第六章 讲义薄膜的应用(2)

2. 有超强高温稳定性；因为该类材料的化学键结合 强，适合研 制高温发光器件；
3. InN和AlN等还能与GaN等合金化，形成多元半导 体材料； 例如：形成AlGaN、InGaN等，可以 改变合金的比例来调制多元半导体材料的带隙， 从而得到不同的发光波长。其中， AlGaN、GaN、 InGaN 相互间还能形成量子阱和超晶格结构，结 合掺杂工艺，可以制备特种光电子器件。
另外，由于6H SiC与GaN的晶格失配只有3.5%，与AlN的失 配则更小，而且，SiC有高的电子传导率。所以，在它上面先 外延AlN，再外延GaN则将得到更好的GaN薄膜。
其它的外延基片还有Si，GaAs、ZnO、MgAl2O4等， 但缓冲层的制备是各种基片所必须的。在ZnO衬底上制 备的GaN薄膜，具有比在蓝宝石衬底上更高的质量。在 Si上生长GaN薄膜的目的是为了与Si集成电路同时集成 LED或LD发光器件，但是虽然采用了各种方法，生长的 GaN薄膜仍然包含大量的位错、孪晶、堆垛层错等缺陷。
纳米薄膜复合材料是一种有重要应用的纳米材料。它可以 用以下方法制成：
1. 薄膜与体材料复合；功能薄膜可以作为涂层或沉积层出 现在体材料的表面；
2. 2.薄膜材料中有纳米颗粒复合其中；这种薄膜兼具纳米 颗粒和薄膜基材的性能；
3. 3.不同种类和厚度的纳米薄膜多层复合；实现人工周期 调制，或研制梯度材料；这种材料可以调节复合薄膜的 厚度、介电常数、极化方向、掺杂浓度等，获得特殊的 性能，在特种功能器件的研制上有特殊优势。
其它的Ⅲ-N族化合物半导体薄膜材料的制备已经成为 当前半导体新材料的研究热点，它是除Si、GaAs以外， 另一类重要的电子材料。至今，制备高质量的大尺寸 GaN薄膜依然非常困难。
四、三族元素氮化物薄膜
近年来出现了研究三族元素氮化物半导体材料和器件的热 潮。主要是这种半导体材料具有宽的禁带，适合研制蓝光、 紫光甚至紫外光器件，在光信息、光存储、大功率激光器 等方面有重要的潜在应用。
一、三族元素ห้องสมุดไป่ตู้化物半导体材料的特性
1. 宽禁带；
2. 传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料禁带窄，只能制造红、黄光 二极管，不能满足短波光发射需要的全色显示；也不能满 足大功率、高温的要求。而Ⅲ-N族化合物半导体的带隙 宽度大，如InN 1.9eV，GaN 3.4eV，AlN 6.2eV。适合研 制蓝、紫及紫外器件；
2. 2. 纳米尺度的微结构只局限于体材料的薄的表面区域的材 料；这类材料可以采用多种手段实现表面改性，达到提高 体材料表面物理、化学性能的目的。另外，还可以利用光 刻等手段在自由表面上形成薄的岛列，研制单电子晶体管、 量子计算机等。
3. 3. 由纳米材料微结构组成的大块体材料；这种材料兼具体 材料和纳米材料的性能，通过纳米微结构，使体材料具有 低熔点、可加工等特性。
1. 表面效应 粒子直径减少到纳米级，引起表面原子数的迅速增加，从
而纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。由于，固体 材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒 径远大于原子直径时，表面原子可忽略；但当粒径逐渐接近 于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且 这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的 变化，由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。
微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来， 人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒 而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。它与量子尺寸 效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限。
纳米材料可分为三种类型：
1. 某些维度减小到纳米尺度和某些尺度以纳米尺度颗粒、细 线、薄膜出现的材料；这类材料的应用如催化剂、人工周 期调制的光子晶体、量子阱、量子点等。
随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能 都迅速增大。
2. 体积效应 纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数
个原子或分子组成的集体属性。当纳米材料的尺寸与传导电 子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破 坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点 等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效 应（也称小尺寸效应）。这种特异效应为纳米材料的应用开 拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔 点不断降低，烧结温度也显著下降。利用等离子共振频移随 晶粒尺寸变化的性质，可改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移， 从而制造微波吸收纳米材料，用于隐形飞机等。
4.
Ⅲ-N族化合物半导体材料的制备
由于晶格失配、氮缺陷等许多原因， 高质量Ⅲ-N族化合物 半导体薄膜材料的制备非常困难。目前常用的制备方法是金 属有机物气相外延（MOVPE）技术。例如：为了制备GaN 薄膜，衬底常用蓝宝石，但蓝宝石与GaN的晶格失陪达15%， 为了得到较好的匹配，先外延AlN过渡层作缓冲，再在AlN上 生长GaN，得到了质量良好的GaN薄膜。目前，用MOVPE 和MBE方法在蓝宝石和SiC等衬底上是常用的Ⅲ-N族化合物 半导体薄膜生长方法。也有用PLD方法生长的报道。
第六章 薄膜的应用（2）
精品jin
第六章 薄膜材料及其应用（2）
主要内容
三、纳米薄膜 四、三族元素氮化物薄膜 五、磁性氮化铁薄膜 六、巨磁和庞磁薄膜
三、纳米薄膜
纳米薄膜材料是晶粒尺寸在几纳米到几十纳米量级的多晶 体。它的性质与处于晶态和非晶态的同种材料有很大差异。 它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。从通常的关于微 观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典 型的宏观系统，是一种典型的介观系统。它有以下特点：
3. 量子尺寸效应 纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级
由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。这一效 应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化 性质等。
纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性，将 直接导致纳米材料的一系列特殊性能，如高度的光学非线性， 特异的化学催化和光催化性能等。 4. 宏观量子隧道效应