​化学气相沉积的原理及其特点

化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。下面让我们一起来看一下化学气相沉积的原理及其特点。

化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这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间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前，化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

 应用

现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺入某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。

 原理

化学气相沉积技术是应用气态物质在固体上阐述化学反应并产生固态沉积物的一种工艺，它大致包含三步：

（1）形成挥发性物质；

（2）把上述物质转移至沉积区域；

（3）在固体上产生化学反应并产生固态物质。

最基本的化学气相沉积反应包括热分解反应、化学合成反应以及化学传输反应等集中。

 特点

1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

2）可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）。

3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。

4）涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。

5）可以控制涂层的密度和涂层纯度。

6）绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。

7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。

8）可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。

 技术类型

化学气相沉积装置最主要的元件就是反应器。按照反应器结构上的差别，我们可以把化学气相沉积技术分成开管/封管气流法两种类型：

1 封管法

这种反应方式是将一定量的反应物质和集体放置于反应器的两边，将反应器中抽成真空， 再向其中注入部分输运气体，然后再次密封， 再控制反应器两端的温度使其有一定差别，它的优点是：①能有效够避免外部污染；②无须持续抽气就能使是内部保持真空。它的缺点是：①材料产生速度慢；②管中的压力不容易掌握。

2 开管法

这种制备方法的特点是反应气体混合物能够随时补充。废气也可以及时排出反应装置。以加热方法为区分，开管气流法应分为热壁和冷壁两种。前者的加热会让整个沉积室壁都会因此变热，所以管壁上同样会发生沉积。 后者只有机体自身会被加热，也就没有上述缺点。 冷壁式加热一般会使用感应加热、通电加热以及红外加热等等。

 化学气相沉积技术在材料制备中使用

1化学气相沉积法生产晶体、晶体薄膜

化学气相沉积法不但可以对晶体或者晶体薄膜性能的改善有所帮助，而且也可以生产出很多别的手段无法制备出的一些晶体。化学气相沉积法最常见的使用方式是在某个晶体衬底上生成新的外延单晶层，最开始它是用于制备硅的，后来又制备出了外延化合物半导体层。它在金属单晶薄膜的制备上也比较常见（比如制备 W、Mo、Pt、Ir 等）以及个别的化合物单晶薄膜（例如铁酸镍薄膜、钇铁石榴石薄膜、钴铁氧体薄膜等）。

2生产晶须

晶须属于一种以为发育的单晶体，它在符合材料范畴中有着很大的作用，能够用于生产一些新型复合材料。 化学气相沉积法在生产晶须时使用的是金属卤化物的氢还原性质。化学气相沉积法不但能制备出各类金属晶须，同时也能生产出化合物晶须，比如氧化铝、金刚砂、碳化钛晶须等等。

3化学气相沉积技术生产多晶/非晶材料膜

化学气相沉积法在半导体工业中有着比较广泛的应用。比如作为缘介质隔离层的多晶硅沉积层。在当代，微型电子学元器件中越来越多的使用新型非晶态材料，这种材料包括磷硅玻璃、硼硅玻璃、SiO2以及 Si3N4等等。此外，也有一些在未来有可能发展成开关以及存储记忆材料，例如氧化铜-五氧化二磷、氧化铜-五氧化二钒-五氧化二磷以及五氧化二钒-五氧化二磷等都可以使用化学气相沉积法进行生产。

 化学气相沉积法在贵金属材料方面的使用

1化学气相沉积法生产几种贵金属薄膜

贵金属薄膜因其有着较好的抗氧化能力、高导电率、强催化活性以及极其稳定引起了研究者的兴趣。和生成贵金属薄膜的其他方式相比，化学气相沉积法有更多技术优势，所以大多数制备贵金属薄膜都会采用这种方式。沉积贵金属薄膜用的沉积员物质种类比较广泛，不过大多是贵金属元素的卤化物和有机化合物，比如COCl2、氯化碳酰铂、氯化碳酰铱、DCPD化合物等等。

Goto 团队在贵金属薄膜用作电极材料上做了大量的工作。他们所使用的衬底材料有蓝宝石、石英玻璃以及氧化钇稳定化的二氧化锆（YSZ）等等。在成沉积时往装置中通入氧气是为了消除掉原料因热分解产生的碳，并制备出更有金属光泽的贵金属薄膜，如若不然则最后得到的就是铱碳簇膜，也就是纳米等级被晶碳层所包裹的铱颗粒。沉积在YSZ 上面的铱碳簇膜有着优秀的电性能和催化活性。在比较低的温度下，铱碳簇膜的界面电导率能达到纯铱或者纯铂的百倍以上。贵金属和炭组成的簇膜是一种输送多孔催化活性强的簇膜，在电极材料上的使用在未来将很有潜力。

2化学气相沉积法生产贵金属铱高温涂层

从20世纪80年代开始，NASA 开始尝试使用金属有机化合物化学气相沉积法制取出使用铼基铱作为涂层的复合喷管，并获得了成功，这时化学气相沉积法在生产贵金属涂层领域才有了一定程度上的突破。

NASA 使用了C15H21IrO6作为制取铱涂层的材料，并利用 C15H21IrO6的热分解反应进行沉积。铱的沉积速度很快，最高可以达到3~20μm/h。 沉积厚度也达到了50μm，C15H21IrO6的制取效率高达 70%以上。

3钯的化学气相沉积

Pd 及其合金对氢气有着极强的吸附作用以及特别的选择渗透性能，是一种存储或者净化氢气的理想材料。现在对于Pd 的使用大多是将钯合金或是钯镀层生产氢净化设备 。也有些学者使用化学气相沉积法将钯制成薄膜或薄层。具体做法是使用分解温度极低的金属有机化合物当做制备钯的材料，具体包括：烯丙基[β-酮亚胺]Pd（Ⅱ）、Pd（η3-C3H5）（η5-C5H5）以及 Pd（η3-C3H5）（CF3COCHCOCF3）之类的材料，使用这种方式能够制取出纯度很高的钯薄膜。

化学气相沉积技术是一种重要的材料制备方式，在对贵金属薄膜和涂层上有着重要的作用，当前我国在航空航天领域仍处于发展期，而化学气相沉积技术的使用还有很大的探索空间，需要我们投入更多的精力进行研究。

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