纳米薄膜材料.ppt

第四章纳米薄膜材料

薄膜的光学特性

纳米颗粒膜,特别是半导体材料的颗粒膜,都可观察到吸收带边的蓝移和吸收带的宽化现象。这是由于纳米颗粒的量子尺寸效应,(微粒尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种现象称为量子尺寸效应。) 导致纳米颗粒膜能带加宽,从而使吸收带边蓝移。由于颗粒尺寸有一个分布,故能隙带宽有一个分布,引起吸收带、发射带及透射带宽化。(退色现象:在一定波长光的照射下,吸收带强度发生变化的现象)

a. 光学线性效应是指介质在光波场(红外、可见、紫外以及X射线)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。如光的反射、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线性与非线性。一般来说,多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,在光的照射下吸收谱上会出现激子吸收峰(量子限域效应)。
激子:绝缘体或半导体中,由束缚的电子-空穴对组成的新系统称为激子。激子作为整体是电中性的。激子代表整个晶体的一个激发态,在禁带中有相应的能级,产生一个激子所需要的能量低于禁带宽度。激子可以通过两种途径消失,一种是通过吸收能量,分离成自由电子和空穴;另一种是激子中电子与空穴复合,同时放出能量。
半导体InGaAs-InAlAs构成的多层膜(每两层InGaAs之间夹了一层能隙很宽的InAlAs
图中数字表示InGaAs的厚度
b. 光学非线性是在强光场的作用下,介质的磁化强度中会出现与外加电磁场的二次、三次以致高次方成比例的项,这就导致了光学非线性的出现。对于光子晶体,对称性的破坏,介电的各异性都会引起光学非线性;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。如果激发光的能量低于激子共振吸收能量,不会有光学非线性发生;只有当激发光的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。这些激子在落入低能级的过程中,由于声子与激子的交互作用,损失一部分能量,这是引起光学非线性的一个原因。
电学特性
研究纳米薄膜的电学性质,可以搞清导体向绝缘体的转变,以及绝缘体的尺寸限域效应。例如,有人在Au/Al2O3颗粒膜上观察到电阻的反常现象,随着Au含量的增加,电阻急剧增加;尺寸的因素在导体和绝缘体的转变中起着重要的作用。这里有一临界尺寸,当金属颗粒尺寸大于临界尺寸时,遵守常规电阻与温度的关系;当金属颗粒尺寸小于临界尺寸时,可能失掉金属特性。
Au/Al2O3颗粒膜的电阻率随Au含量的变化
磁阻效应
材料的电阻值随磁化状态变化的现象称为磁(电)阻效应,对于非磁性金属,其值甚小,在铁磁金属与合金中发现有较大的数值。磁阻效应习惯上以Δρ/ρ0表示,Δρ=ρH- ρ0, ρ0 和ρH分别代表磁中性状态和磁化状态下的电阻率。比FeNi合金的Δρ/ρ0大得多的磁阻效应称为巨磁阻效应。纳米多层膜具有巨磁阻效应。
例如,1988年首次发现Fe/Cr多次膜--20%;1993年,钙钛矿氧化物-金属-绝缘体相变温度附近--100%;1995年,Fe-Al2O3-Fe--巨磁阻效应.
对纳米颗粒膜巨磁阻效应的理论解释:
电子在金属中运动时,受到金属中的杂质、缺陷以及声子的散射。设相邻两次散射的平均自由时间为τ,τ为散射几率的倒数,则电导率σ= ne2τ/m。当存在铁磁组元时,散射几率与磁化状态有关,因此会出现对一种自旋取向的传导电子的散射比对另一种自旋取向的传导电子的散射更强的现象。而电阻率与散射几率有关,因而会出现巨磁阻现象。当传导电子自旋与局域磁化矢量平行时,散射小,磁阻效应小。反平行时散射大,磁阻效应大。
颗粒膜的巨磁阻效应与磁性颗粒的直径成反比,颗粒膜出现巨磁阻效应的前提是颗粒尺寸及其间距小于电子平均自由程。
§ 纳米薄膜材料制备技术
纳米薄膜分为两类:一类是由纳米粒子组成(或堆砌而成)的薄膜,另一类是在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料,即纳米复合薄膜。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜就属于第二类纳米薄膜。纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理方法和化学方法两大类,按物质形态主要有气相法和液相法两种。