论薄膜材料的应用与发展

论薄膜材料的应用与发展

论文关键词：薄膜； 金刚石； 铁电； 氮化碳； 半导体； 超晶格

论文摘要： 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。

1 膜材料的发展

在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

2 膜材料的应用

人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用

就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。 利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。

膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。

更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1]

3 膜材料的分类

近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄

膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。 目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。

3.1金刚石薄膜

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔[2]。

近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。

金刚石薄膜属于立方晶系,面心立方晶胞,每个晶胞含有8个C原子,每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键,牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小,是优良的绝缘体。

利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内,化学气相沉积的

石墨是热力学稳定相,而金刚石是热力学不稳定相,利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理,将石墨去除,这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。薄膜种类层出不穷，一种新的薄膜的出现能够促进某些领域的加快

生产，取代某些生产辅助原料，因为薄膜的使用几乎涵盖了各个领域，金刚石薄膜的出现不仅仅是生产领域的一次变革，也是国际开发史上的一个重要里程碑。

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。

近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。

金刚石薄膜属于立方晶系,面心立方晶胞,每个晶胞含有8个C原子,每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键,牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小，是优良的绝缘体。

利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内,化学气相沉积的石墨是热力学稳定相,而金刚石是热力学不稳定相,利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理,将石墨去除,这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。 金刚石的功能只要体现在六个方面：一、其导热性约硅材料的二万倍，它将取代硅材料制

造新一代计算机，同时抗酸碱、低辐射、抗高温，使计算机能够在恶劣环境下进行工作；二、它的成功开发将使现有应用的电子元器件更新50%；三、利用其高硬度和优异的光学性质组合还可以开发出永不磨损的摄像机、照相机等各种红外光学镜头；四、应用于航空航天技术，开发各种高质量的密封件、热沉材料等；五、加工各种超硬材料；六、发射冷阴极电子的特点制造出高清晰、超薄、超大屏幕的电视机、计算机显示器，并且极省电，目前还只在美日两国使用。日

本的青山大学中犬冢等人和广岛大学中广濑等人，于1985～1988年间，分别先后利用热灯丝CVD法，采用被氢气稀释过的甲烷、乙醇等含氧的有机化合物作为原料，进行了关于沉积金刚石薄膜的实验。结果用氢气稀释过的甲烷作原料，金刚石薄膜的沉积速度为数μm/h（微米/小时）；但是若是采用乙醇等含氧的有机化合物作原料，金刚石薄膜沉积的速度则提高到了数十μm/h。

3.2铁电薄膜

铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展,推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管( FEET)、铁电随机存储器( FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域[3]。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、 铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等,以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。

常见的制备石墨烯的方法有：微机械剥离法，化学气相沉积法，外延生长法以及氧化石墨还原法。

2004年，Geim领导的研究小组利用微机械剥离法首次制备出石墨烯。原子力显微镜观察发现，此方法可得到厚度仅有几个单原子层的石墨烯片层。用此方法制备石墨烯，方法简单，但耗时长，产率低，不利于大规模的生产和应用。

氧化石墨还原法是首先将石墨氧化，得到层间距扩大的氧化石墨后，再将其还原，得到易于制备的石墨烯。氧化石墨的方法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier。Hummers氧化法优于其他两种方法的优点是安全性较高，绿色环保。此外，氧化剂的选取和不同温度下的氧化时间对氧化石墨的制备及其结构有很大影响，因此，需要优化氧化过程的条件，才能得到合适的氧化石墨，使其易于被还原得到高质量的石墨烯。

对氧化石墨进行的还原方法主要有热还原法、化学还原法、电化学还原法等。化学还原法中常用的还原剂有硼氢化钠、水合肼、二甲基联胺，对苯二酚和硼氢化钠等，通过化学还原法可有效地除去碳层间的各种含氧基团，将石墨氧化物还原成石墨烯，但得到的石墨烯易产生缺陷。 在张志勇教授的指导下，苗亚宁小组基于密度泛函理论的第一性原理理论研究了本征及缺陷石墨烯的电子结构，取得了阶段性成果。同时，采用氧化石墨还原法制备了石墨烯，如下图所示。

3.3氮化碳薄膜

1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点,预言了一种新的C-N化合物b-C3N4,Cohen计算出b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4,具有非常短的共价键结合的C-N化合物,其理论模量为4.27Mbars,接近于金刚石的模量4.43 Mbars.随后,不同的计算方法显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度,不仅如此, b-C3N4还具有一系列特殊的性质,引起了科学界的高度重视,目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质.

b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在

还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。

3.4半导体薄膜复合材料

20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。

这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。

3.5超晶格薄膜材料

随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。 半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。

3.6多层薄膜材料

多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。

1991年，法国特拉斯.博斯卡大学的Decher首先提出由带正电的聚合物和带负电的聚合物组成两层薄膜材料的设想，由于静电的作用，在一层材料上添加另外一层材料非常容易，此后，多层薄膜的研究工作进展很快。通常，研究人员将带负电的天然衬材如玻璃片等，浸入含有大分子的带正电物质的溶液，然后冲洗、干燥，再采用含有带负电物质的溶液，不断重复上述过程，每一次产生的薄膜材料厚度仅有几钠米或更薄。由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料[4]。

4 展望

迄今，人们已经设计和开发出了多种不同结构和不同功能的薄膜材料，这些材料在化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理

等许多领域具有重要的潜在应用价值，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。

参考文献： [1]医疗设备信息.2007,(27)8. [2]稀有金属材料与工程.2007,(36)8增刊1. [3]硅酸盐通报.2008,(27)3.

[4]周志华,金安定,赵波,朱小蕾. 材料化学.化学工业出版社,2006,1第一版

性能及应用

机械性能及应用

由于类金刚石膜具有高硬度、高耐磨性和低摩擦因数，因此适用于轴承、齿轮等易损机件的抗磨损镀层，尤其适合作为工具表面的耐磨涂层，可显著提高其寿命。如在印制电路板上钻孔的微型硬质合金钻头上镀膜后可在提高钻削速度50%的情况下，提高钻头寿命5倍。在镀锌钢板的深冲模具上沉积了掺W的DLC膜后可以不用润滑剂，经同样次数的深冲后工件的表面质量仍明显优于未镀膜模具所冲工件。在制造易拉罐时，用高速钢模具对铝板冲压，若无保护膜，只冲压几次工件的孔边就出现毛刺，而镀上膜后冲压5000次也不会出现毛刺。近年来更通过在膜中掺入杂质离子或制备梯度膜、复合膜、多层膜等进一步改善薄膜的摩擦、磨损性能。有研究表明，在膜中掺入适量Ti，膜的摩擦系数由未掺杂时的约0.20下降到约0.03。在钢衬底上制备Ti/Ti C的DLC梯度膜，其硬度达60～70 GPa，摩擦系数得到改善，耐磨性能也显著增强。

随着个人计算机的广泛普及，对硬盘和磁头等存储介质的性能要求也越来越高。将磁盘、磁头或磁带表面涂覆很薄的DLC膜，不仅可以极大地减小摩擦磨损和防止机械划伤，提高各类磁记录介质的使用寿命，而且由于膜层具有良好的化学惰性，可以使抗氧化性提高、稳定性增强。

电学性能及应用

近年来，类金刚石膜在微电子领域的应用逐渐成为热点。由于类金刚石膜较低的介电常数以及容易在大的基底上成膜的特点，可望代替Si0，成为下一代集成电路的介质材料。类金刚石膜具有良好的化学稳定性，因而发射电流稳定，且不污染其他元器件；膜的表面平整光滑，电子发射均匀，并且具有负的电子亲和势、相对较低的有效功函数和禁带宽度，在较低的外电场作用下能产生较大的发射电流，因此可以在平板显示器中得到应用。

光学性能及应用

类金刚石膜具有良好的光学特性，比如良好的光学透明度、宽的光学带隙，其折射率的大致范围为1.8～2.5，光学带隙的范围为O.5～4，特别是在红外和微波频段的透过性和光学折射率都很高，可作为锗光学镜片上和硅太阳能电池上的减反射膜和保护层，在红外光

学透镜上镀制类金刚石膜可以起到增透和保护作用，也可将类金刚石膜镀在航天器或其它光学仪器上作窗口。

生物相容性及医学上的应用

由于类金刚石膜具有良好的耐磨性、化学稳定性和生物相容性，将类金刚石膜沉积在人工关节表面，其抗磨损性能可以和镀陶瓷和金属的制品相比；在钛合金或不锈钢制成的人工心脏瓣膜上沉积类金刚石膜能同时满足机械性能、耐腐蚀性能和生物相容性要求，从而增加了这些医学部件的使用寿命。利用DLC薄膜表面能小、不润湿的特点，美国ART公司通过在DLC膜内掺人Si0，网状物、过渡金属元素以调节其导电性，生产出不粘肉的高频手术刀推向市场，明显改善了医务人员的工作条件。虽然类金刚石膜以其优异的性质在生物医学材料领域有广泛的应用前景，但目前这方面研究工作开展得相当有限，仍需作更进一步的深入研究。

参考资

工业

富勒烯是一种新发现的工业材质， 它的特性： 1.硬度比钻石还硬 2.轫度(延展性)比钢强100倍 3.它能导电，导电性比铜强，重量只有铜的六分之一 4.它的成分是碳，所以可从废弃物中提炼

可想像我们的未来生活中将有“无金属电线”“富勒烯(非金属)钢筋的建筑物” “富勒烯防弹背心”“富勒烯汽车壳”...

◎构想中的“东京湾金字塔城”亦将富勒烯列为主要建材，纳米巴克管(富勒烯)分子可无限延伸(巴克管长度越长，其原子数越多，所以巴克管的原子数不一定是C60)，且巴克管分子是碳原子自动组合而成。

包裹金属

电、光、磁

C60本身的对称性决定了C60自身有非线性光学性质。作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，实际上C60就是因为掺杂碱金属在一定条件下具有超导电性，其电荷转移复合物有铁磁性而引起人们极大兴趣和关注。

1991年北京大学化学系和物理系在国内首次获得了K3C60和Rb3C60超导体，超导转变温度为18K和28K，其超导相达75%，达到了当时国际先进水平。1993年他们成功制备了K3C60外延超导膜，其Tc=21K，Jc=5×10A / cm。1994年后有关C60超导研究，国内外都处于更深入的艰难阶段。C60的磁学研究实际上从其超导性开始的。

C60家族分子是三维π电子离域的化合物，有良好的非线性光学效应。北京大学测定了C60、C70的非线性光学系数，并利用飞秒技术研究了C60的光克尔效应，证实了C60的非线性效应起源于的π电子，并研究了C60电荷转移复合物的非线性性质。在研究C60甲苯溶液的光限制效应时，他们首先发现了反饱和吸收过程的饱和现象，并给出了理论解释。中科院化学研究所在对C60进行化学修饰后进行PVK掺杂，发现了一全新的光导体体系，此体系暗导小，放电迅速，且完全具有重要的潜在应用价值。另外，他们还发现了一类新的光限幅材料，此材料在线性透过率高达80%的条件下，其限幅幅值为300mJ/cm，具有潜在实用价值。

物理应用

润滑剂和研磨剂C60具有特殊的圆球形状，是所有分子中最圆的分子；另外，C60的结构使其具有特殊的稳定性。在分子水平上，单个C60分子是异常坚硬的，这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。C60分子一出世，就有人提议用它来作“分子滚珠”，制成润滑剂。将C60完全氟化得到的C60F60是一种超级耐高温材料，这种白色粉末状物质是比C60更好的优良润滑剂，可广泛应用于高技术领域。另外，C60分子的特殊形状和极强的抵抗外界压力的能力使其有希望转化成为一类新的超高硬度的研磨材料。一种有希望的方法是将C60直接转化为金刚石，这可通过在室温下加高压来实现。1992年初，法国格雷诺布尔（Grenoble）低温研究中心的雷古埃罗等人在英国《自然》杂志上报道，通过在室温下对C60分子施以压强达200亿帕的快速非静压，可将其瞬间转化为大量人工钻石晶体。雷古埃罗等已为这种由C60快速有效生产金刚石的方法申请了专利，这使得C60可作为一种研磨材料而具有潜在应用价值，人们可以采用爆炸或其他冲击波的方法对富勒烯施加高压，生产出符合工业标准的低成本金刚石。

CVD金刚石膜

富勒烯的另一潜在的应用是它们可作为金刚石薄膜生长的均匀成核位置而起重要作用。富勒烯材料的独特性质之一是它们在较低温度下升华，对于C60，其升华点大约是600℃，这使得富勒烯在不规则形状表面上的气体沉积覆盖相对来说很容易实现。另外，由于富勒烯易溶于像苯和甲苯这样的极性有机分子溶剂，因而可以在室温下将复杂表面直接浸于制备好的溶液中，待溶剂挥发后就留下一层富勒烯分子薄膜。

1992年，美国西北大学的一个研究小组声称他们发现了一种用富勒烯结晶出金刚石薄膜的简单方法。他们使用包含C70分子的富勒烯，先在硅表面形成富勒烯薄层，然后用带电粒子轰击它，导致有利于金刚石形成的分子结构，使用化学气相沉积（CVD）方法，通过天然气与氢气的混合气体，形成许多微小的金刚石。科学家预测，对这种方法加以改进也许能够生长出电子应用中所需要的类似大块单晶的金刚石薄膜，这将使得生长金刚石单晶的梦想成为现实。据说在多晶体生长中，C70的应用使得在硅表面衬底上金刚石的生成提高了10个量级。

金刚石薄膜在军事方面具有许多应用价值，如作为装甲车表面的抗冲击覆盖层，用于制成光学（X射线，粒子束）窗口，半导体晶片，高硬度表面齿轮，金刚石-纤维合成材料，以及高温和防辐射电子器件等。

高强度碳纤维

1991年日本电气公司的饭岛发现了一种管状碳——巴基管，巴基管具有独特的几何结构和奇妙的导电性质，同时具有高抗张强度和高度热稳定性。巴基管的这种特殊的电学和机械性能使其具有巨大的应用价值。高性能纤维对于要求很高的强度-重量比的结构设计产生了革命性的影响，尤其是在需要耐高温，或者在能控制材料的电磁性能的应用领域。石墨纤维已具有很高的强度、很强的柔韧性以及耐高温性能。巴基管材料具有高度的热稳定性和易变性，而且比碳素纤维具有更大的抗张强度，加之其导电性能可由其结构加以调节，因而巴基管是一种比石墨纤维性能更优越的碳纤维，甚至还可能发展出强度更高、更轻巧的结构，这样使得巴基管可能在电子器件和航空、航天等空间技术领域具有巨大的应用价值。

1993年，日本电气公司基础研究室的艾贾安和饭岛在细微的巴基管中填入了铅，从而制成了迄今世界上最细的丝，这种丝只有两三个原子那么粗，具有纳米尺度。有人推测这种巴基细丝可能在电子器件制造上得到应用。理论计算表明，巴基管可吸附大小适合其内径的任意分子。科学家希望通过改变石墨层片卷曲成管的方式等方法调节巴基管的直径，使其有选择性地吸收分子，从而改变其电子及机械性能。科学家正试图制成单晶巴基管，并用巴基管造出分子水平的微型零件用于医学或其它目的。富勒烯作为一种潜在的新碳素材料已得到普遍重视，其应用领域也将不断开拓。

高能轰击粒子

C60能够得到或失去电子形成离子，带电巴基球可以用作物理碰撞的高能轰击粒子。1992年9月，法国奥塞（Or-say）核物理研究所与厄普撒拉（Uppsala）大学的研究人员用线性加速器将C60离子加速至具有近5000万电子伏的能量。由于C60离子的质量和体积均较大，高能C60离子束轰击固体靶时不能穿透固体，而是停留在表浅的位置，从而将大量的能量施放在固体表面，可以使固体在加速的同时获得巨大的能量，有助于研究高能离子轰击固体靶时产生的物理变化。C60离子轰击实验开创了物理碰撞研究的新领域.另外，C60离子束还有可能在分子束诱发核聚变的研究中得到应用。

富勒烯及其衍生物物理性质的应用是多方面的。早在1991年，阿莱芒等人发现C60络合物可以在没有金属存在的情况下表现出铁磁性特征，从而有希望开拓磁性记忆材料的一个新方向。用C60还能在CaAs晶体基质上制成C60-K3C60异质结膜，并可将其用于微电子器件等方面。随着研究的深入，富勒烯独特的物理性质将为其应用开辟一个广阔的领域。

化学应用

富勒烯电化学

C60具有完美对称的足球结构，反应在其电子能级上具有较高的简并度.理论计算表明，C60分子的电子能级简并度最高可达五重。C60的最低未占据分子轨道（LUMO）是三重简并的tlu态，使得C60具有很高的电负性，它能够接受电子而形成带负电子的阴离子。高度结构对称性与分子轨道简并度结合起来，使得C60分子具有非常丰富的氧化还原性质。

由于C60分子具有较高的电离势（C60的第一电离能约为7.6eV），因此一般说来，

C60的电化氧化是较为困难的，虽然也有人报道C60和C70的电化学不可逆氧化反应，但更常见的是富勒烯的电化还原.豪夫勒（R. E. Haufler）和斯莫利等首先采用循环伏安特性方法在溶液中产生了离子形式的C60。他们在实验中使用了玻璃状碳钮扣电池，并用铂丝作为反电极。C60进行的这个还原反应是可逆的，显示出使用电化学方法生产稳定的“富勒烯化合物（fulleride）”盐的可能性。这可能导致新材料的发现，并可能制成一类新的可充电电池。C70和C60的电化学行为几乎是相同的，在合适的溶剂中C60能够被还原成六价离子，与理论预测的C60能接受6个电子于很困难的匀质大块化合物的还原中。

巴德（A. J. Bard）等首先进行了铂电极上C60膜的电化学研究，这种膜的电化学性质是较为复杂的，并具有不可逆性。查伯（Y. Chabre）等人采用全固态电化学电池和聚合物电解质成功地将锂掺入C60中，实验确定在连续加入电子过程中LixC60中的x值为0，5，2，3，4和12，最后的Li∶C的比例达到相当于Li12C60即LiC5，这是Li嵌入石墨化合物中的饱和值。查伯等还研究了固态C60电极上钠的电化学嵌入过程.C60的固态电化学研究为生产掺杂富勒烯化合物提供了新的途径。

C60还容易发生电化学加氢反应.C60电极能够通过氢而发生电化学充电反应，而生成的C60Hx可以以很高的效率放电。富勒烯的伯奇（Birch）还原反应和催化氢化反应得到的产物很多，有C60H18、C60H36、C60H56及完全氢化的C60H60等，还有C70的加氢产物C70H46.富勒烯加氢化合物非常稳定，具有广阔的应用前景.利用它们能够安全地大量收集和储存氢的性质，作为储存氢气的材料，这可以应用在氢的纯化、吸收、氢燃烧发动机以及氢—空气燃料电池中。富勒烯对氢气的存储和释放为研究氢的压缩、纯化、热泵以及制冷的新方法打开了大门。

加氢富勒烯是一种碳氢化合物，可作为洁净的燃烧迅速的燃料，有望作为火箭推进剂而用于航空航天领域。另外，利用加氢富勒烯储氢引起的化学及热力学性质，制成可充电电池，用来替代镍-镉（Ni-Cd）电池中的镉电极，也可用来替代镍-金属氢化物电池中的金属氢化物以储存电能。完全氢化的富勒烯能最大限度地存储能量。从实验结果看，一类新的无毒、轻便、高效的富勒烯氢化物电池将很快问世。

催化剂

催化剂有着广泛的应用，如石油精炼和化学过程等方面。富勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础。斯莫利提出可以在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金属原子，如铂（pt）、钯（pd）等，制成一类新的催化剂，在这种催化剂中，催化性原子被碳笼保护起来。

1992年，日本的研究人员用C60制成了一类含钯的高催化性能复合物，这是在室温下用C60的苯溶液与钯的络合物混合制成的，每个C60分子与6个钯原子配位。这是第一个发现的在分子水平上具有规则形状的催化剂载体，并且已发现它能在正常温度和压强下催化二苯乙炔的加氢反应；这也是第一个发现的由一种材料的数个原子组成的团簇催化化学反应，因为催化剂通常只在很大质量下才起作用。富勒烯还可以作为催化剂载体而与其他催化剂结合，催化其他的反应。假如其他类似以富勒烯为基础的催化剂也具有如此之高的催化活性，那么这些基于富勒烯的催化剂将在那些既需要高效率又要低质量或小体积的方面得到应用。

抗癌药物

美国亚特兰大埃莫里（Emory）大学医学院的病毒药物学家斯辛纳齐（R. F. Schinazi）和他的同事们发现，巴基球对一种关键性的HIV病毒酶有杀伤作用，而不伤害宿生细胞。HIV蛋白酶是一种导致艾滋病的病毒，巴基球能够抑制HIV的生长，使其对人类细胞失去感染作用。科学家认为，巴基球虽然不能用来治疗艾滋病，但它可能具有药用价值。这种富勒烯能够消除HIV病毒，阻止HIV蛋白酶的作用而不损害被感染的细胞本身，它在人类被HIV感染的三种免疫细胞中具有抗病毒能力，而且还对这种病毒的反向转录酶起作用，因此能够抑制HIV对细胞的感染。虽然巴基球还不能作为一种有用的药物，但这将是巴基球在生物学上的首次应用；而且科学家认为，富勒烯将为研究抗癌药物提供潜在而有趣的线索。

富勒烯具有十分丰富的化学内涵，富勒烯及其衍生物在化学方面的应用是十分广阔的。除作为催化剂载体、制成高能电池及抑制病毒外，还可以利用富勒烯能有选择性地吸收某些种类气体的性质，将其在工业上用作气体杂质的去除剂，此外还可以作为有机溶剂以及在医学上作为影像剂，这方面的前景是广阔的。

电化学应用

非线性光学器件

实验和理论研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非线性光学材料，C60/C70混合物（C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9esu，C76甚至还具有光偏振性。富勒烯分子中不存在对非线性光学性能有干扰作用的碳—氢键和碳-氧键，与其他非线性光学材料相比，性能更加优越。美国西北大学的研究者们发现C60薄膜具有很高的二阶非线性光学系数，显示出在非线性光学器件方面的应用价值。C60薄膜具有很高的光学效率，这一性质使得C60在激光光学通信和光学计算机方面有着重要的潜在应用，并有望在短期内付诸实现。科学家还发现，C60和C70溶液可以作为光学限制器，这种溶液只允许低强度的光通过，当光强增强时，溶液很快变得不透光，其饱和阈值与其他任何已知的光学限制材料相比差不多或更好。英国科学家还报道过，富勒烯被多孔矿物质俘获并经蓝色激光照射后，成为一种光致发光材料，尽管这一工作尚没有在其他实验室内重复出来，但揭示出它可能用来制作能发射任何频率光的激光器，已经发现许多大的富勒烯分子具有手性特征，这种手征性预示着非线性光学响应的可能.生产和分离出大量的大富勒烯分子将在高阶非线性光学效应方面取得突破.预计富勒烯作为一种良好的非线性光学材料可能很快投入应用。

光导体

光导材料是复印机、传真机和激光打印机的基本部分，旧的光导材料使用硒作为感光剂，较为先进的有机光导聚合物已经代替了硒材料。美国杜邦公司的研究人员发现用1%的C60（可能是C60和C70的混合物）掺杂的PVK聚合物是一类全新的高性能光导体，类似的产品已经应用于静电复印技术中。这种光导材料具有良好的性质，其图象分辨率相当或优于其他材料，而寿命远远高于含硒材料，其性能实际上已经可以与最好的商用光导体相比拟.这使得掺杂富勒烯材料在印刷及光通信等方面将获得巨大的应用。

超导材料

掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果，这种超导体具有相对较高的临界温度，掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体，而且也大大高于

以前发现的金属和合金超导体，只比炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。

如果掺杂C60超导体的临界温度尚不能与高温氧化物超导体相比的话，那么这种超导体在其他方面却具有许多更为优越的性质，而这些性质都直接影响到超导体的实际应用.富勒烯超导体最大的优点在于这种化合物容易加工成所需要的各种形状；同时由于它们是三维分子超导体，各向同性，使得电流可以在各个方向均等地流动。我们知道，氧化物陶瓷超导体是一种层状材料，表现为各向异性，在每层平面内和与平面垂直的方向上导电性质不同，同时这种陶瓷材料难于加工成线形或其他所需要的形状，给实际应用造成困难。同时，富勒烯化合物超导体还具有较高的临界磁场和临界电流密度，理论分析和一些实验结果显示，在更大的富勒烯分子掺杂化合物中可能大幅度提高超导临界温度。良好的性质和潜在的高临界温度为富勒烯超导体的应用创造了条件。

掺杂富勒烯超导体的可能应用包括磁悬浮列车，基于约瑟夫逊结和更新更快设计原理的高速计算机开关器件、长距离电力输送、超导发动机和发电机、作物理研究的大型磁铁（如超导超级对撞机）、超导计算机的电子屏蔽以及基于超导量子干涉器件（SQUID）的电子设备等方面。

掺杂的C60化合物显示超导电性，理论计算已经证明，不掺杂的C60是一种直接能隙半导体，由于C60分子在其格点位置作高速无序自由转动，使C60固体成为继Si，Ge和GaAs之后的又一种新型半导体材料。日本三菱电气公司的研究人员已经用C60制成了一种新型富勒烯半导体。随着研究的深入，富勒烯及其衍生的材料走向应用已指日可待。

C60及富勒烯家族的诞生是20世纪80年代的重大发现之一，具有重要意义的是，这些神奇的全碳分子及其衍生的物质显示新颖奇特的物理化学性质，它们首先是作为一种可实用化的新材料而出现的。

护肤品

由于富勒烯能够亲和自由基，具有极强的抗氧化能力，能够起到活化皮肤细胞，预防肌肤衰亡的作用。关于富勒烯在清除自由基方面的功效目前已有近3万篇论文被发表，近3千个专利获得了认可。正因如此，21世纪以来富勒烯开始被用作化妆品原料，具有抗皱、美白、预防衰老的卓越价值，成为备受瞩目的尖端美容成分。许多高端护肤品品牌含有富勒烯成分。

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多元体研究

富勒烯衍生物与卟啉、二茂铁等富电子基团共价或非共价形成多元体，用于研究分子内能量、电荷转移、光致能量和电荷转移。

有机太阳能电池

主条目：有机太阳能电池

自1995年俞刚博士将富勒烯的衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-c61-butyric acid methyl ester，简称PC61BM或PCBM）用于本体异质结有机太阳能电池以来，有机太阳能电池得到了长足的发展，其中有三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用，迄今大部分

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