xj****表面工程技术发展前沿概述(中)
 

3 工艺过程研究及其新进展

    工艺是新材料的技术关键。在工艺研究中，首要的问题是深入研究其原理，检验看其是否与过程设计预想的一致，从而判断原始模型的正确性。真空及气体放电物理和技术的采用，是作好表面工程技术的关键。具体说来，引入等离子体物理原理分析和综合诊断技术(Langmuir探针、飞行质谱、吸收光谱，发光光谱、四极质谱等)，有利于深化对于镀膜过程等离子体微观作用的认识，为工艺过程研究开辟新视野，并进一步发展成为宏观与微观相结合的过程设计。

    当前,严格控制沉积粒子的粒度范围,实现精密沉积，达到薄膜理想的高密度和原子量级的表面光洁度，已成为迫在眉睫的技术目标。在这种形势下，王德真等人[2~6]关于脉冲等离子体鞘层中归一化势场分布的时间演变(图1)、脉冲等离子体鞘层轮廓的时空演变(图2)、鞘层中电子和离子密度的空间分布(图3)、鞘层中俘获尘埃的密度分布(图4)等结果，揭示了等离子体／固体界面处的场分布特征和电磁场参数，对于微米亚微米尘埃动力学行为的规律性，对于去除等离子体刻蚀有害刻蚀产物和电弧离子镀大颗粒技术途径的探索，无疑是有启发作用的。林国强等[7]的研究，则揭示了等离子体容抗负载的新特性，为选取合理的电路参数提供了依据。

4 当代科技架构和纳米科技

    xj****表面工程的上述发展和变化固然是由相关领域技术需求直接推动，但若从根本上考虑更是与当代科技和经济的整体发展形势密切相关。近年来，当代科技架构发生了巨大变化，首先，出现了三大前沿领域(信息技术，IT；生物技术，BT；纳米科技，NT)，这是其第一层次。下一个层次是高新技术，其中包括航天、航空、新能源、新材料、环保和物质循环等领域。第三个层次是传统科学技术，目前正处于急剧走向现代化的演变之中。

    三大前沿是当代科技的战略发展方向，其突破对于人类社会的发展具有巨大的推动作用。首先，信息、生物和纳米科技已成为高新技术产业的密集源头，其中生物产业和信息产业已进入高速增长期。三大前沿又是改造传统产业的技术支撑，以上三方面在人类社会经济总增长中所占有的份额，已起到了举足轻重的作用。三大前沿和当代高科技产业的一个引人注目特点是，其民用产品正在占有越来越大的份额，这意味着世界和平具有了越来越强的经济基础，形成了与50～60年代******技术鲜明的对比。另一方面，高新技术产业和传统产业的改造提升，为三大前沿及高新技术领域，提供了前所未有的巨大发展空间。因此，三大前沿领域和高新技术产业的发展，将为新经济造就其物质基础。

    从三大前沿领域的内部关系看，纳米科技是信息技术和生命科学的技术支撑。纳米科技之所以能够起到这种重要作用，其根本原因在于，纳米科技把物质微结构研究的特征尺度推进到了纳米范围。实验研究和理论分析结果都表明，当物质的特征尺寸进入纳米范围时，一方面，物质的本构特性变成与其特征尺寸相关，称为本构特性的尺寸效应；另一方面，当特征尺寸等于一定的特征长度时，出现新的物理和化学机制，称为物理和化学机制的尺寸效应。这两类现象统称为纳米尺寸效应，它们是当特征尺寸进入纳米尺度范围时，物质显示其低维性的具体表现。人们通常所说的表面效应、体积效应等，均可纳入此两类型的范围中。值得注意的是，尺寸效应既有经典效应，也有量子效应，两者都起作用，都很重要，对其研究不可偏废。

    在纳米科技中，把具有上述尺寸效应特征的物质称为低维组元，纳米厚度的薄膜为二维组元，纳米纤维为一维组元，纳米粒子为零维组元。由低维组元构成，并能全部或部分保持有用低维性的稳定低维组元集团，称为纳米结构。含有原子数较少的粒子，通常称为团簇。在自然界或某种工艺的产物中，团簇数目按照其所含原子数的分布称为团簇的丰度曲线，它实际上反映了该种团簇的化学稳定性。作为丰度曲线的例子，图5给出了碳团簇的丰度曲线。曲线上的两个***高的峰分别为C60和C70说明它们***稳定。曲线上其它几个小峰比C60峰和C70峰要低得多，说明它们的稳定性，比C60和C70团簇要差得多。图6给出了银团簇的电子结构与其所含原子数间的关系，它表明在纳米尺度范围内，团簇具有随其所含原子数不断变化，并与块体大不相同的电子结构。根据团簇电子结构与其特征尺寸(原子数)的关系，可以推断，在薄膜电子结构与膜厚(或原子数)之间，亦应存在一定的依赖关系，由此可见，低维组元电子结构的尺寸效应，是纳米结构本构特性及物理和化学作用尺寸效应的物理基础。

    纳米薄膜技术(--维组元的一维复合)的突出特点是其特征尺寸较纳米纤维及纳米粒子容易控制，因而成为制备纳米结构较有效的途径。目前，纳米薄膜技术已发展成纳米科技重要组成部分，开始为信息、生物、微电子、航天、航空、新能源、新材料等其它前沿及高新技术领域服务；为传统产业改造服务，为推进纳米科技的发展作出了巨大贡献。

    如果不考虑胶体和大气光散射，则系统性纳米科技的研究应当是始于60年代末。当时，Esaki和Tsu的半导体超晶格、Koehler的纳米多层增强、藤岛昭的表面纳米结构光催化分解水的原理和实验研究结果相继发表。从那时以来，纳米薄膜、纳米纤维、纳米粒子和各种纳米结构的研究持续不断，直到今天，并逐步建立起纳米结构的普遍性原理框架和各种特殊性原理理论，形成了作为纳米科技基础第一部分的纳米科技原理。与原理研究平行，还逐步形成了纳米科技基础的其它两个组成部分：纳米制造技术和纳米测试技术。整个纳米科技是由纳米科技基础、纳米应用科技、纳米科技在其它科技领域中的应用三大部分构成。由纳米科技原理纳米制备技术和纳米测试技术构成的纳米科技基础，决定了纳米科技整体的发展水平，因而是纳米科技的核心部分。

5 xj****表面工程技术的产业化

    目前，已实现产业化的xj****表面工程事例有：塑料薄膜或纸张基片上镀铝制成的薄膜电容器；新型复合包装材料；老式镀膜幕墙玻璃；有效太阳能薄膜集热器；TiN系(包括Ti(c，N)、TiC等高硬膜，(Ti，Al)N等抗高温氧化膜，CrN耐磨耐蚀膜，ZrN高温高强膜及其多层复合涂层)耐磨涂层刀具、模具和量具；液晶显示器用ITO透明导电膜。正在和即将实现高新技术产业化的事例有：薄膜型电阻、电容、电感；背投电视光反射膜、过滤膜系列；磁盘、光盘、磁头的功能膜和防护膜；燃气轮机叶片MCrAlY系抗热腐蚀涂层；等离子体显示器MgO功能涂层；自清洁玻璃；光催化杀菌消毒薄膜；塑料容器高阻隔性薄膜；新式镀膜幕墙玻璃(吸收紫外，反射红外，透光)。

    有待进一步研究，并于将来实现产业化的xj****表面工程技术事例有：低介电常数基片；高热导率基片；用途更广的新一代ZnO基透明导电膜；新一代铁电存储器；高耐热高绝缘高导热封装薄膜；更高记录密度的薄膜磁头，其磁头起飞高度由25nm进一步降到15nm，需采用新的磁记录功能膜和磁记录、耐磨损两种功能一体化的磁记录功能膜材料；涡轮轴发动机压气机钛合金叶轮抗沙尘冲蚀涂层；有效率低成本薄膜太阳能电池；柔性(全薄膜化)显示器；燃气轮机叶片热障涂层；光催化环境净化膜；光催化太阳能分解水制氢；高性能、高质量、有效率、低成本刻蚀技术和装备。