纳米光电子材料的特性及应用

☆光电子材料导论论文☆

纳米光电子材料的特性及应用

摘要小尺寸的纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性

产生很大的影响，使得纳米微粒具有同样材质的非纳米块体物体所不具备的新的光学特性，利用纳米材料的这些光学特性制成的各种光学材料与器件在日常生活和高科技领域有着广泛的应用。

关键字纳米材料光电子纳米微粒表面效应量子限域效应

引言

纳米科技是指在纳米尺度(1～100纳米)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到了原子和分子水平，是当今最重要的新兴科学技术之一，已经引起了科学界和产业界的极大关注。

纳米材料的一个最重要的标志是材料的尺寸与材料的一些物理特征量相当。当纳米微粒的粒径与超导相干波长、波尔半径以及电子德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面的原子、电子跑到表面或接近表面，于是与处于小颗粒内部的原子、电子的性能行为产生很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米颗粒的光学特性有很大的影响，甚至会使纳米材料具有同样材质的宏观材料不具备的新的光学特性。

1991年1月，日本首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管。2001年日本NTT 公司尖端技术综合研究所，开发成功了制作光导集成电路芯片的基础技术。2002年，美国加州大学伯克利分校的研究人员研制出世界上最细的激光束，即纳米激光。2003年美国哈佛大学成功开发出一种新型纳米激光器，可自动调控开关。2006年5月，美国IBM研究中心在《Science》上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光，预示着使碳纳米管发光的理想将变为现实。我国在纳米电子技术研究的基础上也开展了纳米光电子技术研究。我国纳米科技的大部分研究工作集中在硬件条件要求不太高的基础研究领域，涉及纳米主流技术高、精、尖的研究内容不多，特别是一些具有重要应用前景的技术研究比较薄弱，在纳米材料、纳米结构设计、制造和控制以及实用化方面与国际先进水平差距较大。

纳米材料的一些基本光学现象

纳米材料提供了小尺度结构的材料，在小尺度结构中，材料光学性质发生了一些变化。当光通过纳米材料时，材料的纳米结构使一些光学特性得以加强和充分展现。

光的反射物体对光的反射取决于受光表面的材料和结构。当入射光的波长与表面粗糙结构的尺寸相当，粗糙结构的表面纳米结构图形对光的反射有着特别的影响。纳米表面不同的粗糙结构和纳米表面孔洞能表现出不同的反射影响。

光的透射光进入纳米结构薄膜往往会有一定的透过，与一般材料的薄膜不同，如果纳米薄膜其纳米结构是不连续的，其中有许多的空隙，当光照射到纳米结构的空隙时，由于光的衍射效应，不同波长的光沿着不同的方向穿过。

光的折射由于纳米结构中每个纳米粒子都是一个不同的表面，纳米技术比以往任何技术都能有效的控制折射率。因此我们可以随心所欲的控制光来达到目的。纳米微粒能微弱地甚至不为人所注意地散射光。因此我们能够利用纳米材料制造出许多新的透明材料。

光的偏振纳米粒子阵列在外场中的极化，极化电场导致了外加电场在材料中场强的减弱，内部电场为外加电场和内部偶极子产生极化场的矢量和，因此纳米材料能增强光的极化。

光的辐射黑体辐射导致材料的热转化过程中有光子释放。由于热转化依赖于分子和原子结构，而波长只比纳米颗粒的尺寸大一个量级，所以纳米颗粒会影响黑体辐射。纳米技术使我们能通过控制来产生优于黑体辐射的特殊辐射，也能制备在减少炫光同时更好地控制热和紫外的窗户。

纳米材料的光谱性质

由于纳米材料的表面效应和量子尺寸效应，纳米微粒和普通物体的光学特性有很大的差别，纳米微粒具有同样材质的非纳米块体物体所不具备的新的光学光谱特性，主要表现在如下几个方面。

宽频带强吸收当材料的尺寸缩小到纳米量级时，金属纳米颗粒几乎都呈黑色，表明它们对可见光的反射率极低，主要为吸收。一些纳米材料对红外光有一个宽频带强吸收，如纳米SiC及Al2O3粉等。这是由于纳米粒子所具有的大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬挂键增多。与常规大块材料不同，纳米粒子没有单一的、择优的键振动模，只存在一个较宽的键振动模分布，因此在红外光场作用下它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布，这就导致纳米粒子红外吸收带的展宽。许多纳米微粒对紫外光有强烈的吸收作用，例如ZnO、

Fe 2O 3、和TiO 2等。这些纳米氧化物对紫外光的吸收的主要原因是它们在紫外光照射下，吸收紫外光引起价带电粒子被激发，并向导带跃迁。

光谱线的移动 随着粒子尺寸的减少，半导体粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分立的能级。纳米半导体粒子的吸收的吸收带隙E (r )的可用以下公式来描述：

()2

22

*201.80.24824g e E r E R r r

πμπεε=+-+， 式中，r 为纳米粒子的半径；E (r )是r 的函数，为相应半导体材料的能隙。与体材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在向短波方向移动，即蓝移现象。纳米微粒吸收带的蓝移可以用量子限域效应和大的比表面来解释。由于纳米颗粒尺寸下降，能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。已被电子占据能级与未被占据的能隙宽度随颗粒直径减小而增大，所以量子限域效应是产生纳米材料谱线蓝移和红外吸收带宽化现象的根本原因。

在有些情况下，材料尺寸减小至纳米级时可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长波方向。从谱线的能级跃迁来看，谱线的红移是能隙减小，带隙、能级间距变窄，从而导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移。

量子限域效应 当半导体纳米微粒的粒径r <αB （αB 为激子波尔半径）时，电子的平均自由程受到小粒径的限制，局限在很小的范围，很容易与空穴形成激子，引起电子和空穴波函数的重叠，进而很容易产生激子吸收带。随着粒径的减小，重叠因子增加。对半径为r 的球形微晶，忽略表面效应，则激子的振子强度

()22220m f E U h

μ=∆， 式中，m 为电子质量，∆E 为跃迁能量，μ为跃迁偶极矩。当r <αB 时，电子和空穴波函数|U (0)|2将随粒径减小而增加，近似于(αB /r )3。由于单位体积内微晶的振子强度f 微晶/V （V 为微晶体积）决定材料的吸收系数，粒径越小，|U (0)|2越大，

f 微晶/V 也越大，则激子带的吸收系数随粒径而增加，即出现激子增强吸收并蓝移，

这就是量子限域效应。

纳米微粒的发光 当纳米微粒的尺寸小到一定程度时可被某一波长的光激发而产生发光现象。图为室

温下紫外光激发引起的纳米

硅的发光谱。可以看出，随

着粒径的减小，发射带强度

增强并移向短波方向，当粒

径大于一定值时，这种光发

射现象消失。据此推测，硅

纳米微粒的发光是载流子的

量子限域效应引起的。而大

尺寸的硅不发光是由于它的

结构存在平移对称性，由平