第三章_纳米薄膜材料

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1、第三章 纳米薄膜材料 3.1 纳米薄膜材料的功能特性纳米薄膜材料的功能特性3.2 纳米薄膜材料制备技术纳米薄膜材料制备技术3.3 纳米薄膜材料的应用纳米薄膜材料的应用功能膜研究的一个趋势：功能膜研究的一个趋势： 薄膜薄膜 纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可以分为纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可以分为两类：含有纳米颗粒与原子团簇两类：含有纳米颗粒与原子团簇基质薄膜基质薄膜；纳米；纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近电子自由程和德拜长度尺寸厚度的薄膜，其厚度接近电子自由程和德拜长度(约约10100nm)，可以利用其显著的量子特性和统计，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如

2、，镶嵌有原子团的功能特性组装成新型功能器件。例如，镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应，该结构相当于太薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应，该结构相当于太原子原子超原子膜材料具有三维特征；纳米厚度的信息存超原子膜材料具有三维特征；纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能，这类集成器件具有惊人的信储薄膜具有超高密度功能，这类集成器件具有惊人的信息处理能力；纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结息处理能力；纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构，导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强。对这构，导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强。对这些问题的系统研究具有重要的理论和应用意义。些问题的系统研

3、究具有重要的理论和应用意义。纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料，按纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料，按用途可以分为两大类，即用途可以分为两大类，即纳米功能薄膜纳米功能薄膜和和纳米结纳米结构薄膜构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光，。前者主要是利用纳米粒子所具有的光，电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合，提高材料在机械方面的性能。由于纳米粒复合，提高材料在机械方面的性能。由于纳米粒子的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对复子的组成、性能、工艺条件等

4、参量的变化都对复合薄膜的特性有显著影响，因此可以在较多自由合薄膜的特性有显著影响，因此可以在较多自由度的情况人为地控制纳米复合薄膜的特性，获得度的情况人为地控制纳米复合薄膜的特性，获得满足需要的材料。满足需要的材料。 纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉积而纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉积而形成的组分或结构交替变化的合余薄膜材料，且各层金形成的组分或结构交替变化的合余薄膜材料，且各层金属或合金厚度均为纳米级，它也属于纳米复合薄膜材料。属或合金厚度均为纳米级，它也属于纳米复合薄膜材料。多层膜的主要参数为调制波长多层膜的主要参数为调制波长A，指的是多层膜中相邻，指的是多层膜中相邻两层

5、金属或合金的厚度之和。当调制波长两层金属或合金的厚度之和。当调制波长A比各层薄膜比各层薄膜单晶的品格常数大几倍或更大时，可称这种多层膜结构单晶的品格常数大几倍或更大时，可称这种多层膜结构为为“超品格超品格”薄膜。组成薄膜的纳米材料可以是金属半导薄膜。组成薄膜的纳米材料可以是金属半导体、绝缘体、有机高分子等材料，因此可以有许多种组体、绝缘体、有机高分子等材料，因此可以有许多种组合方式，如金属半导体、金属绝缘体、半导体高合方式，如金属半导体、金属绝缘体、半导体高分子材料等，而每一种组合都可衍生出众多类型的复合分子材料等，而每一种组合都可衍生出众多类型的复合薄膜。薄膜。 纳米薄膜材料的功能特性 1

6、薄膜的光学特性薄膜的光学特性 1蓝移和宽化蓝移和宽化2光的线性与非线性光的线性与非线性 3电学特性电学特性4磁阻效应磁阻效应 1蓝移和宽化蓝移和宽化 纳米颗粒膜，特别是纳米颗粒膜，特别是族半导体族半导体CdSxSe1-x。以及以及-V族半导体族半导体CaAs的颗粒膜，都观察到光吸收的颗粒膜，都观察到光吸收带边的蓝移和带的宽化现象。有人在带边的蓝移和带的宽化现象。有人在CdSxSe1-x玻玻璃的颗粒膜上观察到光的璃的颗粒膜上观察到光的“退色现象退色现象”，即在一定波，即在一定波长光的照射下，吸收带强度发生变化的现象。由于长光的照射下，吸收带强度发生变化的现象。由于量子尺寸效应，纳米颗粒膜能隙加宽

7、，导致吸收带量子尺寸效应，纳米颗粒膜能隙加宽，导致吸收带边蓝移。颗粒尺寸有一个分布，能隙宽度有一个分边蓝移。颗粒尺寸有一个分布，能隙宽度有一个分布，这是引起吸收带和发射带以及透射带宽化的主布，这是引起吸收带和发射带以及透射带宽化的主要原因。要原因。 2 光的线性与非线性光的线性与非线性光学线性效应是指介质在光波场光学线性效应是指介质在光波场(红外、可见、紫外红外、可见、紫外以及以及X射线射线)作用下，当光强较弱时，介质的电极化作用下，当光强较弱时，介质的电极化强度与光波电场的一次方成正比的现象。强度与光波电场的一次方成正比的现象。例如光的反射、折射、双折射等都属于线性光学范例如光的反射、折射、

8、双折射等都属于线性光学范畴。纳米薄膜最重要的性质是激子跃迁引起的光学畴。纳米薄膜最重要的性质是激子跃迁引起的光学线性与非线性。一般来说，多层膜的每层膜的厚度线性与非线性。一般来说，多层膜的每层膜的厚度与激子玻尔半径相比拟或小于激子玻尔半径时，在与激子玻尔半径相比拟或小于激子玻尔半径时，在光的照射下吸收谱上会出现激子吸收峰。这种现象光的照射下吸收谱上会出现激子吸收峰。这种现象也属于光学线性效应。也属于光学线性效应。所谓光学非线性，是在强光场的作用下介质的极化强度中就所谓光学非线性，是在强光场的作用下介质的极化强度中就会出现与外加电磁场的二次、三次以至高次方成比例的项，会出现与外加电磁场的二次、三

9、次以至高次方成比例的项，这就导致了光学非线性的出现。这就导致了光学非线性的出现。 对于纳米材料，由于小尺寸效应、宏观量子尺寸效应，对于纳米材料，由于小尺寸效应、宏观量子尺寸效应，量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因。如果当激发量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因。如果当激发光的能量低于激子共振吸收能量，不会有光学非线性效应发光的能量低于激子共振吸收能量，不会有光学非线性效应发生；生；只有当激发光能量大于激子共振吸收能量时，能隙中靠只有当激发光能量大于激子共振吸收能量时，能隙中靠近导带的激子能级很可能被激子所占据，处于高激发态。这近导带的激子能级很可能被激子所占据，处于高激发态。这些激子

10、十分不稳定，在落入低能态的过程中，由于声子与激些激子十分不稳定，在落入低能态的过程中，由于声子与激子的交互作用，损失一部分能量，这是引起纳米材料光学非子的交互作用，损失一部分能量，这是引起纳米材料光学非线性的一个原因。线性的一个原因。前面我们讨论过纳米微粒材料，纳米微粒前面我们讨论过纳米微粒材料，纳米微粒中的激子浓度一般比常规材料大，尺寸限域和量子限域显著，中的激子浓度一般比常规材料大，尺寸限域和量子限域显著，因而纳米材料很容易产生光学非线性效应。因而纳米材料很容易产生光学非线性效应。2 电学特性 纳米薄膜的电学性质是当前纳米材料科学研究中的热纳米薄膜的电学性质是当前纳米材料科学研究中的热点，

11、这是因为，研究纳米薄膜的电学性质，可以搞清导点，这是因为，研究纳米薄膜的电学性质，可以搞清导体向绝缘体的转变，以及绝缘体转变的尺寸限域效应。体向绝缘体的转变，以及绝缘体转变的尺寸限域效应。我们知道，常规的导体，例如金属，当尺寸减小到纳米我们知道，常规的导体，例如金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为发生很大的变化。有人在数量级时，其电学行为发生很大的变化。有人在AuAl203的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着Au含量的含量的增加增加(增加纳米增加纳米Au颗粒的数量颗粒的数量)，电阻不但不减小，反而，电阻不但不减小，反而急剧增加。这一结果告诉我们，尺寸的因素