第四章 二维纳米结构――薄膜材料PPT课件

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2. 光的线性与非线性 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)的作用下，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。
例如：光的反射、折射、双折射等都属于线性光学范畴。 纳米薄膜最重要的性质：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与激子玻尔半径αB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。这种现象也属于光学线性效应。
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4-3 纳米薄膜材料制备技术
纳米薄膜制备方法分类： 按原理：可分为物理方法和化学方法和分子组装法（又称 物理化学法）三大类 按物质形态：主要有气相法和液相法两种
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分子组装法
SA膜技术 LB膜技术
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一、 物理气相沉积法
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition PVD)方法作为 一类常规的薄膜制备手段被广泛地应用于纳米薄膜的制备与 研究工作中，PVD包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。
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尺寸的因素在导体和绝缘体的转变中起着重要的 作用。有一个临界尺寸的问题，当金属颗粒的尺寸大 于临界尺寸时，将遵守常规电阻与温度的关系；当金 属的粒径小于临界尺寸时，它就可能失掉金属的特性。
三、磁阻效应
定义：材料的电阻值随磁化状态变化的现象称为磁(电)阻效 应。对非磁性金属，其值甚小，在铁磁金属与合金中发现有 较大的数值。
纳米薄膜（Nano-thin Film）是指由尺寸在纳米 量级的晶粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜 中构成的复合膜，以及每层厚度在纳米量级的单层或多 层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜或纳米多层膜。
4-1 纳米薄膜的分类
1. 根据用途划分
纳米薄膜按用途可以分为两大类：即纳米功能薄膜和纳米结
构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面
PVD主要通过两种技术途径制膜：
(1)在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成。如采用
共溅射方法制备Si/SiO2薄膜，在700～900℃的N2气氛下快速 退火获得纳米Si颗粒；
(2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成。其中薄膜
沉积条件的控制显得特别重要，在溅射工艺中，高的溅射气压
、低的溅射功率下易于得到纳米结构的薄膜。
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表达方式：习惯上以 0 表示， H-0
其中，ρ0和ρH分别代表磁中性状态和磁化状态下的电阻率。 巨磁阻效应：比FeNi 合金的 0 大得多的磁阻效应。具有 巨磁阻效应的材料正是纳米多层膜。
利用巨磁阻效应制成的读出磁头可显著提高磁盘的存储 密度，利用巨磁阻效应制作磁阻式传感器可大大提高灵敏度。 因此，因此巨磁阻材料有良好的应用前景。
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复合，提高材料在机械方面的性能
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2. 根据微结构划分 按照其微结构，纳米薄膜目前分为两类： (1) 含有纳米颗粒与原子团簇的基质薄膜。纳米颗粒基质薄膜
厚度可超出纳米量级，但由于膜内有纳米颗粒或原子团簇 的掺入，该薄膜仍然会呈现出一些奇特的调制掺杂效应； (2) 纳米尺度厚度的薄膜。可利用其显著的量子特性和统计特 性组装成新型功能器件。
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1. 气相沉积的基本过程
(1) 气相物质的产生 一种方法是使沉积物加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜；
另一种方法是用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击 出沉积物原子，称为溅射镀膜。
(2) 气相物质的输运
气相物质的输运要求在真空中进行，这主要是为了避免气
体碰撞妨碍沉积物到达基片。在高真空度的情况下 (真空度≤10-
3. 根据沉积层数划分 纳米单层薄膜和纳米多层薄膜。
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4-2 纳米薄膜材料的功能特性 一、薄膜的光学特性
1. 蓝移和宽化 纳米颗粒膜，特别是Ⅱ～Ⅵ族半导体CdSxSe1-x，以及
Ⅲ～V族半导体GaAs的颗粒膜，都观察到光吸收带边的 蓝移和带的宽化现象。 原因：由于量子尺寸效应，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，能隙宽度有一个分布， 这是引起吸收带和发射带以及透射带宽化的主要原因。
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PVD的物理原理
衬底
扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
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2. 真空蒸发制膜 在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，然
后凝聚在基体表面的方法称为蒸发制膜，简称蒸镀。真空蒸 发制膜原理如图所示：
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二、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。
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Au/Al2O3的颗粒膜上观察到电 阻反常现象，随着Au含量的增加(增加纳 米Au颗粒的数量)，电阻不但不减小，反 而急剧增加，如图所示。这一实验结果告 诉我们，尺寸的因素在导体和绝缘体的转 变中起着重要的作用。
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例：半导体InGaAs和InAlAs构成多层膜，通过控制 InGaAs膜的厚度，可以很容易观察到激子吸收峰。
光学非线性效应则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，三次乃至更高次方成 比例的项。
对于纳米材料，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。
2Pa)，沉积物与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直
线到达基片，沉积速率较快；若真空度过低，沉积物原子频繁
碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质
量太差。
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(3) 气相物质的沉积 气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程。根据凝
聚条件的不同，可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。若 在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学反应形成化合物 膜，称为反应镀。若用具有一定能量的离子轰击靶材，以 求改变膜层结构与性能的沉积过程称离子镀。