纳米多孔薄膜由于其纳米多孔网络骨架结构，高孔洞率，低折射率，低介 电常数，低密度，使其在光学、电学、热学、声学、吸附以及催化等诸多领域 具有广阔的应用前景。制备和研究新型的纳米多孔薄膜以及对其结构进行控制， 拓宽薄膜折射率、介电常数的调节范围，尤其是使新型的纳米多孔薄膜达到尽 可能低的折射率、小的介电常数，具有重要的理论意义和实际应用。 论文第一章介绍了国内、外纳米多孔薄膜的研究现状，对目前研究的纳米 多孔薄膜的热点材料作了大量的文献调研和比较并确立了我们的研究方向。 整篇论文涉及到用溶胶凝胶(Sol-Gel)技术制备纳米多孔薄膜，包括气凝 胶薄膜、介孔薄膜、有机-无机复合薄膜。溶胶-凝胶法是制备纳米多孔材料及 其薄膜的有效方法之一。溶胶-凝胶过程的特点决定溶胶-凝胶膜是具有纳米 尺度网络结构的多孔膜，根据薄膜孔洞率大小，一般将孔洞率小于75％的薄膜 称为干凝胶薄膜，而将孔洞率大于75％的薄膜称为气凝胶薄膜。因为薄膜折射 率和孔洞率成反比，所以可通过调节实验条件控制薄膜孔洞率大小来实现薄膜 折射率的连续调节。本文综述了SiO2气凝胶薄膜的研究现状，通过比较当前几 种SiO2气凝胶薄膜的制备方法，并结合实验室条件，采用对SiO2溶胶进行低表 面张力溶剂替换和有机基团表面修饰的方法，常压制备出低折射率是1.05、高 孔洞率为91％的SiO2气凝胶薄膜，进一步拓宽了折射率的调节范围。 介孔氧化硅薄膜是一种新型纳米多孔材料，具有低的折射率、小的介电常 数、优良的热稳定性能以及良好的机械性能。本文采用溶胶-凝胶技术、蒸发 诱导自组装法，通过酸/酸二步法控制实验条件，实验中采用表面活性剂十六烷 基三甲基溴化氨(CTAB)为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，以及二次去离子水， 盐酸为催化剂等原料制备前驱体溶胶。通过简单提拉迅速蒸发溶剂制备纳米介 孔二氧化硅薄膜、钛掺杂的二氧化硅薄膜。论文探讨了溶胶配比、老化时间及 热处理方式等实验条件对薄膜的孔洞结构和物理性能的影响，并建立了实验参 数与介孔薄膜物理性能的内在对应关系，优化了薄膜制备工艺。蒸发诱导自组 装(EISA)工艺制备介孔薄膜是以动力学因素所控制过程，薄膜中介孔孔道有 序性结构的形成与溶胶粒子的聚合度有关。对样品进行红外光谱及X射线衍射 结构分析，采用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率(1.18-1.24)并计算了孔洞率、密度、 介电常数，采用UV-VIS-NIR分光光度计测量了薄膜的透过光谱，原子力显微镜 观察表面形貌。原子力显微镜(AFM)观察发现介孔薄膜的表面形貌具有明显的纳 米介孔结构、光滑、均匀。实验表明所制备的薄膜有好的光学性能、机械性能。 选择MTES作为有机改性剂，旨在通过甲基改性的手段制备兼具良好光学性 能和机械性能的有机-无机纳米复合薄膜。我们采用新的方法，用溶胶-凝胶技 术，通过酸/酸二步法控制实验条件。由于表面活性剂具有特殊的表面活性性 能， 实验中采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化氨(CTAB)为模板剂，正硅 酸乙酯为硅源，甲基三乙氧基硅烷为有机硅烷，以及二次去离子水，盐酸为催 化剂等原料制备SiO2-MTES前驱体溶胶。测得的红外透射光谱表明，所制备的 薄膜由于掺入甲基基团而疏水。接触角测试值约125度，其结果进一步支持这 一结论。未加MTES的薄膜折射率为1.18，加入MTES后薄膜折射率可低至1.1。 透射光谱和机械性能测试结果表明所制备的疏水型纳米SiO2-MTES复合薄膜同 时还具有良好的光学性能和机械性能。克服了有些光学薄膜防潮性能差的缺点， 并同时改善了薄膜的机械性能，能使膜层较长时间长期安全地使用，延长使用 寿命。 介孔薄膜组装有机染料是另一类重要的有机-无机复合材料。溶胶-凝胶 方法在制备无机基质材料中的应用为有机染料的掺入提供了一种可行和有效的 方法。以前的研究工作大多是将有机染料附载或掺杂在凝胶中或在无定形硅玻 璃薄膜中，而对那些具有规则周期结构的膜材料的研究却很少。本文是利用溶 胶-凝胶工艺将有机染料均匀掺入到介孔氧化硅薄膜中，试图将有机染料罗丹 明B掺杂到制备介孔薄膜反应体系的溶胶中，控制适宜的反应条件，制成发光 功能薄膜材料。由于表面活性剂的限制作用，即使是高含量的染料组装也能保 证它们在介孔孔道内的均匀分散，减少染料分子之间的团聚。通过分析吸收光 谱和荧光光谱，发现RhB染料在SiO2介孔薄膜基质中集聚程度明显降低。发光 光谱发生红移，可能与凝胶SiO2薄膜中介孔的弱极性环境和激发态分子的偶极 矩减小有关。 最后，对论文工作进行了总结，并对今后进一步研究作了展望。 关键词：溶胶-凝胶，纳米多孔薄膜，结构可控，低折射率，复合薄膜