基本信息
- 项目名称：
- 液相基底纳米量级金属薄膜的制备和研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题是在对各类金属薄膜做了大量实验并获得大量数据前提下，对液相基底纳米量级的金属薄膜的形貌演化规律做了详尽的研究。
- 详细介绍：
- 在液相基底（一般采用硅油基底）上制备出各类金属薄膜系统，研究他们的形貌演化规律以及相应的电特性、磁特性等。在此基础上，将其
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：探索用磁控溅射方法在液相基底上制备金属薄膜的可能性，对此类薄膜的生长机理和形貌特征进行深入分析研究，并与固体基底上和采用不同方法制备的金属薄膜进行综合比较。 思路：采用直流磁控溅射方法在扩散泵硅油表面沉积出银、铁、铝等金属薄膜系统；根据实验结果，分析了真空中和大气环境下金属薄膜在液体基底上的形貌演化规律；根据单轴应力和双轴应力理论，分析了此类金属薄膜中形成的裂纹和特殊褶皱形貌的机理。
科学性、先进性及独特之处
- 1、实验手段的创新：已有的研究都是采用真空热蒸发方法将金属原子及有机分子蒸镀到液相基底上，本作品采用应用更为广泛的磁控溅射方法在液相基底上成膜，具有很好的创新性；溅射方法的成功使用为进一步在液相基底上制备复合功能薄膜系统打下良好的基础。 2、研究方法的创新：本作品将地理学中的板块运动模型和力学中的单双轴应力理论应用到液相基底上的金属薄膜中来，成功解释了薄膜的开裂、起皱等力学行为。
应用价值和现实意义
- 理论：液相基底上的金属薄膜具有近似自由支撑的界面条件，此类薄膜系统可提供一个研究固液相互作用和薄膜机理的极好的物理平台，并很可能向生命科学、化学、材料科学、力学等更广泛的领域渗透和拓展。 应用：液相基底上的薄膜系统经过适当改进可用于制备纳米胶囊、纳米核壳结构，此类纳米结构在生物医学的靶向治疗、工业催化、空气净化等方面有着广泛应用。
学术论文摘要
- 采用直流磁控溅射方法在硅油基底上沉积出具有自由支撑边界条件的金属银薄膜系统，研究了银薄膜在大气环境中的表面形貌演化规律及其物理机理。实验发现银薄膜在真空状态下基本稳定，但在大气环境中发生强烈的收缩效应，使得薄膜开裂，其表面覆盖率不断降低。分析表明这一动态演化过程基本满足指数衰减规律，并可用薄膜内应力的不断释放加以解释。随着银薄膜的不断收缩，薄膜表面可呈现出异常丰富的褶皱形貌：在薄膜边界附近呈现基本垂直于边界的直线状条纹结构；而在薄膜中间区域，将形成二次起皱的扭曲状花样和无序网格状褶皱形貌。从单轴应力和双轴应力理论的角度出发，本文对各类奇特的褶皱形貌进行了细致的分析和讨论。
获奖情况
- 1、论文《自由支撑银薄膜的形貌演化规律及机理研究》于2010年3月发表在《台州学院学报》上。 2、论文《液相基底上铝薄膜的开裂与折叠行为研究》正在投稿中，《真空科学与技术学报》。
鉴定结果
- 经鉴定通过。
参考文献
- [1] G. X. Ye, Q. R. Zhang, C. M. Feng, H. L. Ge, Phys. Rev. B 54, 14754 (1996). [2] Th. Michely, G. X. Ye, V. Weidenhof, M. Wuttig, Surf. Sci. 432, 228 (1999). [3] G. X. Ye, Th. Michely, V. Weidenhof, I. Friedrich, Phys. Rev. Lett. 81, 622 (1998). [4] B. Yang, J. Scheidtmann, J. Mayer, M. Wuttig, Surf. Sci. 497, 100 (2002). [5] G. X. Ye, A. G. Xia, G. L. Gao, Y. F. Lao, X. M. Tao, Phys. Rev. B 63, 125405 (2001). [6] M. Voigt, S. Dorsfeld, A. Volz, M. Sokolowski, Phys. Rev. Lett. 91, 026103 (2003). [7] X. Liu, V. Kaiser, M. Wuttig, Th. Michely, J. Crystal Growth 269, 542 (2004). [8] B. Yang, A. G. Xia, J. S. Jin, J. Phys.: Condens. Matter 14, 10051 (2002). [9] J. P. Xie, W. Y. Yu, S. L. Zhang, M. G. Chen, Phys. Lett. A 371, 160 (2007). [10] S. J. Yu, Y. J. Zhang, Q. L. Ye, P. G. Cai, Phys. Rev. B 68, 193403 (2003).
同类课题研究水平概述
- 人们在研究液相基底上金属薄膜成膜机理的同时，也积极探索此类薄膜的力学、电学和磁学性能。Yang和Ye等人在液相基底上沉积出具有网状特征的逾渗Au、Ag等薄膜，研究了薄膜的直流I-R特性，发现液相表面金属薄膜的局域隧道电流和跳跃电导比一般薄膜更为强烈。Tao等人利用液体基底的流动性制备出具有楔形特征的薄膜样品，发现了奇异的电输运特性和纳米颗粒尺寸效应。2003年前后Yu和Cai等人首次在Ni、Fe、Al薄膜中发现了正弦形、三角形和方形等准周期的内应力释放模式。随后人们在Au、Cu等薄膜中也相继发现了类似的结构，表明此类内应力释放模式是液体基底上金属薄膜的共同特征。2005年，Ye等人研究了液相基底上Fe薄膜的低温磁特性，发现在低温状态下Fe薄膜出现了奇异的铁磁－顺磁转变峰，与固相基底上的Fe膜差别很大，说明液相基底的弱约束条件对薄膜磁特性有很大影响。最近，Xie等人又对Fe薄膜生长初期磁畴的生长及演化规律进行了初步探索。 除了采用常规液相材料（硅油）作为基底沉积金属薄膜之外，近来人们也积极寻求新的适合作为液相基底的材料，并且也开始尝试在液体表面生长单晶薄膜。2001年Ye等人在熔融玻璃基底上生长Au薄膜获得成功，从而拓宽了液相基底的选择范围，并为固定薄膜的微结构提供了一种有效的实验方法。2003年前后，德国波恩大学和亚琛工业大学又在液体表面上成功制备出高品质的有机半导体单晶薄膜，大大丰富了液面薄膜的研究内容。 目前，人们在液相基底上制备金属薄膜和有机分子晶体主要采用真空热蒸发方法。由于蒸发原子的能量较小（在0.1eV数量级），沉积过程中薄膜与液相基底之间的相互作用非常微弱，基底的温度基本保持不变，基底表面层的结构也基本不变，因而沉积的金属薄膜的内应力较小，表面形貌较为稳定，这为研究液相基底上薄膜的形成机理、微观结构和电特性提供了便利。但同时人们在研究金属薄膜与液相基底之间较强的相互作用时也遇到了困难，并且热蒸发方法制备合金薄膜和化合物薄膜时难以精确控制薄膜的组分。最近我们采用直流磁控溅射方法在硅油基底表面沉积金属薄膜获得成功，为制备复杂的、包含丰富物理机理和广阔应用前景的多元复合功能薄膜系统提供了较好的实验方法。由于溅射原子比蒸发原子的能量大1-2个数量级，此类薄膜的生长机理、表面形貌、微观结构、内应力和物理特性都与热蒸发薄膜有较大不同，需要逐个加以揭示。
