电泳沉积制备功能薄膜研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn电泳沉积制备功能薄膜研究进展周海佳，刘雪芹，陈翠红，鲁兵安兰州大学物理系，兰州（730000）E-mail：zhouhj05@lzu.cn摘要：电泳沉积（EPD）是一种材料制备的电化学方法，应用十分广泛。作为功能材料制备的重要手段，电泳沉积最近几年发展非常迅速。不仅其机制与应用研究日益深入，还发展出现了一些新技术。本文系统综述了电泳沉积的生长机制及其在最近几年来功能薄膜材料发展中的应用。关键词：电泳沉积（EPD）；功能薄膜材料；双电层；复合材料中图分类号：

2、TB34文献标识码：A1引言电泳沉积（Electrophoreticdeposition,EPD）是一种材料制备的电化学方法，应用十分广泛。相比其他制备方法，如气相沉积和其他电化学沉积等，EPD可以实现准分子水平上材[1]料微观结构的均匀分布。EPD装置简单，成本效率高，适合于各种性质的材料和尺寸的样[2]品。它不仅可以对各种外形和复杂多孔的结构进行涂敷，还可以用于纳米器件的连接与组装。19世纪初，俄国科学家Ruess发现了电泳现象，并于1933年将其应用于Pt电极上ThO2的沉积。20世纪90年代之

3、前，EPD主要用于珐琅和瓷器等传统陶瓷的生产中。随着新型材料的不断涌现，特别是纳米材料的制备与研究，作为材料制备的基本方法EPD在最近的20[3,4]年中有了长足的发展。不仅其机制与应用研究日益深入，还发展出现了一些新技术，例如电泳共沉积，溶胶-凝胶电泳，交流电泳，介电泳，等等。功能薄膜材料，以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和化学、生物以及适当的力[5]学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用。EPD是制备功能薄膜材料的重要手段。本文综述了电泳沉积的生长机制及其在最近几年来功能薄膜材料发展中的应

4、用。2电泳沉积的机制EPD实验装置是一个两电极的电化学系统，如图1所示。沉积过程可以分为两个阶段。首先，在外加电场下带电粒子向其电性相反电极移动，这一过程叫做电泳过程。然后粒子在电极表面沉积，形成均匀致密的薄膜。这一过程称为沉积过程。任何可以制成细小微粒（粒[3]径<~30µm）或溶胶的固体材料，都可以进行电泳沉积。[18]图1电泳沉积实验装置示意图-1-http://www.paper.edu.cn虽然实验装置是一个简单的电化学多体系统，但是EPD机制却比较复杂。2.1DLVO机制[6]DLVO理论

5、，是一种胶体溶液的稳定性理论。因此也是EPD机制的基础理论。该理论认为，溶胶粒子间存在的范德华引力与双电层的排斥力是决定溶胶沉积的因素。粒子间相互作用的势能与粒子间距的关系曲线如下。[6]图2势能曲线粒子要发生团聚，必须要越过图中所示的势垒才能靠拢。只有当外加电场或其他因素提供的能量高于粒子相互作用的势垒，才可能形成紧密而稳定的薄膜。2.2双电层结构变形-减薄机制[7]1996年，Sarkar和Nicholson提出双电层结构变形-减薄的EPD机制。当溶胶粒子向电极移动时，粒子的双电层结构发生变形。粒

6、子形状变为椭圆，且胶体粒子偏离双电层结构的中心。如图3（a）。图3（b）中，粒子结构的不对称性，导致溶胶离子对壳层较远端离子的吸引力降低，从而不断地被溶液中的正离子所中和，双电层壳层结构变薄。当另一个薄壳层粒子由于范德华力靠近时，根据自由能极小原理，两个粒子就发生团聚。它不仅适用于溶液中的双电层粒子，还适用于双电层粒子与沉积的粒子。如图3（c）。-2-http://www.paper.edu.cn[14]图3双电层结构变形的沉积机制[8]Nicholson等人后来提出上述机制是不完善的。他们认为，溶胶

7、粒子双电层结构的变化是当局部区域PH值的升高，接近于溶胶粒子的等电点（IsoelectricPoint）时，粒子的ζ势降低的结果。[7,8]研究人员很早就提出了很多其他的沉积机制，例如双电层结构变形-减薄机制，溶胶[9,10][11][12]絮凝机制，电荷中和机制，电化学凝结机制等。这些机制是在DLVO理论基础上，对EPD机制的合理描述。2.3一些新的机制很多研究人员将沉积过程分为溶胶富集（Accumulation），溶胶沉积（Deposition）和粒子凝结（Consolidation）等三个阶段，

8、并从实验和理论方面对沉积机制进行讨论。[13]Cao等人系统的研究了模板电泳沉积中，溶胶粒子和模板ζ势、沉积速率、凝结速率[14]以及溶胶浓度等因素对电泳沉积过程和结果的影响。VanTassel和Randall研究了恒电流条件下电极附近出现的电压降反常升高现象。他们认为该现象是电泳沉积自调节生长致密[15,16]Al2O3薄膜的原因。Ristenpart等人从理论和实验上研究了电极附近球形胶体粒子附近的离子流对沉积行为的影响。他们认为，离子流是溶胶粒子相