纳米薄膜材料汇总
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▪ 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。
§ 4.2 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。
▪ 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。
（2）气相物质的输运
要求在真空中进行，主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达 基片。真空度越高，沉积速度越快。
（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 程称为离子镀。
▪ 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。
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。
▪ 4.1.2 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。
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）
▪ 2.光的线性与非线性
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。
第四章 纳米薄膜材料
▪ 4.1纳米薄膜材料的功能特性
▪ 4.1.1 薄膜的光学特性 ▪ 1.蓝移和宽化 ▪ 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
Au/Al2O3颗粒膜的电阻率 随Au含量的变化
▪ 4.1.3 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。
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。
备Si/SiO2薄膜，在700-900 ℃的N2气气氛下快速退
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,其中薄膜的沉积条件的控制非 常重要。
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。
▪ 我们主要介绍以下四种方法： ▪ 1.物理气相沉积法(PVD)-----真空蒸
发制膜；溅射制膜；离子镀膜; ▪ 2.化学气相沉积(CVD) ; ▪ 3.溶胶－凝胶(Sol-Gel)法; ▪ 4.电化学沉积
4.2.1 物理气相沉积法
▪ 物理气相沉积(PVD)方法是一类常规的薄膜制备手段， 包括蒸镀（真空蒸发）、电子束蒸镀、溅射等。纳米 薄膜的获得主要通过两种途径（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
§ 4.2 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。
▪ 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。
（2）气相物质的输运
要求在真空中进行，主要是为了避免气体碰撞妨碍沉积物到达 基片。真空度越高，沉积速度越快。
（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 程称为离子镀。
▪ 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。
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。
▪ 4.1.2 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。
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）
▪ 2.光的线性与非线性
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。
第四章 纳米薄膜材料
▪ 4.1纳米薄膜材料的功能特性
▪ 4.1.1 薄膜的光学特性 ▪ 1.蓝移和宽化 ▪ 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
Au/Al2O3颗粒膜的电阻率 随Au含量的变化
▪ 4.1.3 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。
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。
备Si/SiO2薄膜，在700-900 ℃的N2气气氛下快速退
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,其中薄膜的沉积条件的控制非 常重要。
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。
▪ 我们主要介绍以下四种方法： ▪ 1.物理气相沉积法(PVD)-----真空蒸
发制膜；溅射制膜；离子镀膜; ▪ 2.化学气相沉积(CVD) ; ▪ 3.溶胶－凝胶(Sol-Gel)法; ▪ 4.电化学沉积
4.2.1 物理气相沉积法
▪ 物理气相沉积(PVD)方法是一类常规的薄膜制备手段， 包括蒸镀（真空蒸发）、电子束蒸镀、溅射等。纳米 薄膜的获得主要通过两种途径（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