新型結(jié)構(gòu)可控的納米多孔薄膜的研究及其應(yīng)用.pdf

1、納米多孔薄膜由于其納米多孔網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，高孔洞率，低折射率，低介電常數(shù)，低密度，使其在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、吸附以及催化等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。制備和研究新型的納米多孔薄膜以及對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，拓寬薄膜折射率、介電常數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，尤其是使新型的納米多孔薄膜達(dá)到盡可能低的折射率、小的介電常數(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用。論文第一章介紹了國(guó)內(nèi)、外納米多孔薄膜的研究現(xiàn)狀，對(duì)目前研究的納米多孔薄膜的熱點(diǎn)材料作了大量的文獻(xiàn)調(diào)

2、研和比較并確立了我們的研究方向。整篇論文涉及到用溶膠凝膠(Sol-Gel)技術(shù)制備納米多孔薄膜，包括氣凝膠薄膜、介孔薄膜、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜。溶膠-凝膠法是制備納米多孔材料及其薄膜的有效方法之一。溶膠-凝膠過(guò)程的特點(diǎn)決定溶膠-凝膠膜是具有納米尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔膜，根據(jù)薄膜孔洞率大小，一般將孔洞率小于75％的薄膜稱為干凝膠薄膜，而將孔洞率大于75％的薄膜稱為氣凝膠薄膜。因?yàn)楸∧ふ凵渎屎涂锥绰食煞幢?，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件控制薄

3、膜孔洞率大小來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜折射率的連續(xù)調(diào)節(jié)。本文綜述了SiO2氣凝膠薄膜的研究現(xiàn)狀，通過(guò)比較當(dāng)前幾種SiO2氣凝膠薄膜的制備方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，采用對(duì)SiO2溶膠進(jìn)行低表面張力溶劑替換和有機(jī)基團(tuán)表面修飾的方法，常壓制備出低折射率是1.05、高孔洞率為91％的SiO2氣凝膠薄膜，進(jìn)一步拓寬了折射率的調(diào)節(jié)范圍。介孔氧化硅薄膜是一種新型納米多孔材料，具有低的折射率、小的介電常數(shù)、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能以及良好的機(jī)械性能。本文采用溶膠-凝

4、膠技術(shù)、蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法，通過(guò)酸/酸二步法控制實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)中采用表面活性劑十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)為模板劑，正硅酸乙酯為硅源，以及二次去離子水，鹽酸為催化劑等原料制備前驅(qū)體溶膠。通過(guò)簡(jiǎn)單提拉迅速蒸發(fā)溶劑制備納米介孔二氧化硅薄膜、鈦摻雜的二氧化硅薄膜。論文探討了溶膠配比、老化時(shí)間及熱處理方式等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜的孔洞結(jié)構(gòu)和物理性能的影響，并建立了實(shí)驗(yàn)參數(shù)與介孔薄膜物理性能的內(nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系，優(yōu)化了薄膜制備工藝。蒸發(fā)誘導(dǎo)自組

5、裝(EISA)工藝制備介孔薄膜是以動(dòng)力學(xué)因素所控制過(guò)程，薄膜中介孔孔道有序性結(jié)構(gòu)的形成與溶膠粒子的聚合度有關(guān)。對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜及X射線衍射結(jié)構(gòu)分析，采用橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率(1.18-1.24)并計(jì)算了孔洞率、密度、介電常數(shù)，采用UV-VIS-NIR分光光度計(jì)測(cè)量了薄膜的透過(guò)光譜，原子力顯微鏡觀察表面形貌。原子力顯微鏡(AFM)觀察發(fā)現(xiàn)介孔薄膜的表面形貌具有明顯的納米介孔結(jié)構(gòu)、光滑、均勻。實(shí)驗(yàn)表明所制備的薄膜有好的光學(xué)

6、性能、機(jī)械性能。選擇MTES作為有機(jī)改性劑，旨在通過(guò)甲基改性的手段制備兼具良好光學(xué)性能和機(jī)械性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合薄膜。我們采用新的方法，用溶膠-凝膠技術(shù)，通過(guò)酸/酸二步法控制實(shí)驗(yàn)條件。由于表面活性劑具有特殊的表面活性性能， 實(shí)驗(yàn)中采用表面活性劑十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)為模板劑，正硅酸乙酯為硅源，甲基三乙氧基硅烷為有機(jī)硅烷，以及二次去離子水，鹽酸為催化劑等原料制備SiO2-MTES前驅(qū)體溶膠。測(cè)得的紅外透射光譜表

7、明，所制備的薄膜由于摻入甲基基團(tuán)而疏水。接觸角測(cè)試值約125度，其結(jié)果進(jìn)一步支持這一結(jié)論。未加MTES的薄膜折射率為1.18，加入MTES后薄膜折射率可低至1.1。透射光譜和機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明所制備的疏水型納米SiO2-MTES復(fù)合薄膜同時(shí)還具有良好的光學(xué)性能和機(jī)械性能。克服了有些光學(xué)薄膜防潮性能差的缺點(diǎn)，并同時(shí)改善了薄膜的機(jī)械性能，能使膜層較長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)期安全地使用，延長(zhǎng)使用壽命。介孔薄膜組裝有機(jī)染料是另一類重要的有機(jī)-無(wú)

8、機(jī)復(fù)合材料。溶膠-凝膠方法在制備無(wú)機(jī)基質(zhì)材料中的應(yīng)用為有機(jī)染料的摻入提供了一種可行和有效的方法。以前的研究工作大多是將有機(jī)染料附載或摻雜在凝膠中或在無(wú)定形硅玻璃薄膜中，而對(duì)那些具有規(guī)則周期結(jié)構(gòu)的膜材料的研究卻很少。本文是利用溶膠-凝膠工藝將有機(jī)染料均勻摻入到介孔氧化硅薄膜中，試圖將有機(jī)染料羅丹明B摻雜到制備介孔薄膜反應(yīng)體系的溶膠中，控制適宜的反應(yīng)條件，制成發(fā)光功能薄膜材料。由于表面活性劑的限制作用，即使是高含量的染料組裝也能