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1、纳米薄膜的特性及应用本讲稿第一页，共十一页 纳米薄膜是指由尺寸为纳米数量级(1100nm)的组元镶嵌于基体所形成的薄膜材料。由于这种特殊的结构，它在力、热、光、电、等方面有着不同于普通材料的的特性，下面主要从这几个方面介绍纳米薄膜的特性及应用。本讲稿第二页，共十一页1.摩擦特性1.1有机薄膜的摩擦特性1 如图1，所示通过有机镀膜技术在镁合金表面制备有机薄膜有机镀膜后，其摩擦系数从未处理镁合金的降至说明在微载荷条件下，所形成的疏水有机纳米薄膜有降低摩擦系数、提高摩擦学性能的效果，在解决（微机电）系统的摩擦、润滑问题方面具有一定应用前景1.摩擦特性1.2 单晶硅表面复合纳米膜2 在单晶硅基片制备稀
2、土复合纳米自组装膜（MPTS SAMs），它们同钢球对摩时的摩擦系数结果如图2所示.在试验初期由于单晶硅表面在空气中易吸附有机污染物,基片表面的摩擦系数较低,当摩擦次数超过120次后,污染物被磨掉,钢球与单晶硅基片开始对摩,摩擦系数快速上升到0.8.MPTS-SAMs/RE在相同试验条件下的摩 擦 次 数 超 过500次。这 表 明MPTS-S A M s/R E能够有效地降低 基 片 摩 擦 系 数,具 有 较 好 的 耐 磨 性 能.图2.摩擦系数随摩擦次数变化的关系曲线本讲稿第四页，共十一页2.压阻特性多晶硅纳米的压阻特性3图3 多晶硅隧道模型的等效电路 基于隧道压阻效应的多晶硅压阻特性
3、的修正模型，等效电阻如图3所示，其中Rt(热电子发射电流决定的发射电阻）是能量大于势垒高度的空穴电流通路；Rf是隧道电流决定的隧道电阻，为能量小于势垒高度的空穴提供的电阻，Rf、Rt与中性区电阻Rg都有压阻效应，而且都是由应力引起价带的两个能带退耦分离造成的。但隧道电流带来的压阻效应更显著。重掺杂情况下，多晶纳米薄膜的应变系数比晶粒中性区和相应的单晶更大。由于重掺杂多晶纳米薄膜具有较大应变系数和良好的温度特性，是制作力学量传感器的理想压阻材料。本讲稿第五页，共十一页3.光电特性 PbSe纳米薄膜的光电导性能采用光脉冲下薄膜的t（电阻时间）曲线表征，如图4所示可以看出，薄膜在光脉冲信号下具有良好
4、的光电响应纳米晶薄膜在空气中快速退火（）即可获得光电导效应.图4（)为空气中薄膜对光脉冲表现慢光电响应现象,光照取消后，光电流持续左右才能回到起始电阻而在低氧压中退火得到的薄膜（图4（）则表现出较好的光电响应,响应时间短，响应度较大（光生电流暗电流)图4.PbSe纳米薄膜的光电响应PbSe纳米晶薄膜光电特性4本讲稿第六页，共十一页4.气敏性ZnO纳米薄膜气敏性5 在室温条件下对20层氧化锌纳米粒子薄膜进行了气敏性能测试图5为敏感元件的灵敏度与不同链长醇类气体浓度变化的关系曲线。从图中可以看出随着气体浓度增加，元件的灵敏度也相应增大。对3种醇气氛的灵敏度按正丙醇、甲醇、乙醇的顺序递减。这与气体分
5、子的体积和其自身的推电子效应有关。图5 室温下氧化锌薄膜元件的灵敏度与醇类气体浓度的关系曲线本讲稿第七页，共十一页4.气敏性 薄膜元件对甲醇、乙醇和正丙醇的响应恢复特性曲线如图6所示。元件对体积分数为0003甲醇、0007乙醇和0002正丙醇的响应时间分别为l8、32和22s；恢复时间分别为38、40和36s。气敏性能测试结果表明氧化锌薄膜型气敏元件在室温下对醇类气体具有较好的灵敏性和较快的响应恢复特性，可以作为室温气敏材料进行开发利用。图6.ZnO薄膜对CH3OH、C2H5OH、C3H7OH的响应-特性曲线本讲稿第八页，共十一页5.催化特性RuO2/TiO2 纳米薄膜催化特性6 图7为纳米R
6、uO2/TiO2 薄膜电极在pH 7的饱和缓冲溶液中,以2 mVs1 从0.5 至1.2 V 的近稳态伏安曲线.曲线a 中还原电流由CO2 还原电流和析氢电流构成,而曲线b 中,还原电流只是析氢所贡献.曲线c 是a 与b 差减的结果,忽略前后析氢电流的差异,曲线c 可近似反映CO2 还原的净电流.曲线b 中析氢过程可分为三个阶段:0.6 至0.7V电流缓慢增加;0.7 至0.9 V 出现平台区;0.9 V后电流密度进一步增加.纳 米RuO2/TiO2薄膜电极在电催化还原CO2时,平台区的析氢电流b 是文献值的1.5 倍,相应的总电流a 约是文献值的4 倍.图7 RuO2/TiO2 薄膜电极在不
7、同条件下的近稳态伏安曲线(2mVs1)a通入CO2;b通入N2;cab本讲稿第九页，共十一页5.催化特性 向电解质溶液中分别通入CO2 和N2 30 min 达到饱和后,分别选择0.8 和0.9 V,测定3000 s 过程的it 曲线,差减得到CO2 还原净电流的稳定性曲线,见图8.可知,这两个电位下,CO2还原的净电流稳定性良好,其中0.8 V 时的稳定性优于0.9 V,可能由于电位较负时表面反应更加剧烈而导致RuO2 稳定性下降.纳米TiO2 涂覆层促进了RuO2 的电沉积,析氢电流反映出此体系比表面积为文献值的1.5 倍,但这不足以解释实际观测到4 倍大的CO2 还原电流17,21,因此
8、可以推测RuO2/TiO2 具有内在的高催化活性。图8 0.8和0.9V(SCE）下，纳米RuO2/TiO2薄膜在PH7缓冲溶液中净还原CO2 的it曲线本讲稿第十页，共十一页参考文献v1康志新等：镁合金表面功能纳米有机薄膜的制备与摩擦学特性.摩擦学学报.2011;31（1）v2周华等：单晶硅表面稀土复合纳米膜的制备与摩擦特性单晶硅表面稀土复合纳米膜的制备与摩擦特性.摩擦学学报.2009;29（3）v3揣荣岩，刘晓为等：不同沉淀温度多晶硅纳米薄膜的压阻特性不同沉淀温度多晶硅纳米薄膜的压阻特性.传感技术学报.2006;19（5）v4周凤玲等：纳米晶薄膜制备以及其光电特性研究.无机材料学报.2009;24（4）v5程晓丽等：ZnO纳米薄膜的制备及其气敏性质研究.无机化学学报.2008;24（1）v5张莉娜等：RuO2/TiO2 纳米薄膜的新构建及对CO2 的电催化还原.化学学报.2010;68（6）本讲稿第十一页，共十一页