材學院李涓juanli,研究生課程,LOGO,1薄膜材料的制備,1.1薄膜的形成機理1.2物理氣相沉積1.3化學氣相沉積1.4化學溶液鍍膜法1.5液相外延制膜法1.6膜厚的測量與監控,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,薄膜材料在現代科學技術中應用十分廣泛,制膜技術的發展也十分迅速。制膜方法分為物理和化學方法兩大類；具體方式上分為干式、濕式和噴涂三種，而每種方式又可分成多種方法。,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,薄膜的生長過程(1)核生長型（VolmerVeber型）特點：到達襯底上的沉積原子首先凝聚成核，后續飛來的沉積原子不斷聚集在核附近，使核在三維方向上不斷長大而最終形成薄膜。這種類型的生長一般在襯底晶格和沉積膜晶格不相匹配（非共格）時出現，大部分的薄膜的形成過程屬于這種類型。,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,薄膜生長的四個階段a.成核：在此期間形成許多小的晶核，按同濟規律分布在基片表面上；b.晶核長大并形成較大的島：這些島常具有小晶體的形狀；c.島與島之間聚接形成含有空溝道的網絡d.溝道被填充：在薄膜的生長過程中，當晶核一旦形成并達到一定尺寸之后，另外再撞擊的離子不會形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已經形成的島上。分離的晶核或島逐漸長大彼此結合便形成薄膜。,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,(2)層生長型（Frank-VanberMerwe型）特點：沉積原子在襯底的表面以單原子層的形式均勻地覆蓋一層，然后再在三維方向上生長第二層、第三層。一般在襯底原子與沉積原子之間的鍵能接近于沉積原子相互之間鍵能的情況下（共格）發生這種生長方式的生長。以這種方式形成的薄膜，一般是單晶膜，并且和襯底有確定的取向關系。例如在Au襯底上生長Pb單晶膜、在PbS襯底上生長PbSe單晶膜等。,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,(3)層核生長型（StraskiKrastanov型）特點：生長機制介于核生長型和層生長型的中間狀態。當襯底原子與沉積原子之間的鍵能大于沉積原子相互之間鍵能的情況下（準共格）多發生這種生長方式的生長。在半導體表面形成金屬膜時常呈現這種方式的生長。例如在Ge表面上沉積Cd，在Si表面上沉積Bi、Ag等都屬于這種類型。,先進材料制備技術,LOGO,1.1薄膜的形成機理,在薄膜的三種生長方式種，核生長型最為普遍，在理論上也較為成熟，我們主要討論這種類型的形成機理。,先進材料制備技術,LOGO,1.1.1成核階段,先進材料制備技術,LOGO,1.1.1成核階段,先進材料制備技術,LOGO,1.1.1成核階段,先進材料制備技術,LOGO,1.1.1成核階段,先進材料制備技術,LOGO,1.1.1成核階段,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,凝聚核形成能量的變化DgV:在單位體積內凝聚終態與初態的體自由能之差;gCV:比表面能;,G(r),r,gCVS,-gVV,G(r),r*,G*,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,凝聚核的臨界半徑,如果rr*，則能量會隨著半徑的增大而減小，凝聚核會不斷長大形成相互連成的一片薄膜。,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,凝聚核的臨界形成能,其中，,F1(q)、F1(q)、F1(q)是形狀因子，可由凝聚核的幾何形狀關系算出。,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,成核速率,新相形成所需要的原子來源：(1)氣相原子的直接沉積；(2)襯底吸附的氣相原子沿表面擴散。(主要來源)新相核心的成核速率式中，N*為單位面積上臨界原子團的密度A*為每個臨界原子團接受擴散來的吸附原子的表面積w為向上述表面積擴散遷移來的吸附原子的密度通量,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,單位面積上臨界原子團的密度N*式中，ns是可能的形核點的密度DG*是臨界形核自由能每個臨界原子團接受擴散來的吸附原子的表面積A*式中，a0相當于原子直徑,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,向表面積A*擴散遷移來的吸附原子的密度通量：式中，na為吸附原子密度t為表面吸附原子在襯底表面停留的平均時間取決于脫附的激活能Ed為原子擴散的發生幾率，ES為擴散激活能因此，,先進材料制備技術,LOGO,1.1.2成核的毛細作用理論,新相核心的成核速率薄膜最初的形核率與臨界形成自由能DG*密切相關如果勢壘很高，形核率低，臨界核的半徑很大，只形成少數的大聚集體；如果勢壘很低，形核率高，形成很多的小聚集體，這時薄膜的厚度雖然很薄，但它會成為連續的。高的脫附能Ed和低的擴散激活能ES都有利于氣相原子在襯底表面的停留和運動，因而會提高形核率。,先進材料制備技術,LOGO,1.1.3影響成核過程的因素,溫度凝聚系數基片表面存在的成核位壘蒸發速率表面擴散系數和擴散激活能脫附能,先進材料制備技術,LOGO,1薄膜材料的制備,1.1薄膜的形成機理1.2物理氣相沉積1.3化學氣相沉積1.4化學溶液鍍膜法1.5液相外延制膜法1.6膜厚的測量與監控,先進材料制備技術,LOGO,1.2物理氣相沉積,物理氣相沉積：PhysicalVaporDeposition在真空條件下，用物理的方法，將材料汽化成原子、分子或使其電離成離子，并通過氣相過程，在材料或工件表面沉積一層具有某些特殊性能的薄膜。主要方法：蒸發沉積(蒸鍍)、濺射沉積(濺射)和離子鍍等。用途：通常用于沉積薄膜和涂層，沉積膜層的厚度可從10-1nm級到mm級變化。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,真空蒸鍍將待成膜的物質置于真空中進行蒸發或升華，使之在工件或基片表面析出的過程。,主要優點,先進材料制備技術,裝置真空系統、蒸發系統、基片撐架、擋板、監控系統,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,蒸發的分子動力學基礎當密閉容器內某種物質的凝聚相和氣相處于動態平衡狀態時，從凝聚相表面不斷向氣相蒸發分子，同時也會有相當數量的氣相分子返回到凝聚相表面。,氣相分子的流量,式中，n為氣體分子的密度為分子的最概然速率m為氣體分子的質量,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,蒸發速率,從蒸發源蒸發出來的分子在向基片沉積的過程中，還不斷與真空中的殘留氣體分子相碰撞，使蒸發分子失去定向運動的動能，而不能沉積于基片。為保證8090的蒸發元素到達基片，一般要求殘留氣體的平均自由程是蒸發源至基片距離的5-10倍。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,蒸發源的組成,應具備的條件(1)能加熱到平衡蒸氣壓為(1.3310-21.33Pa)的蒸發溫度；(2)要求坩鍋材料具有化學穩定性；(3)能承載一定量的待蒸鍍材料。,類型點源和微面源,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,點源點源可以是向任何方向蒸發。若某段時間內蒸發的全部質量為M0，則在某規定方向的立體角dw內，物質蒸發的質量為,若基片離蒸發源的距離為r，蒸發分子運動方向于基片表面法向的夾角為q，則基片上單位面積附著量md為,S為附著系數,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,微面源微面源中的蒸發分子從盒子表面的小孔飛出。若在規定時間內從小孔蒸發的全部質量為M0，則在與小孔所在平面的發現構成角方向的立體角中，物質蒸發的質量為,若基片離蒸發源的距離為r，蒸發分子運動方向于基片表面法向的夾角為q，則基片上單位面積附著量me為,S為附著系數,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,點源：所有方向上均勻蒸發微面源：垂直與小孔平面的上方蒸發量最大，在其他方向上蒸發量為此方向的cosj倍。若基片與蒸發源距離為h，基片中心處膜厚為t0，則距中心為d距離的膜厚t點源：微面源：,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,蒸發源的加熱方式,真空中加熱物質的方式主要有：電阻加熱法、電子束加熱法、高頻感應加熱法、電弧加熱法、激光加熱法等。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,電阻加熱法,將薄片或線狀的高熔點金屬，如鎢、鉬、鈦等做成適當形狀的蒸發源，裝上蒸鍍材料，讓電流通過蒸發源加熱蒸鍍材料，使其蒸發。選擇蒸發源材料使必需要考慮以下問題：蒸發源材料的熔點和蒸氣壓、蒸發原料與薄膜材料的反應、蒸發源材料與薄膜材料之間的濕潤性等,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(3)電阻加熱蒸發源的形狀螺旋絲狀：可以從各個方向發射蒸氣箔舟狀：可蒸發不浸潤蒸發源的材料，效率較高，但只能向上蒸發。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,電子束加熱法,把被加熱的物質放置在水冷坩鍋中，利用電子束轟擊其中很小一部分，使其熔化蒸發，而其余部分在坩鍋的冷卻作用下處于很低的溫度。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(2)電子束加熱法的優點：可以直接對蒸發材料加熱；可避免材料與容器的反應和容器材料的蒸發；可蒸發高熔點材料。,(3)電子束加熱法的缺點：裝置復雜；只適合于蒸發單質元素；殘余氣體分子和蒸發材料的蒸氣會部分被電子束電離。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,合金、化合物的蒸鍍方法,當制備兩種以上元素組成的化合物或合金薄膜時，僅僅使材料蒸發未必一定能獲得與原物質具有相同成分的薄膜，此時需要控制原料組成制作化合物或合金薄膜例如，對于SiO2和B2O3等氧化物而言，大部分是保持原物質分子狀態蒸發的對于ZnS、CdS、PbS等硫化物，這些物質的一部分或全部發生分解而飛濺，其蒸鍍膜與原來材料并不完全相同。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,合金的蒸鍍閃蒸法和雙蒸法,合金蒸鍍條件兩組分A和B的蒸發速率比值對于二元合金，最初時易蒸發成分A優先蒸發，只要在合金溶液中個成分擴散得很快，蒸發源表面上的成分B所占比例逐漸增加，不久就會達到RBRA的狀態，也就是說得到膜層從富A成分到富B成分連續變化，從而產生分餾現象。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(2)閃蒸蒸鍍法,把合金做成粉末或微細顆粒，在高溫加熱器或坩鍋蒸發源中，使一個一個的顆粒瞬間完全蒸發,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(3)雙蒸發蒸鍍法,把兩種元素分別裝入各自的蒸發源中，然后獨立地控制個蒸發源的蒸發過程。,該方法可以使到達基片的各種原子與所需要薄膜組成相對應。其中，控制蒸發源獨立工作和設置隔板是關鍵技術，在各蒸發源發射的蒸發物到達基片前，絕對不能發生元素混合。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,化合物的蒸鍍,反應蒸鍍法在充滿活潑氣體的氣氛中蒸發固體材料，使兩者在基片上進行反應而形成化合物薄膜。這種方法在制作高熔點化合物薄膜時經常被采用。例如：在空氣或氧氣中蒸發Si來制備SiO2薄膜,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(2)雙蒸發源蒸鍍三溫度法,這種方法從原理上講就是雙蒸發源蒸鍍法，但是同時必須控制基片和兩個蒸發源的溫度，所以也稱三溫度法。,這種方法是制備化合物半導體的一種基本方法。例如:GaAs單晶薄膜的制備,先進材料制備技術,LOGO,1.2.1真空蒸發鍍膜,(3)分子束外延法,實際上是改進型的三溫度法。當制備三元混晶半導體化合物薄膜時，在加一蒸發源，就形成了四溫度法。,例如:GaAsP半導體薄膜的制備,先進材料制備技術,LOGO,1.2.2濺射成膜,濺射成膜濺射是指荷能粒子(如正離子)轟擊靶材，使靶材表面原子或原子團逸出的現象。逸出的原子在工件表面形成與靶材表面成分相同的薄膜。,優點和缺點參數控制較蒸發困難但不存在分餾，不需加熱至高溫等。,濺射與蒸發的異同點同：在真空中進行異：蒸發制膜是將材料加熱汽化濺射制膜是用離子轟擊靶材，將其原子打出。,先進材料制備技術,LOGO,1.2.3離子鍍,離子鍍在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層的鍍膜技術。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能。,離子鍍的優點入射離子能量高，與基體的結合強度高，膜層致密，耐久性好，膜層硬度高，耐磨性好，耐蝕性好；與其他表面處理工藝結合使用效果更佳可鍍基材廣泛，可同時在不同金屬材料的表面成膜，膜層的顏色均勻一致，成膜溫度低而熱穩定好；膜層隱蔽性好鍍膜過程無環境污染,先進材料制備技術,LOGO,1.2.3離子鍍,離子鍍裝置將基片放在陰極板上，在基片和蒸發源之間加高電壓，真空室內充入1.310-2-1.3Pa放電氣體。與放電氣體成比例的蒸發分子，由于強電場的作用而激發電離，離子加速后打到基片上，而大部分中性蒸發分子不能加速而直接到達基片上。,先進材料制備技術,LOGO,1薄膜材料的制備,1.1薄膜的形成機理1.2物理氣相沉積1.3化學氣相沉積1.4化學溶液鍍膜法1.5液相外延制膜法1.6膜厚的測量與監控,先進材料制備技術,LOGO,1.3化學氣相沉積,MaterialsPhysics,ChemicalVaporDeposition(CVD)ischemicalreactionswhichtransformgaseousmolecules,calledprecursor,intoasolidmaterial,intheformofthinfilmorpowder,onthesurfaceofasubstrate.,LOGO,1.3化學氣相沉積,MaterialsPhysics,1.Precursor2.Substrates3.Heaterorfurnace4.Exhaust,GeneralSystemRequirementsGasandvapordeliverylinesReactormainchamber-hotwall,coldwallEnergysource(s)Exhaustsystem-byproductsremoval,Reactor:,水平型：生產量較高，但沿氣流方向膜厚及濃度分布不均；垂直型：膜均勻性好，但產量不高；圓筒型：兼顧上面兩者優點。,LOGO,1.3化學氣相沉積,MaterialsPhysics,VaporizationandtransportofprecursormoleculesintoreactorDiffusionofprecursormoleculestosurfaceAdsorptionofprecursormoleculestosurfaceDecompositionofprecursormoleculesonsurfaceandincorporationintosolidfilmsRecombinationofmolecularbyproductsanddesorptionintogasphase,LOGO,MaterialsPhysics,DifferentCVDsandtheirapplicationsAtmosphericpressurechemicalvapordeposition(APCVD)Lowpressurechemicalvapordeposition(LPCVD)Plasmaassisted(enhanced)chemicalvapordeposition(PACVD,PECVD)DiamondfilmandotherthinfilmsLaserchemicalvapordeposition(LCVD)Cd,Zn,MofilmsandFe2O3,PbO,PbS,Al2O3Metal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD)Oxideceramicthinfilms(TiO2,ZnO,Fe2O3),AdvantagesLowtemperaturesynthesisEasytocontrolthehomogeneityandstoichiometryofproductsEasytocontroltheconcentrationofdopants,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,最早采用的CVD化學反應方式是用于金屬精制的氫還原、化學輸送反應等。化學氣相沉積的反應形式可分為以下五類：,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（1）熱分解反應,利用化合物加熱分解，在基體（基片或襯底）表面得到固態膜層的技術。現在熱分解法制備薄膜的典型應用是半導體中的外延薄膜制備、多晶硅薄膜制備等。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（2）氫還原反應,氫還原反應的典型應用是半導體技術中的外延生長。使用氫還原反應可以從相應的鹵化物制作出硅、鍺、鉬、鎢等半導體和金屬薄膜。氫還原反應不同于熱分解反應，是可逆的。因而，反應溫度、氫與反應氣體的濃度比、壓力等都是很重要的反應參數。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（3）由金屬產生的還原反應,這種反應是用其他金屬還原鹵化物來置換硅的反應。在半導體器件制造中還未得到應用，但已用于硅的精制上。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（4）由基片產生的還原反應,這種反應發生在基片表面上，反應氣體被基片表面還原生成薄膜。典型的反應是鎢的氟化物與硅。在硅表面上與硅發生如下反應，鎢被硅置換，沉積在硅上，這時如有氫存在，反應也包含有氫還原：,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（5）化學輸送反應,這種反應在高溫區被置換的物質構成鹵化物或者與鹵素反應生成低價鹵化物。它們被輸送到低溫區域，在低溫區域由非平衡反應在基片上形成薄膜。這種反應不僅用于硅膜制取，而且用于制備-族化合物半導體，此時把鹵化氫作為引起輸送反應的氣體使用。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（6）氧化反應,氧化反應主要用于在基片上制備氧化物薄膜。氧化物薄膜有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等。一般使用這些膜材料的相應鹵化物、氧氯化物、氫化物、有機化合物等與各種氧化劑反應制作薄膜。制備SiO2薄膜一般采用氧化SiH4的方法。除上述六類反應外，另外還有加水分解反應，與氨反應，等離子體激發反應，光激發反應以及激光激發反應等。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,二、化學氣相沉積的類型,CVD技術可按照沉積溫度、反應器內的壓力、反應器壁的溫度和沉積反應的激活方式進行分類。（1）按沉積溫度,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（2）按反應器內的壓力（3）按反應器壁的溫度可分為熱壁方式和冷壁方式CVD。（4）按反應激活方式可分為熱激活和等離子體激活CVD等。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,三、CVD工藝的特點和應用,（1）源物質的確定,CVD最理想的源物質是氣態源物質，其流量調節方便測量準確，又無需控制其溫度，可使沉積系統大為簡化。所以，只要條件允許，總是優先采用氣態源。在沒有合適氣態源的情況下，可采用高蒸氣壓的液態物質。如AsCl3、PCl3、SiCl4等，用載氣體（如H2、He、Ar）流過液體表面或在液體內部鼓泡，攜帶其飽和蒸氣進入反應系統。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,在既無合適的氣態源又無具有較高蒸氣壓的液態源的情況下，就只得采用固體或低蒸氣壓的液體為源物質了，通常是選擇合適的氣態物質與之發生氣-固或氣-液反應，形成適當的氣態組分向沉積區輸送。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（2）重要的工藝參數,CVD中影響薄膜質量的主要工藝參數有沉積溫度、反應氣體組成、工作氣壓、基板溫度、氣體流量等。其中溫度是最重要的影響因素。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,由于不同反應體系沉積機制不同，沉積溫度對不同沉積反應影響的程度是不同的。而對于同一反應體系，不同的沉積溫度將決定沉積材料是單晶、多晶、無定形物，甚至不發生沉積。一般說來，沉積溫度的升高對表面過程的影響更為顯著。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（3）優點,CVD制備薄膜的優點突出，既可以沉積金屬薄膜，又可以制取非金屬薄膜，且成膜速率快，同一爐中可放置大量基板或工件；CVD的繞射性好，對于形狀復雜的表面或工件的深孔、細孔等都能均勻覆膜；由于成膜溫度高，反應氣體、反應產物和基體的相互擴散，使膜的殘余應力小，附著力好，且膜致密，結晶良好；另外，CVD是在高飽和度下進行的，成核密度高，且沉積中分子或原子的平均自由程大，這些都有利于形成均勻平滑的薄膜。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,（4）缺點,反應溫度太高，一般在1000左右，而許多基材難以承受這樣的高溫，因而限制了它的應用范圍。,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,MaterialsPhysics,1.3化學氣相沉積,LOGO,1薄膜材料的制備,1.1薄膜的形成機理1.2物理氣相沉積1.3化學氣相沉積1.4化學溶液鍍膜法1.5液相外延制膜法1.6膜厚的測量與監控,MaterialsPhysics,LOGO,MaterialsPhysics,化學溶液鍍膜法在溶液中利用化學反應或電化學原理在集體材料表面上沉積成膜的一種技術。主要方法：化學反應沉積、陽極氧化、電鍍和溶膠-凝膠法等。,1.4化學溶液鍍膜法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,化學鍍,還原所用的還原劑的電離電位必須比沉積金屬的電離電位低，但兩者電位不宜相差過大。常用的還原劑：次磷酸鹽(鍍鎳)、甲醛(鍍銅),通常稱為無電源電鍍，是利用還原劑從所鍍物質的溶液中以化學還原作用，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層的技術。,原理(1)表面的自催化作用,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,化學鍍,通常稱為無電源電鍍，是利用還原劑從所鍍物質的溶液中以化學還原作用，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層的技術。,原理(1)表面的自催化作用,催化在鍍覆過程中，溶液中的金屬離子被生長著的鍍層表面所催化，并不斷地還原而沉積在基體表面上，而且一旦沉積開始，沉積出來的金屬就必須能繼續這種催化功能，以便沉積過程連續進行，鍍層才能加厚。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,化學鍍,特點,(1)工藝簡單，適應范圍廣，不需要電源，不需要制作陽極，只要一般操作人員均可操作。(2)鍍層與基體的結合強度好。(3)成品率高，成本低，溶液可循環使用，副反應少。(4)無毒，有利于環保。(5)投資少，數百元設備即可，見效快。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,化學鍍,應用,(1)化學鍍在金屬材料表面上的應用鋁或鋼材料等非貴金屬基底可用化學鍍鎳技術防護，并可避免用難以加工的不銹鋼來提高它們的表面性質。化學鍍銀主要用于電子部件的焊接點、印制線路板，以提高制品的耐蝕性和導電性能。還廣泛用于各種裝飾品。(2)化學鍍在非金屬材料表面上的應用非導體可用化學鍍鍍一種或幾種金屬以提高其裝飾性和功能性(例如電磁干擾屏蔽)。許多工程塑料因其輕質和良好的耐腐蝕性能被考慮用作金屬的代用品，可用化學鍍鎳來獲得導電性或使其電屏蔽。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,置換沉積鍍膜,置換反應本質上是一種在界面上固液兩相間金屬原子和離子相互交換的過程。其與化學鍍的區別在于無需在溶液中加入化學還原劑，因為基體本身就是還原劑。,又稱為浸鍍。不需采用外部電流源，在待鍍金屬鹽類的溶液中，靠化學置換的方法在基體上沉積出該金屬的方法。,原理當電位較負的基體金屬A浸入到電位較正的金屬離子B2+溶液中時，由于存在一定的電動勢而形成微電池，在A表面上，發生金屬B析出。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,用這種方法制得的膜層疏松多孔，而且結合不良，要加入添加劑或絡合劑來改善膜層的結合力。,應用,主要用于銅及其合金、鋼及其某些鋁合金上鍍錫層，也常用作電鍍前在某些基體表面沉積一層底膜，用來改善后續涂層。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.1化學反應沉積鍍膜法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,膠-凝膠（Sol-Gel）技術是指金屬有機或無機化合物（稱前驅物），經溶液、溶膠、凝膠而固化，在溶膠或凝膠狀態下成型，再經熱處理轉化為氧化物或其他化合物固體材料的方法，是應用膠體化學原理制備無機材料的一種濕化學方法。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,溶膠-凝膠合成的工藝方法,按溶膠、凝膠的形成方式可分為傳統膠體法、水解聚合法和絡合物法三種.,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,早期采用傳統膠體法成功地制備出核燃料，該法制備粉體方面表現出了一定優勢。水解聚合法是以可溶于醇的金屬醇鹽作為前驅物，其溶膠-凝膠過程易于控制，多組分體系凝膠及后續產品從理論上講相當均勻，且易于從溶膠、凝膠出發制成各種形式的材料，所以自Sol-Gel法問世以來，其研究、應用主要集中于這種工藝方法。將金屬離子轉化為絡合物，使之成為可溶性產物，然后經過絡合物溶膠-凝膠過程形成凝膠。起初是采用檸檬酸作為絡合劑，但它只適合部分金屬離子.現在采用單元羧酸和有機胺作為絡合劑，可形成相當穩定而又均勻透明的凝膠。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,水解聚合法的工藝原理,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,均相溶液的制備,Sol-Gel法的第一步是制取包含醇鹽和水的均相溶液，以確保醇鹽的水解反應在分子級水平上進行。由于金屬醇鹽在水中的溶解度不大，一般選用既與醇鹽互溶、又與水互溶的醇作為溶劑，其加量既要保證不溶入三元不混溶區，又不宜過多，因為醇是鹽水解產物，對水解有抑制作用。水的加入量對溶膠制備及后續工藝過程都有重要影響，是Sol-Gel工藝的一項關鍵參數。對于一些水解活性的醇鹽，如鈦醇鹽，往往還需控制加水速度，否則極易生成沉淀。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,溶膠的制備,Sol-Gel法中，最終產品的結構在溶膠形成過程中即已初步形成，后續工藝均與溶膠的性質直接相關，因此溶膠制備的質量是十分重要的。由均相溶液轉變為溶膠是由醇鹽的水解反應和縮聚反應產生的。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,凝膠化過程,凝膠是由細小顆粒聚集而成的由三維結構和連續分散相介質組成的具有固體特征的膠態體系。按分散相介質不同有水凝膠（hydrogel）、醇凝膠（alcogel）和氣凝膠（aerogel）等。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠凝膠法,溶膠向凝膠的轉變過程可簡述為：縮聚反應形成的聚合物或粒子聚集體長大為小粒子簇（cluster），后者逐漸相互連接成為一個橫跨整體的三維粒子簇連續固體網絡。在陳化過程中，膠體粒子聚集形成凝膠的過程和粒子團聚形成沉淀的過程完全不同。在形成凝膠時，由于液相被包裹于固相骨架中，整個體系失去活動性。,LOGO,MaterialsPhysics,1.4.2溶膠