化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積是一種化工技術(shù)，該技術(shù)主要是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質(zhì)、在襯底表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的方法?；瘜W(xué)氣相淀積是近幾十年發(fā)展起來(lái)的制備無(wú)機(jī)材料的新技術(shù)?；瘜W(xué)氣相淀積法已經(jīng)廣泛用于提純物質(zhì)、研制新晶體、淀積各種單晶、多晶或玻璃態(tài)無(wú)機(jī)薄膜材料。這些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素間化合物，而且它們的物理功能可以通過氣相摻雜的淀積過程精確控制。目前，化學(xué)氣相淀積已成為無(wú)機(jī)合成化學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域。
 
 

 

應(yīng)用

現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)需要使用大量功能各異的無(wú)機(jī)新材料，這些功能材料必須是高純的，或者是在高純材料中有意地?fù)饺肽撤N雜質(zhì)形成的摻雜材料。但是，我們過去所熟悉的許多制備方法如高溫熔煉、水溶液中沉淀和結(jié)晶等往往難以滿足這些要求，也難以保證得到高純度的產(chǎn)品。因此，無(wú)機(jī)新材料的合成就成為現(xiàn)代材料科學(xué)中的主要課題。 [1] 

原理

化學(xué)氣相沉積技術(shù)是應(yīng)用氣態(tài)物質(zhì)在固體上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和傳輸反應(yīng)等并產(chǎn)生固態(tài)沉積物的一種工藝，它大致包含三步：
（1）形成揮發(fā)性物質(zhì) ；
（2）把上述物質(zhì)轉(zhuǎn)移至沉積區(qū)域 ；
（3）在固體上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生固態(tài)物質(zhì) 。
最基本的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)包括熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)以及化學(xué)傳輸反應(yīng)等集中。 

特點(diǎn)

1）在中溫或高溫下，通過氣態(tài)的初始化合物之間的氣相化學(xué)反應(yīng)而形成固體物質(zhì)沉積在基體上。
2）可以在常壓或者真空條件下(負(fù)壓“進(jìn)行沉積、通常真空沉積膜層質(zhì)量較好）。
3）采用等離子和激光輔助技術(shù)可以顯著地促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使沉積可在較低的溫度下進(jìn)行。
4）涂層的化學(xué)成分可以隨氣相組成的改變而變化，從而獲得梯度沉積物或者得到混合鍍層。
5）可以控制涂層的密度和涂層純度。
6）繞鍍件好?？稍趶?fù)雜形狀的基體上以及顆粒材料上鍍膜。適合涂覆各種復(fù)雜形狀的工件。由于它的繞鍍性能好，所以可涂覆帶有槽、溝、孔，甚至是盲孔的工件。
7）沉積層通常具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，不耐彎曲，但可通過各種技術(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行氣相擾動(dòng)，以改善其結(jié)構(gòu)。
8）可以通過各種反應(yīng)形成多種金屬、合金、陶瓷和化合物涂層。 [2] 

技術(shù)類型

化學(xué)氣相沉積裝置最主要的元件就是反應(yīng)器。按照反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上的差別，我們可以把化學(xué)氣相沉積技術(shù)分成開管/封管氣流法兩種類型：
1 封管法
這種反應(yīng)方式是將一定量的反應(yīng)物質(zhì)和集體放置于反應(yīng)器的兩邊，將反應(yīng)器中抽成真空， 再向其中注入部分輸運(yùn)氣體，然后再次密封， 再控制反應(yīng)器兩端的溫度使其有一定差別，它的優(yōu)點(diǎn)是：①能有效夠避免外部污染；②無(wú)須持續(xù)抽氣就能使是內(nèi)部保持真空。它的缺點(diǎn)是：①材料產(chǎn)生速度慢；②管中的壓力不容易掌握。
2 開管法
這種制備方法的特點(diǎn)是反應(yīng)氣體混合物能夠隨時(shí)補(bǔ)充。廢氣也可以及時(shí)排出反應(yīng)裝置。以加熱方法為區(qū)分，開管氣流法應(yīng)分為熱壁和冷壁兩種。前者的加熱會(huì)讓整個(gè)沉積室壁都會(huì)因此變熱，所以管壁上同樣會(huì)發(fā)生沉積。 后者只有機(jī)體自身會(huì)被加熱，也就沒有上述缺點(diǎn)。 冷壁式加熱一般會(huì)使用感應(yīng)加熱、通電加熱以及紅外加熱等等。 [1] 

化學(xué)氣相沉積技術(shù)在材料制備中使用

1化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)晶體、晶體薄膜
化學(xué)氣相沉積法不但可以對(duì)晶體或者晶體薄膜性能的改善有所幫助，而且也可以生產(chǎn)出很多別的手段無(wú)法制備出的一些晶體。化學(xué)氣相沉積法最常見的使用方式是在某個(gè)晶體襯底上生成新的外延單晶層，最開始它是用于制備硅的，后來(lái)又制備出了外延化合物半導(dǎo)體層。它在金屬單晶薄膜的制備上也比較常見（比如制備 W、Mo、Pt、Ir 等）以及個(gè)別的化合物單晶薄膜（例如鐵酸鎳薄膜、釔鐵石榴石薄膜、鈷鐵氧體薄膜等）。
2生產(chǎn)晶須
晶須屬于一種以為發(fā)育的單晶體，它在符合材料范疇中有著很大的作用，能夠用于生產(chǎn)一些新型復(fù)合材料。 化學(xué)氣相沉積法在生產(chǎn)晶須時(shí)使用的是金屬鹵化物的氫還原性質(zhì)。化學(xué)氣相沉積法不但能制備出各類金屬晶須，同時(shí)也能生產(chǎn)出化合物晶須，比如氧化鋁、金剛砂、碳化鈦晶須等等。
3化學(xué)氣相沉積技術(shù)生產(chǎn)多晶/非晶材料膜
化學(xué)氣相沉積法在半導(dǎo)體工業(yè)中有著比較廣泛的應(yīng)用。比如作為緣介質(zhì)隔離層的多晶硅沉積層。在當(dāng)代，微型電子學(xué)元器件中越來(lái)越多的使用新型非晶態(tài)材料，這種材料包括磷硅玻璃、硼硅玻璃、SiO2以及 Si3N4等等。此外，也有一些在未來(lái)有可能發(fā)展成開關(guān)以及存儲(chǔ)記憶材料，例如氧化銅-五氧化二磷、氧化銅-五氧化二釩-五氧化二磷以及五氧化二釩-五氧化二磷等都可以使用化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行生產(chǎn)。 [1] 

化學(xué)氣相沉積法在貴金屬材料方面的使用

1化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)幾種貴金屬薄膜
貴金屬薄膜因其有著較好的抗氧化能力、高導(dǎo)電率、強(qiáng)催化活性以及極其穩(wěn)定引起了研究者的興趣。和生成貴金屬薄膜的其他方式相比，化學(xué)氣相沉積法有更多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以大多數(shù)制備貴金屬薄膜都會(huì)采用這種方式。沉積貴金屬薄膜用的沉積員物質(zhì)種類比較廣泛，不過大多是貴金屬元素的鹵化物和有機(jī)化合物，比如COCl2、氯化碳酰鉑、氯化碳酰銥、DCPD化合物等等。
2化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)貴金屬銥高溫涂層
從20世紀(jì)80年代開始，NASA 開始嘗試使用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法制取出使用錸基銥作為涂層的復(fù)合噴管，并獲得了成功，這時(shí)化學(xué)氣相沉積法在生產(chǎn)貴金屬涂層領(lǐng)域才有了一定程度上的突破。
NASA 使用了C15H21IrO6作為制取銥涂層的材料，并利用 C15H21IrO6的熱分解反應(yīng)進(jìn)行沉積。銥的沉積速度很快，最高可以達(dá)到3~20μm/h。 沉積厚度也達(dá)到了50μm，C15H21IrO6的制取效率高達(dá) 70%以上。
3鈀的化學(xué)氣相沉積
Pd 及其合金對(duì)氫氣有著極強(qiáng)的吸附作用以及特別的選擇滲透性能，是一種存儲(chǔ)或者凈化氫氣的理想材料?，F(xiàn)在對(duì)于Pd 的使用大多是將鈀合金或是鈀鍍層生產(chǎn)氫凈化設(shè)備 。也有些學(xué)者使用化學(xué)氣相沉積法將鈀制成薄膜或薄層。具體做法是使用分解溫度極低的金屬有機(jī)化合物當(dāng)做制備鈀的材料，具體包括：烯丙基[β-酮亞胺]Pd（Ⅱ）、Pd（η-C3H5） （η-C5H5）以及 Pd（η-C3H5）（CF3COCHCOCF3）之類的材料，使用這種方式能夠制取出純度很高的鈀薄膜。
化學(xué)氣相沉積技術(shù)是一種重要的材料制備方式，在對(duì)貴金屬薄膜和涂層上有著重要的作用，當(dāng)前我國(guó)在航空航天領(lǐng)域仍處于發(fā)展期，而化學(xué)氣相沉積技術(shù)的使用還有很大的探索空間，需要我們投入更多的精力進(jìn)行研究。