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1、纳米二氧化硅材料及其电学性质的技术研究进展 摘要 纳米技术日新月异 纳米材料科学也不断的进步 纳米二氧化硅作为纳米材料的一员 其制备方法不断涌现 其应用范围不断拓展 已逐渐成为重要的无机纳米材料 本文主要对纳米二氧化硅的制备技术进行了全面介绍 对各种制法的优缺点进行了评述 阐明了改性机理 列举了常见的改性方法 并对其电学性质做了重点论述 对具体的应用 尤其是近年来各新兴领域的应用作了简要的概括 研究纳米二氧化硅的意义 纳米二氧化硅为无定型白色粉末 是一种无毒 无味 无污染的非金属材料 微粒结构非常特殊 表现出奇异或反常的物理化学特性 具有卓越的光 力 电 热 磁 放射 吸收等特殊性能 在众多学
2、科及领域内独具特性 有着不可取代的作用 因此 研究纳米二氧化硅材料具有十分重大的意义 1纳米二氧化硅的制备方法 气相法溶胶 凝胶法反相胶束微乳液法沉淀法硅单质法 1 1气相法 该法是采用四氯化硅在氢氧焰中水解制得 水解产生的二氧化硅分子凝集成颗粒 这些颗粒互相碰撞 熔结成一体 形成三维和有分支的键状聚集体一旦这些聚集体温度低于二氧化硅熔点 则进一步碰撞 引起键的机械缠绕 生成附聚物 由于气相法物质浓度小 生成的粒子凝聚少 这样生成的纳米SiO2又称无水纳米SiO2 它是球形粒子 纯度高 表面羟基少 SiO2的质量分数在0 998以上 直径在8 19nm 比表面积在130 480m2 g dbp
3、吸收值1 50 2 00cm3 g 1 2溶胶 凝胶法 该法工艺一般是通过正硅酸乙脂 TEOS 的水解聚合而形成二氧化硅溶胶 其过程包括了TEOS在溶胶 凝胶过程的催化效应 溶剂效应 添加剂效应等 其反应动力学为 Si OR HOH Si OH ROHSi OR HO Si Si O Si ROHSi OR HO Si Si O Si HOH凝胶化后 再经过陈化 千燥和热处理得到产物 1 3反相胶束微乳液法 该法是液相化学制备法中最新颖的一种 微乳液通常由表面活性剂 助表面活性剂 油 水组成 首先形成乳液 剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个微泡 微泡表面由表面活性剂组成 尺寸大小在5
4、 100nm之间 从微泡中生成固相可使成核生长 凝结和团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内 从而形成球形颗粒 又避免了颗粒之间进一步团聚 1 4沉淀法 沉淀法是液相化学合成高纯度纳米级二氧化硅粒子采用的最广泛的方法 它是以水玻璃和盐酸或其他酸化剂为原料 适时加入表面活性剂到反应体系中 控制合适的合成温度 直至沉淀溶液的pH值为8左右加入稳定剂 将得到的沉淀用离心法分离洗涤 经一定且合适的温度干燥 最后在马福炉中高温灼烧一定时间后得到白色轻质的SiO2粉末 1 5硅单质法 将纯水 分散剂和硅单质加入到三口烧瓶中 开动搅拌 用NaOH溶液调pH 10 加热升温 维持温度在80 90 反应10h 其
5、间补加氨水 以维持反应液pH 9 5 10 5 加入有机硅改性剂 继续反应1h 待温度降至室温后 减压过滤 滤液即为纳米SiO2水分散液 上述介绍最常用的制备纳米二氧化硅方法 气相法的优点是颗粒的尺寸较小 纯度高 但合成的条件难控制 而且造价高 溶胶 凝胶法的优点是反应条件温和 成分容易控制 工艺设备简单 产品的纯度高 但原材料价格昂贵 凝胶颗粒之间烧结性差 产物干燥时收缩性大 沉淀法生成的二氧化硅颗粒均匀 并且由于成本低 工艺容易控制 设备投资小 可大量生产 适于工业化 2纳米材料二氧化硅的改性 醇 酸改性法表面活性剂改性法硅烷偶联剂改性法 2 1醇 酸改性法 实验表明 醇 酸类化合物可与纳
6、米SiO2表面的大量 OH发生化学反应 这样就可以在纳米粒子表面接枝有机基团 使改性后的粒子疏水性能提高 从而提高了纳米粒子与有机物的相容性 2 2表面活性剂改性法 在二氧化硅胶液中添加表面活性剂 可以在纳米粒子间建立一个能垒来提抗团聚的发生 表面活性剂主要通过以下两种方式改性纳米二氧化硅 一是通过物理吸附使表面活性剂链吸附在纳米粒子表面 另一种方式是化学方应 即活性剂中的某些基团与粒子表面的 OH等发生反应 达到对粒子表面改性的目的 2 3硅烷偶联剂改性法 硅烷偶联剂既含有与二氧化硅表面 OH反应的极性基团又含有与有机溶剂相溶的有机链 使其在纳米二氧化硅粒子的改性实验中得到了广泛的应用 采用
7、硅烷偶联剂对纳米二氧化硅进行了表面处理 从不同侧面考察了不同硅烷偶联剂对粒子之间相互作用 纳米SiO2橡胶相互作用等 结果表明 偶联剂降低了粒子之间的相互作用 而且不同的偶联剂对改性样品的某一性能影响程度不同 3纳米二氧化硅的主要应用 由于纳米SiO2的量子尺寸 量子隧道效应和它的特殊光 电特性 高磁阻现象 非线性电阻现象以及高温下仍具有的高强 高韧 稳定性好等奇异特性 使纳米SiO2可广泛应用于许多领域 几乎涉及所有应用SiO2粉体的行业 现已达百吨生产规模经过两年多的市场开拓和应用技术开发 产品已广泛应用于电子封装材料 高分子复合材料 塑料 涂料 橡胶改性 颜料 陶瓷 粘结剂 玻璃钢 药物
8、载体 化妆品及杀茵材料等领域 为传统产品的提档升级换代带来划时代的意义 4纳米二氧化硅的电学性质 纳米SiO2具有绝缘性好 光透过率高 抗侵蚀能力强以及良好的介电性质 利用纳米SiO2的多孔性质可应用于过滤薄膜 薄膜反应和相关的吸收剂以及分离技术 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 在微电子工艺中 纳米SiO2薄膜因其优越的电绝缘性和工艺的可行性而被广泛采用 5纳米二氧化硅的电学方面的应用 在半导体中的应用在电极中的应用在集成电路中的应用 5 1在半导体中的应用 纳米SiO2是绝缘的 且其化学性质很稳定 因此纳米SiO2被用作半导体材料的隔离带 钝化层
9、 也就是绝缘层 保护层 5 2在电极中的应用 纳米材料的特异性能 尤其是其大的比表面积和完整的表面结构 使其成为优良的电极材料 纳米材料被誉为21世纪最有发展前途的材料 作为电极修饰剂有着广阔的应用前景 随着世界各国对纳米微粒和纳米材料研究的不断探入 制备纳米金属氧化物及复合金属氧化物粉体技术不断发展和成熟 纳米金属氧化物修饰电极的制备及其应用也日益受到科研工作者的青睐 纳米SiO2作为纳米材料中的一种 同样也具有这方面的性能 不仅比与一般的电极相比具有更高的稳定性 导电性和催化性能 同时也赋予电极某些新的电学和化学特性 5 3在集成电路中的应用 随着大规模集成电路器件集成度的提高 多层布线技
10、术变得愈加重要 如逻辑器件的中间介质层将增加到4 5层 这就要求减小介质层带来的寄生电容 目前普遍采用的制备介质层的SiO2 其介电常数约为4 0 并具有良好的机械性能 如用于硅大功率双极晶体管管芯平面和台面钝化 提高或保持了管芯的击穿电压 并提高了晶体管的稳定性 这种技术 完全达到了保护钝化器件的目的 使得器件的性能稳定 可靠 减少了外界对芯片沾污 干扰 提高了器件的可靠性能 现在 纳米SiO2应用于各相关领域的研究局面己全面展开 并已在上述诸多领域中获得成功应用 相信各行业的生产企业只要在实际应用中 通过必要的化学和机械分散手段将纳米SiO2软团聚体颗粒充分 均匀地分散在基材中 完全可以提高传统材料的各项性能指标并创造出性能优异的新一代功能型材料 我国纳米材料的研究已取得许多成果 但纳米SiO2的应用才刚刚起步 所以在以产品性能为依据的前提下 改进制备工艺 使二氧化硅产品具有较高附加值 是今后研究开发的趋势 应用研究与产品开发相结合 其市场前景是十分广阔的 相信在不远的将来 纳米SiO2会进一步工业化 并广泛应用于各个领域 谢谢观看
