《薄膜材料及其應(yīng)用》教學(xué)大綱.docx

1、薄膜材料及其應(yīng)用課程教學(xué)大綱課程代碼：MSEN2017課程類別：通識(shí)教育課程(或大類基礎(chǔ)課程、專業(yè)教學(xué)課程、全校性任意選修課程等) 授課對(duì)象：材料專業(yè)開課學(xué)期：秋季學(xué) 分：2學(xué)分指定教材：鄭偉濤編著，薄膜材料與薄膜技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2008年一、教學(xué)目的：了解薄膜材料科學(xué)在材料科學(xué)中的地位，薄膜的概念、分類、組成和特點(diǎn)；綜述了現(xiàn) 有的溶膠-凝膠法、L-B膜法、電化學(xué)沉積法、化學(xué)汽相沉積、低能團(tuán)簇束沉積法、真空蒸發(fā) 法、濺射沉積、分子與原子束外延、分子自組裝等薄膜制備技術(shù)；概括薄膜材料的表征方法; 介紹目前應(yīng)用和研究的主要薄膜材料，重點(diǎn)講述各種功能性聚合物薄膜、膜分離技術(shù)和有序 納米結(jié)構(gòu)薄膜

2、。二、課程內(nèi)容第一章前言1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)薄膜科學(xué)發(fā)展史1.薄膜的概念2.薄膜科學(xué)發(fā)展史3.我國(guó)薄膜科學(xué)發(fā)展史4.薄膜材料科學(xué)的發(fā)展第二節(jié)薄膜材料和分類1.按薄膜的材料分類2.按薄膜的結(jié)構(gòu)分類3.按薄膜的用途分類4.按薄膜的作用機(jī)理分類5.按薄膜的厚度分類2.教學(xué)要點(diǎn)區(qū)分涂層(coating)、層(layer)、箔(foil),明確膜、厚膜、薄膜(thin film) 的概念，確定本課程的講解范圍：固體的一維線性尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的其它二維尺度；介紹薄 膜的研究及其技術(shù)發(fā)展史；介紹我國(guó)薄膜科學(xué)發(fā)展和薄膜科技的學(xué)術(shù)團(tuán)體；介紹薄膜材料在 材料科學(xué)中的地位和作用；各種薄膜材料和分類。第二章薄膜的制備方

3、法和技術(shù)1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)薄膜制備的化學(xué)方法1. 熱生長(zhǎng)法：在一定氣氛下，通過(guò)加熱基片的方式值得薄膜的方法2. 化學(xué)氣相沉積：氣體與氣體在包含基片的真空室中相混合，在適當(dāng)溫度下，氣體發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)將反應(yīng)物沉積在基片表面最終形成固體薄膜。3. 電鍍：電流通過(guò)導(dǎo)電液（稱為電解液）中的電流而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，最終在陰極上（電解） 沉積某一物質(zhì)的過(guò)程。4. 化學(xué)鍍：不加任何電場(chǎng)、直接通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)薄膜沉積的方法叫化學(xué)鍍。5. 陽(yáng)極反應(yīng)沉積法：電流通過(guò)導(dǎo)電液（稱為電解液）中的電流而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，最終在陽(yáng) 極上（電解）沉積某一物質(zhì)的過(guò)程。6. LB技術(shù)：利用分子活性在氣液界面上形成凝結(jié)沫，將該膜逐次疊積

4、在基片上形成分子層（或稱膜）的技術(shù)，該技術(shù)由Katharine Blodgtt和Irving Langmuir在1933年發(fā)現(xiàn), 因此這一技術(shù)稱為L(zhǎng)angmuir-Blodgett （LB）技術(shù)。第二節(jié)薄膜制備的物理方法1. 真空蒸發(fā)：在真空環(huán)境下，給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所必須的蒸汽壓，蒸 發(fā)粒子在基片上凝結(jié)，即可實(shí)現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積。2. 濺射：在某溫度下，如果固體或液體收到適當(dāng)?shù)母吣芰Ｗ樱ㄍǔ殡x子）的轟擊，則 固體或液體中的原子通過(guò)碰撞有可能獲得足夠的能量而從表面逃逸，這一將原子從表面 發(fā)射出去的方式稱為濺射。3. 粒子束和離子助：應(yīng)用與離子相關(guān)的技術(shù)制備薄膜。4. 外延膜沉

5、積技術(shù)：外延是指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時(shí)，在基片上取向或單晶 生長(zhǎng)同一物質(zhì)的方法制備薄膜。5. 旋涂、浸涂和澆注法：把成膜物質(zhì)配成一定的溶液，滴加在在高速旋轉(zhuǎn)的基片上形成薄 膜叫旋涂；把基片浸入成膜物質(zhì)溶液，在基片上形成的薄膜叫浸涂薄膜；活著將成膜溶 液在基片I揮發(fā)溶劑而成的薄膜叫澆注薄膜。6. 分子自組裝:成膜物質(zhì)在一定基片上自組裝成的薄膜。第三節(jié)聚合物薄膜的制備方法一、擠出吹膜法二、擠出流延法三、溶液流延膜法四、壓延成型法2. 教學(xué)要點(diǎn)薄膜制備的化學(xué)方法：熱生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍、陽(yáng)極反應(yīng)沉積法、LB 技術(shù)；對(duì)于無(wú)機(jī)非金屬和金屬材料薄膜制備的物理和化學(xué)方法：其空蒸發(fā)、濺

6、射、粒子束和 離子助、外延膜沉積技術(shù)：旋涂、浸涂和澆注法、分子自組裝；聚合物薄膜的制備方法：擠 出吹膜法、擠出流延法、溶液流延膜法和壓延成型法。第三章薄膜的表征1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)薄膜的厚度控制及測(cè)量一、薄膜沉積率和厚度監(jiān)測(cè)儀二、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法三、薄膜厚度的物理測(cè)量方法第二節(jié)薄膜的組分表征一、盧瑟福背散射（RBS）二、二次離子質(zhì)譜儀（SWS）三、X射線光電子能譜（XPS）四、俄歇電子能譜五、電鏡中的顯微分析第三節(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)表征一、衍射參數(shù)二、熱振動(dòng)與Deby-Waller因子三、低能電子衍射（LEED）四、植入射角X射線衍射（GIXS）五、透射電子顯微鏡第四節(jié)薄膜的原子化學(xué)鍵合表征一、

7、能量損失譜（EELS）二、擴(kuò)展X射線三、紅外吸收光譜和拉曼光譜第五節(jié)薄膜的應(yīng)力表征2. 教學(xué)要點(diǎn)薄膜的厚度控制及測(cè)量技術(shù)；分析薄膜的元素、組成和比例；薄膜的結(jié)構(gòu)表征；薄膜的 原子化學(xué)鍵合表征；薄膜的應(yīng)力表征。第四章功能性聚合物薄膜1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)功能性農(nóng)用聚合物薄膜一、農(nóng)用塑料薄膜種類二、聚乙烯農(nóng)膜及其性能三、其它功能農(nóng)膜第二節(jié)收縮聚合物薄膜一、熱收縮薄膜二、拉伸收縮薄膜第三節(jié)可降解聚合物薄膜一、生物降解薄膜二、光降解薄膜三、光-生物降解薄膜四、水降解薄膜第四節(jié)抗靜電聚合物薄膜一、聚乙煥-碳黑導(dǎo)電薄膜二、內(nèi)添加型抗靜電薄膜第五節(jié)高阻隔聚合物薄膜2、教學(xué)要點(diǎn)介紹目前應(yīng)用廣泛的功能高分子薄膜，

8、功能性農(nóng)用聚合物薄膜；收縮聚合物薄膜；可降 解聚合物薄膜；抗靜電聚合物薄膜；高阻隔聚合物薄膜；實(shí)現(xiàn)高分子薄膜材料的功能化開發(fā) 和應(yīng)用。第五章膜分離1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)膜分離的概念第二節(jié)膜分離技術(shù)的特點(diǎn)第三節(jié)膜分離法的分類第四節(jié)擴(kuò)散滲析(diffusion dialysis)第五節(jié)電滲析(electrodialysis,簡(jiǎn)稱ED )第六節(jié) 反滲透(reverse osmosis,簡(jiǎn)稱RO)第七節(jié) 超過(guò)濾(Cltrafi 1 tration or super fi 1 tration)2, 教學(xué)要點(diǎn)介紹膜分離技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，現(xiàn)己應(yīng)用的膜過(guò)程有：反滲透、納濾、超濾、微濾、 擴(kuò)散滲析、電滲析、氣體

9、分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餡等。目前，在廢水處理 中常用的有擴(kuò)散滲析、電滲析、反滲透、超濾等四種膜分離技術(shù)。第六章有序納米結(jié)構(gòu)薄膜1. 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)電子器件納米結(jié)構(gòu)薄膜高密度的納米電路：?jiǎn)坞娮泳w管；單電子存儲(chǔ)器；高性能電容器；第二節(jié)環(huán)境檢測(cè)納米結(jié)構(gòu)薄膜由于超微粒表面積大、表面活性高等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度、光以及氣氛的變化 敏感。根據(jù)不同材料本身的性質(zhì)可以制備出不同的薄膜傳感器，比如溫度薄膜傳感器、熱薄 膜傳感器、紫外線薄膜傳感器等。第三節(jié)光學(xué)器件納米結(jié)構(gòu)薄膜一、量子點(diǎn)光發(fā)射裝置二、一維納米材料有序陣列光發(fā)射裝置第四節(jié)磁學(xué)器件納米結(jié)構(gòu)薄膜為了提高磁盤的存儲(chǔ)密度，減小磁盤尺寸，

10、對(duì)納米此行薄膜材料的研究己成為當(dāng)今的一 大熱點(diǎn)。層狀幾何學(xué)表明：在外加磁場(chǎng)與一個(gè)鐵磁性薄膜平面平行或垂直時(shí)，其消磁因子分 別是：0和4no但是，形狀各向異性迫使薄膜磁化后的磁場(chǎng)強(qiáng)度（J/）的方向分布在整個(gè)平 面上，因此需要至少4 n M的外加磁場(chǎng)以使磁場(chǎng)強(qiáng)度，座直于平面。第五節(jié)高效能量轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)薄膜由半導(dǎo)體納米例子和導(dǎo)電聚合物混合形成的納米結(jié)構(gòu)薄膜，是研究光伏電池的優(yōu)良材 料。第六節(jié)催化納米結(jié)構(gòu)薄膜有序納米陣列在催化劑領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：直接用作催化劑和用作催化劑的 載體。不論是有序納米微粒陣列，還是有序微孔薄膜材料，由于都有較大的表面積，都有很 好的催化活性。第七節(jié)醫(yī)學(xué)納米結(jié)構(gòu)薄膜

11、有序納米結(jié)構(gòu)薄膜在生物檢測(cè)和診斷方面起著十分重要的作用。2. 教學(xué)要點(diǎn)介紹多種功能性納米結(jié)構(gòu)薄膜，特別是在電子器件納米結(jié)構(gòu)、環(huán)境檢測(cè)納米結(jié)構(gòu)、光學(xué) 器件納米結(jié)構(gòu)、磁學(xué)器件納米結(jié)構(gòu)、催化納米結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)納米結(jié)構(gòu)等方面的衍生研究和潛在 應(yīng)用。三、各章課時(shí)分配表章序號(hào)章內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)第一章介紹薄膜科學(xué)4第二章薄膜的制備方法和技術(shù)8第三章薄膜的表征6第四章功能性聚合物薄膜6第五章膜分離8第六章有序納米結(jié)構(gòu)薄膜4總計(jì)36參考書目（五號(hào)黑體）1 李永軍，劉春艷編著有序納米結(jié)構(gòu)薄膜材料，化學(xué)工業(yè)出版社材料科學(xué)勺工程出版 中心，中國(guó)北京2006, 3；2 孫忠賢主編 電子化學(xué)品，化學(xué)工業(yè)出版社精細(xì)化工出版中心，中國(guó)北京2002, 3；3 溫耀賢主編功能性塑料薄膜，機(jī)械工業(yè)出版社，中國(guó)北京2005, 9；4 唐偉忠著薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用（第二版），冶金工業(yè)出版社，中國(guó)北 京 2