SEM-TEM及IR在SiO2薄膜制备中的应用.doc

SEM/TEM及IR在SiO2薄膜制备中的应用 曾 齐 1 引言 纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少有一维以纳米级大小复合而成的复合材料，其制备方法主要有溶胶-凝胶法、填充法、插层法、共混法等。其中，纳米二氧化硅是一种重要的无机化工产品，是橡胶、塑料、油漆、油墨、造纸、农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料[1]。 SiO2具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质。通过对各种制备方法、制备工艺的开发和不同组分配比对SiO2薄膜的影响研究，制备具有优良性能的透明SiO2薄膜的工作已经取得了很大进展。薄膜在诸多领域得到了很好的应用，如用于电子器件和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中。利用纳米二氧化硅的多孔性质可应用于过滤薄膜、薄膜反应和相关的吸收荆以及分离技术、分子工程和生物工程等，从而在光催化、微电子和透明绝热等领域具有很好的发展前景。均匀多孔，孔径分布介于5～50nm的二氧化硅薄膜的制备及性能表征已成为材料界研究的热点之一[2]。本文将着重对SEM/TEM在SiO2薄膜制备中的应用研究进行综述。 2 SEM/TEM及IR简介[3] 2.1扫描电镜(SEM) 扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得对是试样表面性貌的观察。 扫描电镜(SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调;②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构;③试样制备简单。 实验通过扫描电子显微镜(SEM) (Quanta 200 ESEM FEIco-Holland，荷兰) 观察薄膜表面及断面形貌。 2.2 透射电子显微镜(TEM) 透射电子显微镜(TEM)是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，它是用聚焦电子束作为照明源，使用对电子束透明的试样(几十到几百纳米)，以透射电子为成像信号，是观察分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。透射电镜的两个基本功能即能观察电子衍射衬底又能做电子衍射。实验通过透射电镜(TEM， JEOL JSM一6700F)观察硅溶胶及纳米二氧化硅颗粒的形貌 2.3 IR 红外光谱是鉴定化合物分子结构的强有力的工具，具有不破坏样品等优点，应用红外光谱研究界面膜结构的手段中，当首推反射吸收红外光谱法（RA-IR）。利用反射吸收红外光谱法(RA-IR)研究了硅溶胶粉体的结构和键合情况，并间接反映硅溶胶的水解情况。 2.4 接触角的测定 接触角的测量是通过数码相机拍照后，采用半球法计算获得(5闪水滴在同一样品的五个不同的点上取平均值)。采用半球法测试薄膜的疏水性，用数码相机摄像，测量液滴高度h和底面圆半径:，根据公式计算接触角。计算接触角公式如下： 半球法示意图见下图 半球法计算接触角示意图 测量薄膜的疏水性问题转化为一个简单的几何问题，测出水滴与薄膜表面接触圆的直径d和水滴的高度h，就可计算出接触角的大小。 需要注意的问题： ①水滴因自身重力而产生的几何变形，使水滴不再是一个标准的球体。 ②水滴应尽快拍摄，防止因水的蒸发所造成的偏差。 ③温度影响水的表面张力，因而也会影响接触角值。在拍摄时尽量保证室温不变。 ④在测量数码照片上水珠与薄膜表面接触圆的直径d和水滴的高度h时应尽量准确，以减小误差。 所以，要得到准确可靠的接触角数据，拍摄时要注意以下几点: ①固体或膜的表面应当是干净的、均质的、没有污染的表面。 ②液体水应经净化提纯，最好用二次蒸馏水。 ③滴加液滴要用小针头，一滴的体积约为几微升。 ④滴加液滴时水滴大小要均匀。 ⑤环境要保持清洁，室温不宜过高，以10~20℃为宜。 ⑥滴加液滴后，应在规定的时间内拍摄。 3 SEM/TEM及IR在SiO2薄膜制备中的应用 SiO2的形貌、组织和结构等需要采用SEM/TEM及IR来进一步表征。另外，X射线衍射图谱不能很明显的反映出SiO2的添加对物相的影响，而透射电子显微镜能更好的反映出SiO2的添加对复合薄膜(CSF7)的形貌、组织和结构等的影响。 一：将46. 5g正硅酸乙酯(TEOS), 90ml无水乙醇及10ml 0. 1M盐酸及一定数量的硅烷偶联剂均匀混合后，在55℃下恒温水解6h得均匀透明的溶胶, 然后加热蒸发得凝胶，凝胶在80℃恒温下烘干17h得白色粉体, 破碎、筛分, 全部通过- 400目后密封保存。试样1、2、3、4、5、6制备时初始加入的硅烷偶联剂的量分别为TEOS重量的0%, 12. 5%,14. 3%, 16. 7%, 20%, 25%。[1] 图1是试样1、2、3、5的TEM图