材料的合成与制备分析.ppt

第7章 材料的合成与制备 对材料来说，尤其是本书中一直侧重的固体材料，原则上讲，全部固体物质的制备和合成方法均可以应用于其制备中。但是，我们应当清醒地意识到，材料不等于固体化学物质，材料的物理形态往往对材料的性质起着相当大的，有时甚至是决定性的作用。因此，化学合成方法并不是材料合成与制备的全部，材料还有其本身特殊的合成和制备手段。正因无如此，我们在这里不再一一列举经典的固体合成方法，而是局限介绍材料合成领域的一些基本的和特殊的方法。 2. 微重量法 微重量法广泛用于测定晶体中缺陷的种类和浓度。晶体中主要缺陷的浓度直接与偏离化学计量比的程度有关。在M1-yX晶体中，M偏离正比量就等于阳离子空位的摩尔分数。在M1+yX中，M超过化学计量比的量等于间隙氧离子的摩尔数。而在真正的MX1-y晶体中，y就等于阴离子空位的摩尔数。因此，用实验方法测定晶体组成偏离正比的程度，就可以确定主要缺陷的种类、浓度，并且可以计算出缺陷的生成焓、熵变以及电离度等。 微重量法是测量试样随反应条件的改变所发生的质量变化。在给定的条件下，反应达到平衡，试样的化学组成稳定了，这是试样的偏离正比之y也一定。微重量法采用石英弹簧热天平来测定，称量部分和反应部分结合在一起，反应部分带有升温控温和气氛系统。 3.密度测定法 用密度测定法可以直接测定缺陷浓度，如果将晶体的真实相对密度同晶格常数计算所得的X射线密度进行对比，不仅可以确定缺陷的浓度，而且可以确定缺陷的种类。密度测定法虽然是一种古老的方法，但由于它能精确确定缺陷浓度和缺陷类型，因此随着测定精度的提高，其实用性也增加。 4.示踪原子法和标记物法 缺陷类型的确定可以利用放射性或稳定同位素示踪原子的方法，测定组分原子M或X在晶体MX中的扩散系数。如果DM》DX，则表明扩散主要沿着M离子的亚晶格进行，因此缺陷主要存在于M晶格之中，是M离子的空位缺陷和间隙缺陷；如果DM《DX，则表明缺陷主要存在于X晶格之中，是X离子的空位缺陷。标记物法的原理是选择一种惰性金属作为标记物，这种标记物在实验条件下，不和被测金属及其化合物发生反应，也不会被它们溶解。标记法可以极细的丝或多孔薄膜的形式紧密地放置在被测金属的表面上，通过反应观察产物的位置来证实缺陷。 5.其他物理仪器法 晶体中原子与离子的迁移总是跟点缺陷有关，可以产生电现象。因此通过电导率测定反映电场中离子的迁移，进而说明缺陷的种类的多少。 X射线衍射和中子衍射进行结构分析也可以推断缺陷的存在及其种类和浓度。另外顺磁共振和电子-双核共振可以作为研究顺磁性缺陷的有力手段，目前利用超高倍电子显微镜已经能够直接观察到缺陷的存在、部位。 §7.4 薄膜和非晶态材料及其制备 7.4.1 薄膜材料及其制备 1. 薄膜及其用途 薄膜最初用于装饰方面。在十七世纪时，艺术家学会了在陶瓷物件上用银盐溶液描上画，然后加热绘上画的物品以使银盐分解，留下了金属银薄膜。今天，薄膜用于装饰和保护两个目的，例如形成导体、保护层以及微电子线路板上的另一类型薄膜，构建太阳能转化为电能的光电转化装置以及其他方面。各种材料，包括金属、金属氧化物或有机物质都可以制成薄膜。 薄膜一词并没有一个特别的定义。一般说来，它是指厚度从0.1μm到约300μm的薄膜，一般意义上并不包括像刷出的或涂出的涂层，因为它们要厚得多。从薄膜的应用角度讲，它们应具有如下性质： （1）应当对于它们所使用的环境具有化学稳定性； （2）应当能与它所覆盖的材料表面有好的附着力； （3）应当具有均匀的厚度； （4）应当存在极低的不完美性或缺陷。 除此以外，对于不同用途，还需要具备某些特殊性质。例如，某些光学材料和磁学材料必须是绝缘体或半导体。 必须小心地将薄膜粘附在它的底层材料上，因为薄膜较脆，它必须依附结构支撑物。要使薄膜连接到支撑物上，应当使得薄膜与支撑物通过强作用力键合。这种成键力可以是化学类型的的，即膜与底层材料通过其界面上的化学反应相连接，例如金属氧化物沉积在玻璃上，金属氧化物的氧离子晶格和玻璃在界面融会在一起，形成了一个薄薄地过渡组分面。在这种情况下，薄膜与其支撑物之间的键能与化学键能大小相似，约在250~400kJ mol-1范围。然而在某些情况下，膜与其支撑物之间的键基本上属于分子间van der Waals 力和静电力，譬如在金属表面沉积有机高分子膜就属于这种情况。这时膜与其支撑物之间的键能只是在50