纳米薄膜小论文（精选9篇）
纳米薄膜小论文 篇1
纳米技术在薄膜中的应用与发展
摘要:近年来纳米技术的发展研究是一个热烈的话题，受到了广泛的关注。而纳米薄膜材料是一种新型材料，由于其特殊的结构特点，时期作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文简单介绍了纳米薄膜材料的性能、制备方法，应用领域等几个方面，为初步认识和了解纳米薄膜材料有推动作用。
关键字：纳米技术,薄膜,材料
纳米技术在今天已经不是个陌生的话题，所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项技术。这是21世纪最有竞争力的技术之一。科学家们在研究微观粒子结构与性能过程中，发现在纳米尺度下的原子或分子，可以表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能的设备与仪器，能够在改善人们的日常生活中起到相当显著的作用。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。而我所研究的是纳米技术在薄膜中的部分应用与其今后发展。新型薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，是国际上科学技术研究的热门学科之一。
1.纳米薄膜材料概述
纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料, 按用途可以分为两大类,即纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性,通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合, 提高材料在机械方面的性能。由于纳米粒子的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对薄膜的特性有显著影响, 因此可以在较多自由度的情况人为地 控制纳米复合薄膜的特性, 获得满足需要的材料。纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉积而形成的组分或结构交替变化的合金薄膜材料, 且各层金属或合金厚度均为纳米级, 它也属于纳米薄膜材料。多层膜的主要参数为调制波长,指的是多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和。当调制波长比各层薄膜单晶的晶格常数大几倍或更大时,可称这种多层膜结构为超晶格薄膜。组成复合薄膜的纳米粒子可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子等材料，而复合薄膜的基体材料可以是不同于纳米粒子的任何材料。人们采用各种物理和化学方法先后制备了一系列金属/绝缘体、半导体/绝缘体、金属/半导体、金属/高分子、半导体/高分子等纳米复合薄膜。特别是硅系纳米复合薄膜材料得到了深入的研究，人们利用热蒸发、溅射、等离子体气相沉积等各种方法制备了Si/SiOx、Si/a-Si：H、Si/SiNx、Si/SiC等纳米镶嵌复合薄膜。尽管目前对其机制不十分清楚，却有大量实验现象发现在此类纳米复合薄膜中观察到了强的从红外到紫外的可见光发射。由于这一类薄膜稳定性大大高于多孔硅，工艺上又可与集成电路兼容，因而被期待作为新型的光电材料应用于大规模光电集成电路。
由于纳米薄膜的纳米相粒子的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效 应等使得它们的光学性能、电学性能、力学性能、催化性能、生物性能等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此，纳米薄膜在光电技术、生物技术、能源技术等各个领域都有广泛的应用前景。现以纳米薄膜材料在润滑方面的作用为例介绍它们的特性及其应用。
2.纳米薄膜的制备方法
纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法和化学方法两大类。粒子束溅射沉积和磁空溅射沉积,以及新近出现的低能团簇束沉积法都属于物理方法；化学气相沉积（VCD）、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法和电沉积法属于化学方法。2.1离子束溅射沉积
使用这种方法制备纳米薄膜是在多功能离子束辅助沉积装置上完成。该装置的本底真空度为 0.2MPa, 工作气压为 7MPa。沉积陶瓷材料可以通过使用3.2KeV/100mA 的 Ar+ 离子束溅射相应的靶材沉积得到, 而沉积聚四氟乙烯材料需要使用较小的束流和束压(15KeV/30mA)。沉积陶瓷材料时的速率为6nm/min, 沉积金属和聚四氟乙烯材料时的速率为 12nm/min。2.2磁控溅射沉积
磁控溅射沉积法制备薄膜材料是在磁控溅射仪上实现的, 其真空室中有三个阴极靶(一个直流阴极, 两个射频阴极), 三个阴极可分别控制。首先将溅射材料安装在射频阴极上, 通过基片架转动, 基片轮流在两个射频靶前接受溅射原子, 控制基片在各靶前的时间, 即可控制多层膜的调制波长。同时在真空室内通入一定压力的气体, 可以作为保护气氛, 或与溅射金属原子反应生成新的化合物, 沉积到基片上。此外在基片高速旋转的条件下, 还可制备近似均匀的复合薄膜。磁控溅射法具有镀膜速率易于控制, 稳定性好, 溅射材料不受限制等优点。2.3低能团簇束沉积法
低能团簇束沉积方法是新近出现的一种纳米薄膜制备技术。该技术首先将所沉积材料激发成原子状态, 以 Ar、He 作为载气使之形成团簇, 同时采用电子束使团簇离化, 利用质谱仪进行分离, 从而控制一定质量、一定能量的团簇沉积而形成薄膜。在这种条件下沉积的团簇在撞击表面时并不破碎, 而是近乎随机分布；当团簇的平均尺寸足够大, 则其扩展能力受到限制, 沉积薄膜的纳米结构对团簇尺寸具有很好的记忆特性。2.4电沉积法
电沉积法可以制得用喷射法不能制得的复杂形状,并且由于沉积温度较低, 可以使组分之间的扩散程度降到最低。匈牙利的Eniko TothKadar 利用交流脉冲电源在阴极镀制纳米晶 Ni膜, 试样制备与普通电镀相同, 电镀时电流保持不变, idep = 20Adm-2, 脉冲电流通电时间 ton ,断电时间 toff在 0.001,0.01,0.1, 1, 10s 之间变化。
此外用电沉积法在 AISI52100 钢基体上制得铜-镍多层膜, 试样预先淬硬到 HRC62 左右, 然后抛光清洗,进行电沉积, 镀铜时电压 u = 1600mV, i = 0.881mA cm-2 , 镀镍时电压 u = 600mA, i = 22.02mA cm-2。2.5胶体化学法
采用溶胶-凝胶法制备纳米薄膜,首先用化学试剂制备所需的均匀稳定水溶胶, 然后将溶胶滴到清洁的基体上,在匀胶机上匀胶, 或将溶胶表面的陈化膜转移到基体上, 再将薄膜放入烘箱内烘烤或在自然条件下干燥, 制得所需得薄膜。根据制备要求的不同, 配制不同的溶胶, 即可制得满足要求的薄膜。用溶胶-凝胶法制备了纳米微孔 SiO2薄膜和 SnO2纳米粒子膜。
此外,还有用这种方法制备 TiO2/SnO2 超颗粒及其复合 LB(Langmuir-Blodgett)膜、SiC/AIN 膜、ZnS/Si 膜、CuO/SiO2 膜的报道。2.6化学气相沉积法
在电容式耦合等离子体化学气相沉积(PCVD)系统上, 用高氢稀释硅烷和氮气为反应气氛制备纳米硅氮(Nc-SiNx:H)薄膜。其试验条件为: 电极间距 3.2cm,电极半径 5cm。典型的沉积条件为: 衬底温度 320℃, 反应室压力为 100Pa, 射频功率为70W SiH4/H2的气体流量比为 0.03, N2/SiH4的气体流量比为 1~10。
此外,还有用化学沉积法制备 Fe-P 膜, 射频溅射法制备 a-Fe/Nd2Fe4B 多层膜, 热化学气相法制备 SiC/Si3N4膜的报道。
3.纳米薄膜的应用领域
3.1纳米光学薄膜
利用纳米薄膜吸收光谱的蓝移与红移特性，人们已制造出了各种各样的紫外吸收薄膜和红外反射薄膜，并在日常生产、生活中取得应用。如在平板玻璃的两面镀制的Ti02纳米薄膜，在紫外线作用下，该薄膜可分解沉积在玻璃上的有机污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的有害细菌和病毒；在眼镜上镀制的TiO2 纳米粒子树脂膜或Fe2O3纳米微粒聚醇酸树脂膜，可吸收阳光辐射中的紫外线，保护人的视力；在灯泡罩内壁涂敷的纳米SiO2和纳米TiO2 微粒多层干涉膜，灯泡不仅透光率好，而且具有很强的红外线反射能力，可大大节约电能等。此外，利用Si纳米晶粒薄膜的紫外线光致发光特性，还可获得光致变色效应，从而产生新的防伪、识别手段。3.2纳米耐磨损膜与纳米润滑膜 在一些硬度高的耐磨涂层/薄膜中添入纳米相，可进一步提高涂层/薄膜的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。此外，一些表面涂层/薄膜中加入一些纳米颗粒，如C60 富勒烯、巴基管等还可达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料，甚至获得超润滑功能。事实上，在Ni等基体表面上沉积纳米Ni-La2O3 曲，薄膜后，除了可以增加基体的硬度和耐磨性外，材料的耐高温、抗氧化性也显著提高。3.3纳米磁性薄膜
经过纳米复合的涂层/薄膜具有优异的电磁性能。利用纳米粒子涂料形成的涂层/薄膜具有良好的吸波能力，可对飞行器、重型武器等装备起到隐身作用；纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加人到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能；纳米结构的Fe/Cr，Fe/Cu，Co/Cu等多层膜系统具有巨磁阻效应，可望作为应用于高密度存储系统中的读出磁头、磁敏传感器、磁敏开关等。3.4纳米气敏薄膜
由于气敏纳米膜吸附了某种气体以后会产生物理参数的变化，因此可用于制作探测气体的传感器。目前研究最多的纳米气敏薄膜是SnO2 超微粒膜，该膜比表而积大，且表面含有大量配位不饱和键，非常容易吸附各种气体在其表面进行反应，是制备气敏传感器的极佳功能材料。3.5纳米滤膜
纳米滤膜是一种新型的分离膜，可分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，它常常被用来在溶液中截留某些有机分子，而让溶液中的无机盐离子自由通过。目前商业化的纳米滤膜的材质多为聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纤维素等，这些纳米滤膜除了具有微筛孔外，滤膜上各基团往往还带有电荷，因此，还可以对某些多价的离子进行截留，而让其他离子通过滤膜。现在，纳米滤膜已经在石化、生化、食品、纺织以及水处理等方面得到广泛应用。
4.纳米薄膜的发展前景
纳米薄膜材料的研究是纳米科学技术领域的重要内容，在许多领域内都有着广泛的应用前景。世界上的发达国家都把纳米薄膜材料的研究列入国家发展规划中。我国对纳米薄膜材料的研究也非常重视，利用新的物理化学性质、新原理、新方法设计纳米结构性器件和纳米复合传统材料改性正孕育新的突破。相信纳米薄膜材料将会在未来给人们带来更多的惊喜。
参 考 文 献
[1]张立德.纳米材料研究的新进展及在 21 世纪的战略 地位, 中国粉体技术[J].2000, 6(1)：1~ 5 [2]高海永,庄惠照,薛成山,王书运,董志华,何建廷.竹叶状GaN纳米带的制备[J].电子元件与材料.2004(09)[3]Ji-Hyuk Choi,Moon-Ho Ham,Woong Lee,Jae-Min Myoung.Fabrication and characterization of GaN/amorphous Ga2O3 nanocables through thermal oxidation Solid.State.Commun.2007 [4]王非.GaN纳米线和薄膜的制备及其特性研究[D].太原理工大学 2007 [5]李鹏.纳米薄膜材料制备工艺研究[D].重庆大学 2004 [6]曹铖.聚苯乙烯纳米薄膜的制备与表征[D].天津大学 2010 [7]唐一科,许静,韦立凡.纳米材料制备方法的研究现状与发展趋势[J].重庆大学学报(自然科学版).2005(01)
纳米薄膜小论文 篇2
尽管纳米级薄膜材料是新出现的研究领域,但是由于它们的数据具有较好的重现性,纳米级材料的物理性质及个别纳米级材料的集成装置已经被广泛研究[4]。纳米结构的研究有助于研究材料的物理性质及提高装置的性能。将碳纳米管任意分散形成的2D网络结构,一层薄膜,被认为是一种新型的材料。由于碳纳米管既具有金属性也具有半导体性,碳纳米管薄膜展现了随薄膜厚度的增加,薄膜从半导体性质向金属性过渡的现象[5]。当前,有许多关于碳纳米管薄膜装置应用的研究,如由于碳纳米管薄膜的密度接近于渗流阈值,可以用来作薄膜晶体管、半导体的活化层[6]。厚度在10~100nm范围的薄膜具有很高的透光率和电导性,可以用来代替ITO电极[7]。微米级厚的纳米薄膜是纳米多孔的,可以用来作超级电容器、燃料电池、普通电池的电极[8]。本文中的纳米薄膜指的是任意自由排列形成的碳纳米管网络。具体的说,这些碳纳米管是水平排列在基底表面,而垂直排列形成的网络结构在本文中没有涉及。
本文主要介绍碳纳米管薄膜的合成方法,包括化学气相沉淀法和溶液制备法,同时介绍了碳纳米管薄膜的图形化方法,如等离子体刻蚀、PDMS模板法、激光烧蚀法等,讨论了碳纳米管薄膜的掺杂和设计。此外,还集中介绍了碳纳米管薄膜的电学、光电学、透光率等性质,以及碳纳米管薄膜在一些装置上的应用。
1 碳纳米管薄膜的合成
1.1 直接生长
碳纳米管现在主要通过3种方法合成:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉淀法 (CVD)。现在已有大量关于碳纳米管合成、纯化和表征的研究[9]。化学气相沉淀法是合成碳纳米管最普遍的方式。在化学气相沉淀法中,在基片表面的纳米粒子可以作为碳纳米管生长的种子。主要的参数是要控制碳氢化合物的流速、生长时间、温度及催化剂的分解。虽然垂直排列的碳纳米管具有独特的性质以及装置应用,比如应用在场发射装置及超级电容器中[10],但在本文中我们没有涉及。
化学气相沉淀法可以生长任意分散或对齐的碳纳米管薄膜。对齐的碳纳米管在高移动性装置及对控制定位的分子电子学中很有用。我们可以通过模板催化剂,在电或磁场作用下,用化学气相沉淀的方式,定向气流的方向合成对齐的碳纳米管薄膜[11]。制备对齐的碳纳米管薄膜的装置其数据的重现性不是很好。任意分散的碳纳米管重现性比较好而且在应用中具有更好的实用性[12]。碳纳米管薄膜的浓度在装置中的应用是至关重要的,因为不同浓度的碳纳米管薄膜是具有不同的金属性和半导体性的碳纳米管的混合。化学气相沉淀法可大量制备碳纳米管或单层碳纳米管薄膜。碳纳米管薄膜的浓度通常是由催化剂的浓度和生长的时间控制的。与溶液法制备相比,直接生长的方法能够制得分离的碳管,且这些碳管缺陷少,碳纳米管之间的接触较好,因此可制得高导电性质的碳纳米管薄膜。然而,用化学气相沉淀的方法易残留催化剂,薄膜浓度控制不精确,基底与容器不兼容。同时化学气相沉淀法是一个高压高温的过程,与现在新兴的塑料基底也不能兼容。
1.2 溶液沉积法
近来,以溶液法为基础制备的薄膜使工业界和学术界都产生了广泛的兴趣。与化学气相沉淀法相比,溶液法制备以下优点:操作的温度低(< 1000℃),能够与塑料基底兼容;不需要高压体系,显著降低了成本;制备速度较快。为了获得高导电性的碳纳米管薄膜,几个因素至关重要:碳纳米管的质量、碳纳米管的稳定性、碳纳米管分散程度,基底的选择以及基底的表面活化,基底覆盖干燥仔细,涂层之后需除去分散的酸,或者要加入额外材料以提高基底的粘附性和稳定性。下面主要介绍碳纳米管分散、薄膜的流变特性及各种薄膜的沉积方法。
1.2.1 纳米碳管分散
由于碳纳米管有很高的长径比,碳纳米管之间有较大的范德华力,易形成束,因此合成碳纳米管薄膜主要挑战之一是要分离碳纳米管,并且最好不要用化学共价方法或者其它苛刻的条件,因为有可能会降低薄膜的电导性。
碳纳米管的分散主要分为4类:1) 表面分散剂作为分散剂;2) 聚合物作为分散剂;3) 直接分散,或在有机溶剂或水中修饰碳纳米管进行分散;4) 其它分散剂如DNA、蛋白质、淀粉。通常,我们要在薄膜涂层后除去这些分散剂。然而除去分散剂比较难,因为能够分散碳纳米管的分散剂通常与碳管结合力也比较强。在溶剂中直接分散能够避免除去分散剂这一步。
1.2.2 流变特性
用溶液方法制备薄膜,流变特性是关键。用不同的涂层方法,溶液黏度要求不同。形成网的速度过快引起的空气扰动,以及涂层时的机械振动都会导致干燥过程中薄膜的不均匀性。液体薄膜暴露在各种作用力之下,这些力的作用很可能引起二次流变,从而导致膜变薄和膜破裂。为了避免这些问题,黏度要超过某一特定的最低限度。表面张力是另一个涂层时比较重要的参数。
1.2.3 涂层的方法
一旦制得稳定分散的碳纳米管,如何把碳纳米管沉积到基底上就成了一项挑战。相比较直接化学气相沉淀法制备,溶液法制备具有几个明显的特点,如温度低,允许任意的基底,更容易大面积化,也不需要高压,在很大意义上降低了成本。溶液沉积制备就是将碳纳米管均匀地沉积在表面,然后均匀地干燥而不引起碳纳米管的凝聚[13]。这里,我们介绍几种溶液法制备的基本方法。
朗缪尔薄膜(LB)法,这种方法是基于碳纳米管的疏水性质[14]。碳纳米管在水表面的扩散是关键。合成单层、次亚层薄膜,LB方法很有用。然而,如果制备多层的薄膜,这种方法过程比较慢。
自组装方法(SA)是一种较快并且廉价的方法。自组装方法取决于碳纳米管与基底之间的接触[15]。当一个基底是随意放置的,碳纳米管会任意撞击基底表面,能不能粘附在基底表面取决于化学官能团,导致这个过程比较慢。这种相互作用可以通过碳纳米管表面化学修饰,或在基底表面修饰来引导[16]。
1.3 纳米管薄膜的转移
在很多应用中,将碳纳米管薄膜从基底转移到别的基底上是很必要的。例如通过过滤的方法制得的薄膜不能应用在装置上,因此必须将薄膜从过滤器转移到目标基底上。以聚二甲硅氧烷(PDMS)为基础的转移方法,现在已经有了很多的研究,主要是将用化学气相沉淀法制备的碳纳米管从硬模板上转移下来[17]。转移的过程与具体基底、碳纳米管接触强度及非共价表面力有关。转移动力学很大程度上取决于弹性纤维的剥离速度,然而,转移的过程容易将薄膜弄破,很难获得一个完整的转移薄膜。Gruner对此做了研究,他们使用图形化PDMS,可以制备图形化碳纳米管,在他们的研究中,过滤膜的选择至关重要。他们发现如果薄膜是高分子聚合物,则很难将碳纳米管从过滤器转移到PDMS上。碳纳米管倾向于粘附在聚合物上,所以无机的过滤膜更适合。在将碳纳米管薄膜从PDMS转移到合适的基底的过程中,加热和压力有助于整个过程的转移[18]。
2 碳纳米管薄膜的修饰
2.1 图形化
图形化碳纳米管薄膜在很多装置中有重要应用。对于直接用化学气相沉淀法生长的方法,由于碳纳米管只在有催化剂沉积的地方生长,因此可以通过图形化催化剂,用光刻、微接触印刷、喷墨印刷,或者其它方法制备图形化薄膜[19]。
通过溶液法制备碳纳米管薄膜,有2种图形化的方法:加法和减法。加法包括喷墨印刷、图形化过滤、微接触印刷、微流体通道引导涂层[20]。减法包括PDMS图形法、光刻法、等离子体刻蚀、激光烧蚀法[21]。喷墨打印法是制备图形化碳纳米管薄膜的理想加法。对于减法,以PDMS为基础的转移方法,前面已经介绍过了,现在用光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀都可以获得较好的图形化薄膜。
2.2 掺杂
与半导体技术类似,对碳纳米管薄膜掺杂和官能团修饰能在本质上提高或改变碳纳米管薄膜的性质表现。例如,对互补电路的应用,需要N型掺杂的半导体碳纳米管。对于透明和导电性的薄膜,掺杂碳纳米管增加了电子转移数,从而有较高的导电性。碳纳米管掺杂研究包括掺杂方法、掺杂机理的研究、电荷转移以及证据、碳纳米管掺杂前后对装置的影响[22]。实际上,掺杂碳纳米管有很多方法,包括夹层电子给予和电子受体、置换掺杂、分子吸附、共价官能团修饰。一般来讲,共价掺杂会影响碳纳米管透明性质,还会降低碳纳米管的移动性,不过有较好的稳定性。由于非共价掺杂有较低的吸附能,因此不稳定性更高,但是对碳纳米管电迁移率影响较小。对碳纳米管掺杂的研究包括在装置上的电子测量、碳纳米管在溶液中的光谱测量、薄膜的性质如透明度和光学性质等。
2.3 设计碳纳米管薄膜
为了提升薄膜的应用,使之具有更多功能,设计碳纳米管薄膜是有效的途径。设计碳纳米管薄膜主要指的是以碳纳米管为基础的单层或多层结构的薄膜[23]。由于碳纳米管薄膜具有高导电性、机械灵活性,使得它能作独一无二的骨干,可以把其它材料引入薄膜,使之具有新的性质。多层结构的薄膜已经广泛应用到电极上。
3 纳米管薄膜的性质
碳纳米管薄膜是一种新型的金属管与半导体管混合的二维结构。研究者已经对单根碳纳米管的电学性质、传输性质、光学性质、力学性质做了很多研究。碳纳米管薄膜会有单根碳纳米管集合的性质,同时还有碳管与碳管之间影响引起的额外性质。这里主要介绍碳纳米管薄膜的性质,包括电学性质、不同几何图形和能级时的传输性质、光学性质、化学性质、力学性质。
3.1 电学性质
对碳纳米管的能带结构已经有了较深入的研究[24]。碳纳米管不同的金属性、半导体性主要是由石墨烯弯曲角度的不一致引起的。对于集成装置而言,一个关键问题是碳纳米管与金属电极之间的接触电极。不同的金属与碳纳米管作用有不同的功函数、费米能级、润湿行为,因此不同金属会有显著不同的接触电阻。这在侧重晶体管使用,单个半导体碳纳米管作为活跃通道的研究中已经被证明。Reifenberger等发现,接触电阻的大小还与碳纳米管与金属接触的长度有关。同时,金属与碳纳米管之间的接触电阻可以通过退火或化学掺杂来改变[25]。退火可以增加碳纳米管与金属之间的物理润湿性,化学掺杂可以改变碳纳米管的费米能级和调整肖特基能垒,从而改变接触电阻。
3.2 传输性质
对单根碳纳米管的传输性质已经有广泛的研究。单壁碳纳米管有极高的流动性和电流承载能力。数据显示,1/3的单壁碳纳米管是金属性质的,2/3的碳纳米管是半导体性质的。金属性质和半导体性质的碳纳米管的传输性质是明显不同的。例如半导体性质的碳纳米管显示,随着门电压改变P型调整,然而金属性的碳纳米管随门电压改变的变化很小。半导体性质的碳纳米管随着温度的改变导电性也会显著改变。多壁碳纳米管也有类似的传输性质,但由于碳纳米管之间的相互耦合作用,表现还是有些不同。同理,对于碳纳米管束而言,碳纳米管之间的耦合也是需要考虑的[26]。
3.3 光电性质
由于薄膜是稀疏的网络结构,厚度在1~100nm的碳纳米管薄膜具有较高的导电性和在可见光范围内的透光性[27]。随着薄膜厚度的增加,吸收透光性减弱。薄膜的透光性和导电性质很大程度上取决于管的纯度、掺杂的程度、管的长度以及分散的质量。材料的质量以及实验的具体操作过程也会影响薄膜的性质。
3.4 力学性质
由于具有较大的长径比和强的化学键,所以单根碳纳米管具有较好的机械力学性质、较大的弹性和较强的负载能力[28]。单根碳纳米管的力学性质已经通过仿真实验被广泛研究[29]。碳纳米管遇到较大的应变还能保持它们的结构,具体的反应还取决于碳纳米管的手性。碳纳米管在拉伸负载力下的行为已经通过分子动力学模拟出来了。在大的变形下,例如大的压力及弯曲,会形成不同种类的缺陷,会在很大程度上影响电子传输性质[30]。另一方面碳纳米管与基底有很强的吸附作用。Avouries等人发现碳纳米管与基底之间的相互作用力导致吸附的碳纳米管实质性的轴向和径向变形,破坏了它们理想的形状[31]。单根碳纳米管具有优越的力学性质,并且它们与基底之间有强烈的相互作用,因此由碳纳米管任意分散而形成的薄膜也展现了优越的力学性能,如机械弹性、拉伸性等。碳纳米管薄膜在大应力下也具有电导性,使得它们在电子器件方面有很广阔的应用。尽管碳纳米管薄膜有较优越的力学性质,但是碳纳米管之间的相互作用不像有粘结剂粘结的那么强,不足以保持机械性能[32],因此,在装置应用方面,通常还要在碳纳米管表面沉积一层聚合物,形成碳纳米管聚合物的网络结构[33]。
4 纳米管薄膜的应用
碳纳米管薄膜已经在很多方面有了较好的应用。不同密度的碳纳米管薄膜有不同的物理性质就有不同的特殊应用。碳纳米管薄膜可以作为半导体的活跃层[34]、晶体管,在电子、化学、生物传感器方面有应用。此外,碳纳米管薄膜还可以作光学透明电极[35]。光学透明电极可以应用到太阳能电池、显示器、人工振动器、微波屏蔽等,还有一些新兴的应用如透明扬声器、透明加热器等。同时,碳纳米管薄膜可以作多孔电极用来储能,可以用在电池、燃料电池、超级电容器上[36]。除了以上的应用,碳纳米管薄膜在其他方面也有广泛的应用,例如在微电子系统中的互联和场发射显示器等。
5 总结和展望
纳米薄膜小论文 篇3
其中，触摸屏长期以来一直采用氧化铟锡（ITO）作为透明导电薄膜，制作成本较高，约占触摸屏总成本的40%，成为触摸屏普及的最大障碍。ITO成本过高与两方面因素有关：一是ITO一般由In2O3和SnO2组成，二者质量比为9∶1，其中，铟元素含量较高，且为稀有金属，价格较为昂贵；二是ITO的制作工艺以磁控溅射为主，使用的相关设备昂贵，效率较低。此外，由于ITO具有脆性，所以应用时必须有玻璃作为保护层，以保护内部的导体及感应器不受损。而玻璃保护层的加入，不仅增加了ITO生产工艺的难度（必须在真空环境下），也限制了触摸屏向柔性化发展。因此，寻找新型材料代替ITO，探索新的制备工艺，在降低生产成本的同时，促进透明导电薄膜向柔性化发展成为当下的研究热点。为此，纳米压印技术应运而生。利用纳米压印技术制成的透明导电薄膜（以下简称“纳米压印TCF”），也由此凭借面积大，制备工艺简单、环保，成本低，柔韧性强等优势而备受关注。
纳米压印TCF制作原理
纳米压印是指将母模或模板压入载有保形材料（一般为光刻胶）的基材上，保形材料将按照模板凸起的形状发生变形，通过紫外曝光或者热处理的方法使保形材料固化，移除母模或模板后，就可以得到与模板高低位置相反的图形信息。通过在图形信息表面刮涂纳米导电油墨，使凹槽填充导电油墨，经过热固化后即可得到透明导电薄膜。
纳米压印技术不仅可以复制XY方向上的图形，还可以在Z方向上压出台阶和轮廓线的结构。应用纳米压印技术制作的导电线路的精度在几纳米至几微米之间（线宽5微米以下，人眼就会辨认不出来，看到的导电线路为透明），能满足目前市面上各种应用场合对导电线路精度的要求。
纳米导电油墨是纳米压印TCF的关键材料
纳米压印TCF的关键材料是纳米导电油墨。纳米导电油墨是将高固含量（最高可达80%）的纳米导电颗粒分散在溶剂、树脂连结料和助剂中，形成稳定均匀的分散体系。
纳米导电油墨在应用时具有以下几方面的优势：纳米颗粒的尺寸小，固化温度可以降低到100℃甚至更低，能满足低温烧结获得高导电性的要求，扩大了基材的选择范围；通过印刷或涂布可以制作出精细的导电线路，满足轻薄化、透明化的要求；采用韧性树脂作为连结料，使得导电线路具有很高的柔韧性。基于以上原因，纳米导电油墨得到了广泛的应用尝试，正在导电薄膜行业引领技术革新。
纳米压印技术对纳米导电油墨的基本要求有以下几点。
（1）高固含量，固含量直接影响导电线路的导电性能。透明导电薄膜上的导电线路精细（最低可达几个微米），只有导电油墨具有很高的导电性，才能满足要求。银含量高的导电油墨还可以减少凹槽填充油墨的次数。
（2）较高的表面张力与较慢的干燥速度，与导电油墨所用溶剂的类型关系密切。导电油墨的表面张力较低，会使擦拭导电薄膜空白部分的导电油墨产生困难，残余的导电油墨会使导电薄膜的透光率急劇下降。导电油墨的干燥速度过快，则会使导电油墨在擦拭之前就已经干燥了，造成空白部分残余油墨严重和油墨结块。
（3）高柔韧性与高附着力，与导电油墨采用的树脂类型有关。若导电油墨成膜后脆性高，透明导电薄膜卷曲时会发生膜层断裂，影响导电性能。若导电油墨附着力低，擦拭过程会发生线路脱落的情况。导电油墨要实现高韧性与高附着力，最主要的途径是加入合适的连结料树脂。值得注意的是，加入的树脂不能超过临界值，否则导电油墨的导电性会大大降低。
纳米压印技术的研究进展
表1中为纳米压印TCF与其他同类产品的比较，从中可以看出，纳米压印TCF在性能上等同或优于其他同类产品，并在工艺上具有独特优势。目前，这项技术已经引起国内外的广泛研究，在我国就有专门的院所和公司对其进行研究，因此具有广阔的市场前景。
苏州大学袁晓峰先利用精密光掩膜板压印得到了2.5微米线宽的薄膜，然后通过银浆刮涂技术得到了表面电阻为3Ω/sq的金属网格导电薄膜，其在可见光波段的透光率为73%，平均雾度为8%，光学性质与网格的设计、银浆刮涂与擦拭等有关。
2010年，苏大维格光电科技股份有限公司的“一种透明导电膜及其制作方法”（Patterned tranparent conductive film， P-TCF）获国家高品质micro-metal-mesh透明导电薄膜发明专利授权。利用纳米压印技术和纳米银导电油墨制作P-TCF，解决了金属网格线宽窄和表面电阻低不兼容的难题，其2微米的线宽是当前所有metal mesh中最小的，完全看不到网格线。P-TCF具有表面电阻小于10Ω/sq、透光率达85%、成本低、柔性可挠曲等优点，完全符合大尺寸触摸屏的性能要求，甚至能够支持100英寸触控屏的使用。通过大量实验，苏大维格光电科技股份有限公司已经解决了生产P-TCF面临的相关工艺设备方面的难题，建立了卷对卷生产线，实现了大尺寸透明导电膜的批量化生产。
苏州纳格光电科技有限公司申请了关于图形化的柔性透明导电薄膜及其制法的专利，其采用可见光透光率达90%以上的热塑性聚合物、热固性聚合物或紫外光固化聚合物在PET基材上进行压印，得到沟槽宽度为0.5～10微米的正方形、六边形、三角形或圆形等基本单元的组合，使用纳米银或纳米铜墨水刮涂干燥后，得到了表面电阻小于10Ω/sq、透光率大于80%的柔性透明导电薄膜。
纳米薄膜小论文 篇4
TiCl3饱和NaCl溶液中采用外加添加剂尿素的`新技术,于一定条件下用水热法在玻璃基板上制备出大面积TiO2纳米棒阵列薄膜.研究了尿素含量、反应温度、反应时间和TiCl3起始浓度对产物的影响,并讨论了反应机理.
作 者：张一兵 封心建 江雷 ZHANG Yibing FENG Xinjian JIANG Lei 作者单位：张一兵,ZHANG Yibing(江西上饶师范学院,上饶,334001;国家纳米科学中心,北京,100080)
封心建,FENG Xinjian(中科院化学研究所,北京,100080)
江雷,JIANG Lei(国家纳米科学中心,北京,100080;中科院化学研究所,北京,100080)
纳米薄膜小论文 篇5
TiO2/SiO2纳米薄膜的光催化活性和亲水性
通过 sol-gel工艺在钠钙玻璃表面制备了均匀透明的 TiO2/SiO2复合纳米薄膜 .实验结果表明 : 当 SiO2添加量较高时 , TiO2/SiO2复合纳米薄膜的光催化活性明显降低 ;当 SiO2添加量较低时 ,TiO2/SiO2复合薄膜的光催化活性无明显变化 .在 TiO2薄膜中添加 SiO2,可以抑制薄膜中 TiO2晶粒的长大 ,同时薄膜表面的`羟基含量增加 , 水在复合薄膜表面的润湿角下降 , 亲水能力增强 .当 SiO2含量为 10%- 20%(摩尔分数)时获得了润湿角为 0°的超亲水性薄膜 .
作 者：余家国 赵修建 陈文梅 林立 张艾丽 Yu Jia-Guo Zhao Xiu-Jian CHEN Wen-mei Lin Li Zhang Ai-Li 作者单位：武汉理工大学刊 名：物理化学学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA年，卷(期)：17(3)分类号：O64关键词：TiO2/SiO2复合纳米薄膜 溶胶?凝胶工艺 光催化活性 超亲水性
纳米小医生想象作文 篇6
八点钟到了，我匆匆忙忙地来到了医院。我的衣服上有红`黄`蓝三个按钮。红色按钮是能让我变成纳米那么小;黄色按钮让我变成正常人;蓝色按钮可以飞出我的百宝箱
第一个病人来了，他是一个小胖子，他一边走一边喊，哎呦，哎呦―我立刻按了一下红色的按钮，让我变成了纳米那么小进入小胖子的身体。我来到他的肚子里，突然，一块巨大的石头挡住了我的去路。我想，原来是结石呀!我立刻按了一下蓝色的按钮，飞出了我的百宝箱，我拿出了一把大锤子，用大力士一般的力气，用力敲，结石就变成了一片片碎片，然后拿出一个宝葫芦，把碎片吸进了宝葫芦里面。最后，我按了一下黄色的按钮，来到了外面，变成了正常人。
纳米薄膜小论文 篇7
在研究的最初阶段, 科研人员生产出的纳米薄膜能发出不可见的红外光。但基于这种系统的工作十分单调, 因为每次微调都需要进行耗时颇长的电子显微镜检查。而当成功获取能发出可见光的半导体纳米晶体图案时, 意味着研究团队能够大幅加快开发新技术的速度。即使纳米薄膜低于光学显微镜的分辨率限制, 纳米晶体亦可作为一个光源, 使它们变得可见。
研究人员表示, 这种纳米晶体薄膜可以得到多种应用。因为它们不仅能发光, 也能吸收多种颜色的光。这有助于形成高分辨率显示器屏幕上的发光像素, 或是制成新类型的高效、广谱太阳能电池。同时, 这种材料还可被用于开发针对少量特定生物分子的高敏度探测器, 例如作为毒素筛选系统或是医药检测设备等。另外, 这种技术的成功也开启了有关电子在纳米晶体薄膜内如何移动的新研究, 此前这一直被视为学界的一大难题。
Films made of semiconductor nanocrystals—tiny crystals measuring just a few billionths of a meter across—are seen as a promising new material for a wide range of applications.Nanocrystals could be used in electronic or photonic circuits, detectors for biomolecules, or the glowing pixels on high-resolution display screens.They also hold promise for more efficient solar cells.
The size of a semiconductor nanocrystal determines its electrical and optical properties.But it’s very hard to control the placement of nanocrystals on a surface in order to make structurally uniform films.Typical nanocrystal films also have cracks that limit their usefulness and make it impossible to measure the fundamental properties of these materials.
Now, researchers at MIT say they have found ways of making defect-free patterns of nanocrystal films where the shape and position of the films are controlled with nanoscale resolution, potentially opening up a significant area for research and possible new applications.
“We’ve been trying to understand how electrons move in arrays of these nanocrystals, ”which has been difficult with limited control over the formation of the arrays, says physicist Marc Kastner, the Donner Professor of Science, dean of MIT’s School of Science and senior author of a paper published online in the journal Nano Letters.
The work builds on research by Moungi Bawendi, the Lester Wolfe Professor of Chemistry at MIT and a co-author of this paper, who was one of the first researchers to precisely control nanocrystal production.Such control made it possible, among other things, to produce materials that glow, or fluoresce, in a range of different colors based on their sizes—even though they are all made of the same material.
In the initial phases of the new work, postdoc Tamar Mentzel produced nanoscale patterns that emit invisible infrared light.But working on such systems is tedious, since each fine-tuning has to be checked using time-consuming electron microscopy.So when Mentzel succeeded in getting semiconductor nanocrystal patterns to glow with visible light, making them visible through an optical microscope, it meant that the team could greatly speed the development of the new technology.“Even though the nanoscale patterns are below the resolution limit of the optical microscope, the nanocrystals act as a light source, rendering them visible, ”Mentzel says.
The electrical conductivity of the researchers’defect-free films is roughly 180 times greater than that of the cracked films made by conventional methods.In addition, the process developed by the MIT team has already made it possible to create patterns on a silicon surface that are just 30 nanometers across—about the size of the finest features possible with present manufacturing techniques.
The process is unique in producing such tiny patterns of defect-free films, Mentzel says.“The trick was to get the film to be uniform, and to stick”to the silicon dioxide substrate, Kastner adds.That was achieved by leaving a thin layer of polymer to coat the surface before depositing the layer of nanocrystals on top of it.The researchers conjecture that tiny organic molecules on the surface of the nanocrystals help them bind to the polymer layer.
Such nanocrystal patterns could have many applications, Kastner says.Because these nanocrystals can be tuned not only to emit but also to absorb a wide spectrum of colors of light, they could enable a new kind of broad-spectrum solar cell, he says.
But Kastner and Mentzel’s personal interest has more to do with basic physics:Since the minuscule crystals behave almost like oversized atoms, the researchers aim to use the arrays to study fundamenta processes of solids, Mentzel says.The success of this technique has already enabled new research on how electrons move in the films.
Such materials could also be used to develop sensitive detectors for tiny amounts of certain biologica molecules, either as screening systems for toxins or as medica testing devices, the researchers say.
Douglas Natelson, a professor of physics and astronomy at Rice University who was not involved in this work, says, “The challenge in the past has been achieving thin, uniform films, patterned at high resolution with good contact between the nanocrystals and no cracking.”The MIT team’s approach, he says, “while deceptively simple in appearance accomplishes all of these objectives.”
Natelson adds:“I think this is a very nice achievement.The fluorescence images showing the nanopatterned films are eyepopping, particularly for those who know how tough this is.”
纳米小医生想象作文 篇8
我自称“神医”，这天，我接到了一个任务，就是给一个身体里面满是病菌的发烧病人治病。于是，我带好设备，跳进了病人的体内。
我直冲而下，到了喉咙里。“哇”!我大叫了一声，原来他的喉咙里面布满了红色的、白色的小斑点，还有许多绿色、黄色、紫色、灰色、褐色和黑色的细菌!我举起“细菌吸尘器”，一下子把一些离我很近的细菌吸到了吸尘器里。可我的吸尘器很快就满了，我赶紧戴上防毒面罩，免得被传染。
这时，一个白影飞了过来，一下子“吃”掉了好多细菌。紧接着，一大群“人体护卫者”白细胞冲了过来，细菌被打得七零八落!我拿出喷雾，穿上了一件厚厚的防护服，骑上一个白细胞，向人体深处冲去。来到另一个地方，我发现有一些鱼肉之类的食物，我想这应该是胃吧!这里有一些别的细菌，我抄起喷雾想那些细菌喷去，不一会儿就把细菌消灭得干干净净。
我又来到了肝，那里的细菌少得几乎看不见。细菌像在和我玩躲猫猫，好不容易我才把细菌杀死了。跟着我和白细胞经过了其他很多身体部位，最后来到了口腔。我告别了热心的白细胞大军，摘下防毒面罩，可是我现在的最大问题是怎么才能出去。我转动机智的脑子想啊想，最后拿出了一个小型“痒痒炸弹”投了出去，听到一阵笑声之后，我就被喷了来!
纳米薄膜小论文 篇9
1 CNT薄膜的制备方法
CNT薄膜的制备可分为两种途径:一种为干法,如通过经典的化学气相沉积(CVD)技术实现CNT在不同衬底上的自组织生长[4];另外一种为湿法,主要是先把CNT分散在溶液中,再借助于各种成膜技术获得表面平整的CNT薄膜,例如溶液浇铸法[5],层-层吸附自组装法[6],电泳沉积法[7],电化学沉积法[8],自组装成膜法(SAM)[9],浸渍涂布法[10],改性表面吸附法[11],过滤-转移法[12]和LB技术等[13]。尽管经典的CVD技术可以不受基体表面形状的限制能够很容易的得到均匀生长的CNT薄膜,而且通过CVD技术还能实现CNT在基体表面上的竖直排布,形成大面积的CNT森林;但是,CVD方法操作起来需要大于800 ℃的高温,这样的反应环境对很多高温不稳定的器件不适用。国内有研究者采用射频等离子体红外加热化学气相沉积设备[14],可使CNT沉积薄膜生长温度降至600 ℃,但是设备成本投入相对太大。随着CNT在溶剂中分散性能的不断提高,近年来湿法制备CNT薄膜逐渐成为研究热点。其中,层-层吸附自组装法以其操作简便,膜厚度和性能可实现精确调控等诸多优势成为用途最广泛的薄膜制备技术。
1.1 层层自组装法
层层吸附自组装(LBL SAM)法是利用逐层交替沉积的原理,通过溶液中目标化合物与基片表面功能基团的强相互作用(如化学键等)或弱相互作用(如静电引力、氢键、配位键等),驱使目标化合物自发地在基体上缔和形成结构完整、性能稳定、具有某种特定功能薄膜的一门技术[15]。LBL技术最常见的组装驱动力为静电吸附作用,即基于表面带有相反电荷的不同物种之间的交替吸附,实现正负电荷的过度补偿,从而得到具有特定厚度的薄膜(图1)。通常情况下,静电层-层吸附形成LBL薄膜大都是利用弱聚电解质能在溶液中解离出正负电荷的特性,从而发生静电吸附形成功能自组装薄膜。例如基于聚丙烯酸或聚多胺的自组装膜已有大量报道[16]。LBL技术最突出的优点在于,只需简单的调节溶液的pH值和电解溶液的离子强度,就能改变组装膜内各吸附分子的链结构和膜的表面形貌,从而实现对自组装膜的厚度、组份、堆积方式和空隙率的有效调控。
在纳米领域中,层层吸附自组装技术的优势主要体现在以下两个方面:一是依靠该技术可实现在几何形状复杂的基体表面制备厚度均匀的超薄膜,使基体表面复杂曲率对膜性能及内部堆积结构的影响降至最低;另外通过选择不同的纳米材料,以及控制组装层数等途径,使组装膜的厚度、堆积结构和功能性可按照不同的用途要求进行调节。随着水分散性碳纳米管溶液的实现,LBL自组装技术逐渐成为CNT薄膜制备领域中的一个简单而通用的方法[17]。例如,通过层层组装技术,已经成功实现了CNT与各种光电功能高分子材料在不同电极基体表面上的交替吸附成膜,从而大大加速了CNT在光、电、新能源材料领域中的应用。根据膜内层与层之间的相互作用力的不同,CNT组装薄膜通常可以分为静电库仑作用的物理联结的薄膜和化学联结的CNT组装膜两种,下面分别对这两种组装膜进行论述:
1.1.1 物理联结的层层自组装膜
1991年Decher[15]首次提出通过静电作用形成层层组装膜的技术,目前,CNT组装膜大都采用静电引力作用构筑而成。这种组装技术十分简单,只需把离子化的基片交替浸入羧酸化CNT溶液和另一带有正电荷的聚电解质溶液中,静置一段时间,取出冲洗干净,循环以上过程,就可以得到CNT多层复合膜。
利用静电吸附自组装技术,国内王晓工等人将酸化处理后的单壁碳纳米管与超支化重氮盐(DAS)组装成多层膜[18]。结果表明,SWNTs与DAS不仅发生了静电吸附,而且还发生了化学交联。同时碳纳米管均匀分散在自组装膜中。这两种因素的共同作用使得自组装膜表现出良好的纳米力学性能,弹性模量达到可以从基底上剥离下来成为独立支撑膜的程度。
彭倚天等将表面带有氨基自组装膜的单晶硅浸入碳纳米管分散液中,在氨基自组装膜表面静电吸附力的作用下,实现了碳纳米管于氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)自组装膜表面上的定位[19]。同时,详细研究了沉积时间、沉积温度和CNTs在分散液中的浓度对CNTs在自组装膜上的沉积行为的影响,为进一步有效控制CNTs定位和构建基于CNTs结构的纳米电子器件提供了依据。
董绍俊等人利用层-层静电自组装技术将CNT和金属离子交替吸附在ITO基体表面上,然后再通过NaBH4还原反应,制备了CNT/纳米粒子多层复合膜覆盖的ITO电极[20],这种新型的功能化纳米结构有望应用在催化领域和表面增强拉曼光谱技术中。
杨绍明等人[21]将十二烷基磺酸钠(SDS)分散的碳纳米管(CNT)和辣根过氧化物酶(HRP)通过层层自组装方法构筑HRP多层膜酶电极,并将其用于酚类物质的分析检测研究。紫外-可见光谱表明,SDS分散的CNT可与HRP均匀有效地组装构筑多层酶膜。另外,CNT的引入很好地提高了HRP电极的灵敏度。随着CNT/HRP 组装层数的增加, 电极的电化学响应增加。研究结果表明该HRP电极对酚类物质的分析检测具有宽的线性范围、好的灵敏度和抗干扰性。
陈强等人[22]利用层层自组装法在铂电极表面构建了聚丙烯胺(PAA)-MWCNTs-葡萄糖氧化酶(GOx)膜,并研究了自组装薄膜的表面微观形貌和电化学性质。结果表明,组装层数为6层时性能达到最优。由于碳纳米管具有较大的比表面积、较强的吸附性能,MWCNTs的加入显著提高了传感器的响应电流、灵敏度和稳定性。
碳纳米管LBL薄膜制备的最新进展是全碳纳米管的层层静电吸附组装[23]:经混合强酸氧化后,CNT外壁上的羧酸基团可使CNT表面显示负电荷,进一步经多胺反应,在酸性溶液中CNT表面还可带上正电荷。无论CNT外侧壁上呈现酸性抑或是碱性,其本质上都是一种弱聚电解质,在溶液中都能发生解离而表现出一定的电荷性质。由此,通过基片在具有正、负电荷的CNT分散液中的层-层交替吸附组装,就能得到分散状态良好的CNT薄膜。另外,由于组装膜中存在着大量尚未被补偿的正负电荷(游离羧基和氨基),所以还可对获得的CNT自组装膜进行进一步的功能化修饰,从而为制备高密实度、高机械强度、多功能性的CNT薄膜提供了有利条件。不同于CNT与其它类有机、高分子材料的组装,这种由呈现正、负电性的CNT之间的层-层吸附组装而成的膜是一种近似100%含量的CNT薄膜(图2),而且通过改变组装条件就可达到对膜的性质进行有效控制。
1.1.2 化学联结的层层自组装法
与静电吸附联结的LBL薄膜相比,由于具有良好的环境稳定性和较高的有序度,化学联结的LBL薄膜近年来得到了广泛的研究。刘忠范等人利用化学键结合,将氧化处理后的短碳纳米管组装到ITO和Au电极表面[24],形成的自组装膜高度有序且有一定的方向性,显示了可观的应用前景(图3)。与传统的化学电极相比,在作为能量储存和转化器件使用时,由于纳米效应,这种表面修饰了CNT的新型自组装功能薄膜不仅能显著增加电化学能量传输所需的网络通道,而且凭借其超强的硬度,CNT的引入使膜的机械强度得到了明显提高。另外,由于层-层自组装技术是从分子层面制备薄膜,所以就有效避免了膜的相分离,从而达到了均匀的纳米级别复合,使不同组分的性能得到完美的结合和体现。
2 电化学稳定性
与干法CVD相比较,尽管LBL湿法制备CNT薄膜具有操作简单、应用范围广、设备成本低等诸多优点,但是大多数湿法成膜技术所用的CNT均为化学修饰的官能化的碳纳米管,其外侧壁上常常带有游离的羟基、羧基等活性基团。当作为电化学器件使用时,在电流的催化下,这些存在于CNT表面上的游离活性基团易发生不可逆的氧化反应[25],从而使器件性能严重下降,最终大大缩短其使用寿命。
由于CNT薄膜的最大的潜在应用是在光电化学器件领域,所以其电化学稳定性能的优劣亦成为CNT薄膜通向实用化的关键。考虑到导电高分子具有优异的电化学氧化还原稳定性能,如果作为CNT薄膜上游离羧基的封端官能团,不仅不会影响CNT薄膜本身的电化学性能,而且能够增加CNT薄膜的氧化还原稳定性[26],提高其使用寿命(图4)。研究发现,用胺端基苯胺四聚体对化学键组装在ITO玻璃表面的SWNT单层膜进行封端后,SWNT在酸性介质中的电化学氧化还原稳定性得到显著提升(图5),有望应用于各类光电化学器件领域。
3 CNT薄膜的应用及展望