金属纳米颗粒复合薄膜的光吸收特性研究
WS2复合材料的制备及应用研究进展
第 50 卷 第 1 期2021 年 1月Vol.50 No.1Jan.2021化工技术与开发Technology & Development of Chemical IndustryWS 2复合材料的制备及应用研究进展侯传旭，张德庆（齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161000）摘 要：二硫化钨（WS 2）作为过渡金属二硫化物（TMDs）的一种，具有独特的二维结构、良好的稳定性和半导体特性。
近几年，以WS 2为基体制备的WS 2复合材料表现出许多优异的性能，受到越来越多研究人员的关注。
本文概述了WS 2复合材料的制备方法，以及近年来WS 2复合材料在催化剂、气敏传感器、电极材料、复合纤维材料、电磁波吸收材料等方面的应用，展望了WS 2复合材料的发展前景。
关键词：二硫化钨；复合材料；制备；发展前景中图分类号： TB 333 文献标识码：A 文章编号：1671 -9905(2021)01/02 -0037-04作者简介：侯传旭(1996-)，女，汉族，硕士研究生，研究方向为材料物理与化学。
E -mail:*****************收稿日期：2020-11-03WS 2是最早发现并得到研究的层状纳米材料之一[1-2]，其制备方法主要有液相剥离法[3]、化学气相沉积法[4]、水热法[5]和固相烧结法[6]等。
根据晶体结构中W 原子的2种配位形式（八面体配位和三棱柱配位），WS 2可分为金属相和半导体相。
金属相通过八面体配位形成 1T 型结构[图1(a)]，半导体相则通过三棱柱配位形成2H 型或3R 型结构[图1(b)] [7-9]。
WS 2通过W −S 共价键和较弱的范德华力，层间相互作用结合在一起，具有优异的光学、电学和机械性能[10]，在传感器[11-12]、催化剂[13-15]、电极材料[16-17]、润滑剂[18]等领域均有广泛的应用前景。
随着科技的发展，单一功能的WS 2已无法满足人们的需要，因此开发WS 2复合材料显得尤为重要。
纳米Au-TiO2复合物光催化降解亚甲基蓝_倪冰楠
图 4 为 TiO2 、TAＲ-1、TAＲ-2、TAＲ-3 和 TAＲ-4 在 掺杂的 TiO2 ，发现 Au 的掺入使样品在紫外光区域 200 ～ 700 nm 的 UV-vis 吸收光谱。从图中观察到， 的吸收增强。Subramanian 等［22］在 TiO2 薄膜上沉积 样品在紫外和可见光区域都有吸收，且吸收强度随 了贵金属 Au、Pt、Ir，都增强了样品对光的吸收能力。
棒的存在，但有颗粒状的 Au 掺杂在 TiO2 中，表明纳
1． 4 光催化实验 将 80 mg Au / TiO2 复合物加入到 80 mL 5 mg / L
亚甲基蓝溶液中，搅拌均匀，暗反应 30 min，达到吸 附饱和平 衡。采 用 8 W 汞 灯 （ 主 发 射 波 长 为 365
米金棒基本都已经受热转化成热力学稳定的球状颗 粒，降低了自身的表面能［18］，同时 可 观 察 到，纳 米 Au 粒子比较均匀地分布在 TiO2 中，与 TiO2 接触紧 密。图 3（ d） 是 TAＲ-5 样品的 EDS 谱图，结果表明，
nm） 作为 UV 光源，进行光催化实验。每隔 20 min 该样品中除了 Ti、O 上层清液，使用紫外-可见分 步证明了 Au 纳米粒子掺杂在 TiO2 中。 光光度计测定亚甲基蓝溶液的吸光度，共取 3 个点。
再每隔 60 min 取样测试，取 3 次。
ability of TiO2 with increased light absorption intensity and reduction of charge recombination rate． Key words Au / TiO2 composites； methyl blue； sol-gel method； photocatalysis
掺Al的纳米Si-SiO_2复合薄膜的光学非线性特性(英文)
掺Al的纳米Si-SiO_2复合薄膜的光学非线性特性(英文)郭亨群;杨琳琳;王启明
【期刊名称】《半导体学报：英文版》
【年(卷),期】2007(28)5
【摘要】采用时间分辨四波混频方法,用钛宝石飞秒激光器测量了掺Al的纳米Si-SiO2复合薄膜的光学非线性特性.得到薄膜非共振三阶非线性极化系数为1·0×10-10esu,弛豫时间为60fs.分析认为薄膜的光学非线性增强来源于SiO2镶嵌的纳米Si中电子的量子限制效应,而不是来源于Al杂质,这是因为Al易被氧化,薄膜中没有形成Al团簇.
【总页数】5页(P640-644)
【关键词】纳米Si;复合薄膜;三阶非线性;时间分辨四波混频
【作者】郭亨群;杨琳琳;王启明
【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院;中国科学院半导体研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O437
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纳米叠层金属基复合材料的力学行为
㊀第41卷㊀第5期2022年5月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.41㊀No.5May 2022收稿日期:2020-11-17㊀㊀修回日期:2021-01-16基金项目:国家自然科学基金项目(52001204,51771111);中国博士后创新人才支持计划项目(BX20190196);中国博士后科学基金资助项目(2020M671114)第一作者:郑思婷,女,1997年生,硕士研究生通讯作者:赵㊀蕾,女,1988年生,讲师,硕士生导师,Email:lzhao39@郭㊀强,男,1982年生,教授,博士生导师,Email:guoq@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202011021纳米叠层金属基复合材料的力学行为郑思婷,赵㊀蕾,郭㊀强(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240)摘㊀要:纳米叠层金属基复合材料(nano-laminated metal matrix composites,NLMMCs)由金属和增强材料(陶瓷㊁非晶以及纳米碳材料)以层状形式交替叠加组成,是构型化金属基复合材料的一种典型代表㊂由于组分相的纳米尺度㊁叠层构型以及大量的异质界面,NLMMCs 表现出优异的综合力学和功能性能,成为近年来材料科学的研究热点㊂以金属-陶瓷型㊁金属-非晶型和金属-纳米碳型NLMMCs 为主要对象,重点综述了NLMMCs 的常见制备工艺及相应的特点,并聚焦于采用微纳力学方法探究内在和外在特征尺度㊁叠层取向以及界面特性等对其强韧化和变形机制影响的研究新进展㊂最后展望了NLMMCs 的发展趋势,指出了NLMMCs 在特定服役条件下的力学响应机制有待进一步研究,提出了需要开发适用于在多物理场下工作的微纳尺度材料表征和测试系统,以便更精准地探究NLMMCs 的使役行为㊂关键词:金属基复合材料;纳米叠层构型;微纳力学测试;强韧化机制;变形机制中图分类号:TB331㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2022)05-0371-12引用格式:郑思婷,赵蕾,郭强.纳米叠层金属基复合材料的力学行为[J].中国材料进展,2022,41(5):371-382.ZHENG S T,ZHAO L,GUO Q.Mechanical Behavior of Nano-Laminated Metal Matrix Composites[J].Materials China,2022,41(5):371-382.Mechanical Behavior of Nano-LaminatedMetal Matrix CompositesZHENG Siting,ZHAO Lei,GUO Qiang(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract :Nano-laminated metal matrix composites (NLMMCs)are composed of metal and reinforcement (such as ceram-ic,amorphous and nanocarbon materials)alternately stacked in layers,which is a typical representative of architectured metal matrix composites.Due to the presence of the nano-scale of component phases,laminated configuration and abundant heterogeneous interfaces,NLMMCs are widely reported to have excellent mechanical and functional properties.Taking met-al-ceramic,metal-amorphous and metal-nanocarbon NLMMCs as the objects,this article reviews the recent development on the common fabrication processing and the corresponding features of the composites.Particular emphasis is given to the effect of internal and external dimensions,nanolaminate orientation and interface feature on the strengthening,toughening and de-formation mechanisms.To meet the requirements of engineering application,the study on the mechanical behavior under special service conditions is to be carried out and a micro-/nano-scale material characterization and testing system suitable for working in multiple physical fields should be developed.Key words :metal matrix composites;nano-laminated structure;micro-/nano-mechanical tests;strengthening and tough-ening mechanism;deformation mechanism1㊀前㊀言向超细晶/纳米晶金属基体中引入纳米颗粒(陶瓷㊁非晶)或纳米碳材料(碳纳米管㊁石墨烯及其衍生物)形成的金属基纳米复合材料(metal matrix nanocomposites,MMNCs)由于具有优异的综合力学和功能特性,受到了研究者的广泛关注[1-5]㊂然而,与传统金属基复合材料(metal matrix composites,MMCs)的发展瓶颈相似,超细晶/纳米晶基体有限的加工硬化能力,以及界面附近的应All Rights Reserved.中国材料进展第41卷变局域化导致了MMNCs强度的提高通常伴随着均匀延伸率的下降,即存在强度-塑(韧)性倒置关系,很大程度上制约了其进一步的发展与应用[6-8]㊂复合构型化(即不改变基体和增强体成分,仅仅改变基体和增强体的尺寸和空间分布)是解决MMNCs强韧化矛盾㊁提升其综合性能的有效途径[9-12]㊂纳米叠层结构是自然界硬质生物材料广泛采用的复合构型㊂通过组分相的纳米尺度,叠层构型提供的几何约束效应,以及各种内在和外在韧化机制,能够破解强韧性倒置的难题[13,14]㊂受此启发,研究者们开发了具有优异力学性能的金属-陶瓷[15]㊁金属-非晶[16]㊁金属-纳米碳[17]等纳米叠层金属基复合材料(nano-laminated metal matrix composites,NLMMCs)㊂对于传统单一均匀的MMCs,研究者通常采用宏观的单轴拉伸[18]㊁压缩[19]和三点弯曲[20]等测试方法表征复合材料的力学性能,并结合断口的形貌来推测复合材料的强韧化机制[21]㊂然而,相比于传统的MMCs,NLM-MCs中复合界面占比显著增加,界面在其强化㊁变形和断裂过程中发挥了极为重要的作用,上述宏观力学测试方法很难准确地评价界面对NLMMCs强韧化机制的影响㊂另外,部分NLMMCs以薄膜的形式存在,宏观的力学测试方法难以对其性能开展研究㊂近年来发展起来的微纳力学测试方法(如纳米压痕[22]㊁微柱压缩与拉伸[23-25]㊁微悬臂梁弯曲[26])结合精确 定点 (site-specif-ic)的透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)分析[27],为研究NLMMCs的力学性能㊁探索其强韧化机制提供了新思路和新方法,尤其是其满足了纳米叠层金属基复合薄膜材料力学行为研究的需求[28,29]㊂特别地,扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和TEM中的原位微纳力学测试方法可以实时获得材料变形过程中的力学性能数据和显微结构变化,更加准确地阐释界面-结构-性能关系,为NLMMCs性能优化设计提供了强有力的支撑㊂因此,本文重点综述近年来NLMMCs的制备工艺,并聚焦于微纳力学方法探究NLMMCs的强韧化和变形机制的研究新进展,最后展望NLMMCs的发展趋势和其面临的挑战㊂2㊀纳米叠层金属基复合材料的制备方法2.1㊀磁控溅射法磁控溅射法是目前金属-陶瓷㊁金属-非晶型NLMMCs 最常使用的制备方法,其制备原理如图1a所示[29]:在电场作用下,工作气体氩气(Ar)发生电离,离子化气体进入暗空间鞘层(靠近靶材的较薄区域)时会因电压降而强烈加速,之后以很高的速度撞击目标靶材,使原子㊁分子或原子团簇从靶材表面溅射出来㊂这些溅射出的靶材粒子沉积在基板表面,形成薄膜㊂在制备过程中,通过调节电源功率㊁沉积速率和挡板闭合时间等工艺参数交替溅射2种不同材料,可以获得所需层厚和层厚比的金属-陶瓷和金属-非晶纳米叠层复合薄膜,如图1b和1c 中的Cu-非晶CuZr[30]和Al-SiC[31]纳米叠层复合薄膜所示㊂磁控溅射法具有沉积温度低㊁组元成分和厚度易控制㊁成膜质量好等优点,但溅射速率低的缺点限制了其在宏量化制备方面的应用,故常用于制备薄膜和模型材料㊂图1㊀磁控溅射法制备叠层薄膜的示意图(a)[29],Cu-非晶CuZr 纳米叠层薄膜(插图为Cu的选区电子衍射图谱)(b)[30]和Al-SiC纳米叠层薄膜(c)的TEM照片[31]Fig.1㊀Schematic diagram of the fabrication of one layer film using mag-netron sputtering(a)[29],TEM image of Cu-amorphous CuZrnanolaminates(the inset is selective area electron diffraction im-age of Cu)(b)[30]and Al-SiC nanolaminates(c)[31]2.2㊀逐层累积法Kim等[32]采用纳米级金属层和单层石墨烯逐层累积组装的方法制备了具有纳米叠层结构的石墨烯增强铜基和镍基复合材料薄膜,制备过程如图2所示㊂首先,采用化学气相沉积(CVD)方法在铜箔上生长出高质量的单层石墨烯,并通过湿法转移过程(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂以及铜箔刻蚀等)将石墨烯转移到通过真空273All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为蒸镀法沉积的金属(铜或镍)薄膜上;然后,通过多次循环金属纳米层沉积和石墨烯转移过程,制备出金属-石墨烯纳米叠层复合材料薄膜㊂在薄膜制备过程中,石墨烯的CVD生长和转移过程需要严格控制工艺参数,以免产生表面缺陷和残留有机污染物,降低复合材料的力学和物理性能㊂该制备方法通用性强,适合制备模型材料以研究石墨烯增强金属基复合材料中的界面效应㊁强化和变形机制㊁内外尺寸效应等基础性科学问题㊂图2㊀逐层累积法制备纳米叠层石墨烯增强铜基和镍基复合材料的制备路线图[32]Fig.2㊀Fabrication process of graphene reinforced Cu-and Ni-matrix nanolaminated composites based on the layer-by-layer approach[32]㊀㊀在此基础上,Yang等[33]采用辊间(roll-to-roll,R2R)CVD法累积多层Cu-石墨烯复合薄膜,并结合热等静压(hot isostatic pressing,HIP)技术(图3)制备了石墨烯层数可控且平行分布的石墨烯增强Cu基复合材料㊂这种方法的优点是易于实现NLMMCs中石墨烯大面积㊁高覆盖率和高度平行取向分布㊂同时,通过调整石墨烯生长参数可精确控制石墨烯的结晶度和层数㊂图3㊀辊间累积化学气相沉积法结合热等静压法制备石墨烯-Cu纳米叠层复合材料块体的示意图[33]Fig.3㊀Schematic diagram of the fabrication process of graphene-Cunano-laminated bulk composites via Roll-to-Roll CVD combinedwith hot isostatic pressing(HIP)[33]2.3㊀片状粉末冶金法启迪于自然界中贝壳珍珠层的 砖砌 结构,作者课题组开发了片状粉末冶金(flake powder metallurgy,FPM)工艺,制备了多壁碳纳米管(multi-walled carbon nano-tubes,MWCNTs)-Al砖砌结构纳米叠层复合材料块体,获得了优异的强韧性[34,35]㊂典型的片状粉末冶金工艺如图4所示:首先,通过球磨获得纳米厚度的片状Al粉末,并对其表面进行聚乙烯醇(PVA)溶液包覆,同时在分散剂的辅助下对MWCNTs团簇进行超声分散形成均匀的MWCNTs分散液;然后,将片状Al粉与MWCNTs分散液均匀混合,使得MWCNTs均匀吸附到Al片表面;最后通过冷压㊁烧结和热挤压等致密化过程,获得MWC-NTs-Al纳米叠层复合材料块体㊂在此基础上,作者课题组进一步改进了FPM工艺,制备了具有纳米叠层结构的石墨烯-Al[17,36-39]㊁石墨烯-Cu[40-42]㊁单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)-Al复合材料[43]㊂该制备工艺过程中,纳米碳材料没有经过高能球磨,因此制备的复合材料可以保持纳米碳材料结构的完整性㊂另外,此方法通用性强,适合于大规模制备复合材料块体㊂2.4㊀共沉积法共沉积法是将纳米碳材料分散到金属材料中的有效方法,主要包括物理喷涂沉积法和电化学沉积法㊂例如,Meng等[44]通过把均匀分散的石墨烯溶液以一定的压力喷涂到酸洗的Mg箔片表面获得复合单元,然后将复合单元层层堆叠,通过后续的热压和热轧工艺制备了石墨373All Rights Reserved.中国材料进展第41卷图4㊀片状粉末冶金(FPM)法制备MWCNTs-Al纳米叠层复合材料示意图[34]Fig.4㊀Fabrication process for MWCNTs-Al nanolaminated composites by the flake powder metallurgy(FPM)method[34]烯-Mg叠层复合材料㊂该方法通过控制喷涂时间可以控制石墨烯的体积分数㊂电化学沉积工艺中,在阴极与阳极之间施加的电流(直流㊁脉冲或脉冲反向电流)作用下,通过电解液中金属离子(Cu2+㊁Ni2+等)的还原作用,将金属膜沉积在阴极(镀有纳米碳的金属箔)表面上,并形成叠层结构[45]㊂该方法操作简单,但纳米碳与金属是非共价键结合,界面结合强度较弱㊂此外,未经处理的CNTs具有疏水性,使得金属盐很难穿透CNTs之间的缝隙,从而会在沉积层内形成缺陷[12]㊂另外,Kang等[46]将选择性浸涂(selec-tive dip-coating)和电沉积技术相结合,制备了MWCNTs-Cu叠层复合材料㊂首先,采用阴离子表面活性剂(SDS)对MWCNTs进行表面官能团化,获得带负电的MWCNTs 溶液;然后把基体浸入MWCNTs溶液中后以3mm/min 的速度取出;最后,在酸性电解液中电沉积Cu层㊂由于电解液中的Cu2+与带负电荷的官能团化MWCNTs层之间的电荷吸引作用,Cu层电沉积在MWCNTs层表面,并填充了MWCNTs层的间隙;多次循环浸涂和电沉积过程,最终形成叠层结构Cu-MWCNTs复合材料㊂2.5㊀累积叠轧法累积叠轧(accumulative roll-bonding,ARB)法是将表面经过处理㊁尺寸相等的2块薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊合,然后反复叠片㊁轧制获得叠层复合材料的工艺㊂ARB后材料微观结构细化,力学性能得到大幅度提升㊂例如,Yao等[47]以铜和石墨为原料,在室温下通过ARB工艺循环30次(每次循环厚度减少50%)制备Cu-石墨烯叠层复合材料,如图5所示㊂该研究表明,ARB能把原始的石墨转化为仅有5层的石墨烯,且在Cu基体中良好分散,从而获得了高的硬度和电导率㊂图5㊀累积叠轧法制备石墨烯-铜纳米叠层复合材料的示意图[47] Fig.5㊀Schematic diagram of the fabrication process for graphene-Cu nanolaminated composites via accumulative roll-bonding(ARB)process[47]3㊀纳米叠层金属基复合材料的强韧化机制3.1㊀纳米叠层金属基复合材料的强化机制3.1.1㊀界面结构特性及其对NLMMCs强化机制的影响纳米叠层结构的金属及其复合材料含有高密度的异质界面,这些界面通常作为位错形核源㊁位错湮灭阱㊁位错运动的障碍和位错存储和反应的择优位点[48],进而显著影响材料的力学行为㊂对于金属-金属纳米叠层材料,其界面结构包括共格界面㊁半共格界面和非共格界面[49],如图6所示㊂共格界面中界面上下的2种材料具有相同的晶体学结构和较小的晶格失配(通常为百分之几的量级)㊂由于较小的晶格失配导致界面具有高的共格应力,阻碍了位错穿过界面转移至相邻层,从而提高了材料强度㊂对于半共格界面,相邻两层之间存在较大的晶格失配,从而导致界面具有相对较低的抗剪强度㊂为了减少晶格畸变,在半共格界面上通常会产生失配位错[50]㊂界面通过剪切以响应失配位错的应力场,并吸引图6㊀金属-金属纳米叠层材料的3种界面结构示意图[49] Fig.6㊀Schematic illustration of the three kinds of interface structures in metal-metal nanolaminates[49]473All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为位错至界面处㊂半共格界面成为位错滑移传输的障碍,从而实现材料的强化㊂而非共格界面是指相邻两层的界面由不同的晶体结构组成,其具有相对较大的晶格失配㊂在这种界面上,相邻层的滑移系统之间没有连续性,其具有较低的抗剪强度,使得位错核沿界面扩展,被界面吸收,阻碍了滑移传递至相邻层,从而使材料获得了高强度[51,52]㊂金属-金属纳米叠层材料界面结构对强化机制的影响详见综述论文[48,50,53,54]㊂金属-陶瓷(主要指晶体陶瓷)型NLMMCs的界面结构类似于金属-金属非共格界面,其界面强化机制也与之相似㊂对于金属-非晶(包括金属玻璃㊁非晶陶瓷和C或Si族元素玻璃)型NLMMCs,其金属-非晶界面(crystal-line-amorphous interfaces,CAIs)由基于位错调控塑性变形的金属层和基于剪切过渡区(shear transition zones,STZs)或剪切带(shear bands,SBs)调节塑性变形的非晶层组成[48]㊂CAIs中很容易形成剪切滑移,导致材料的屈服强度降低;此外,CAIs也是加载过程中位错形核和位错发射的择优位点[55]㊂对于金属-纳米碳型NLMMCs,其界面结构也类似于非共格界面,该类复合材料强度的提高主要来自于载荷从基体到纳米碳的跨界面传递㊁纳米碳抑制基体晶粒生长引起的细晶强化,以及纳米碳通过界面阻碍位错运动引起的位错强化和背应力强化[56,57]㊂结合强度大小合适的界面才能有效传递载荷并抑制材料发生破坏性变形[58]㊂然而,通常由于大的表面能差异和低润湿性,纳米碳材料与金属基体之间形成弱的范德华力或机械结合[59],使纳米碳层的承载强化未能充分发挥㊂研究者们通过形成强共价键[60,61]㊁表面金属化[62]和界面反应[63]等方法,解决界面不相容和润湿性差的问题,形成具有高结合强度的界面,从而显著提高界面强度,进一步提高材料强度㊂3.1.2㊀内在特征尺寸对NLMMCs强化机制的影响随着微纳力学测试方法的快速发展,纳米叠层金属及其复合材料的力学行为得以深入研究㊂除了各组分材料的本征强度以外,各组分的内在特征尺度也显著地影响纳米叠层金属及其复合材料的强度[64-68]㊂类似于金属-金属纳米叠层材料,NLMMCs的强度随软相金属层厚度的变化规律可以用以下3种强化机制来描述㊂当金属层厚度h相对较大(亚微米到微米尺度)时,NLMMCs的强度σ与金属层厚度h遵循Hall-Petch关系[31],即σɖh-0.5,此时,软相金属层中产生大量位错并在界面处塞积,引起材料强化㊂当金属层厚度h减小到某一临界尺寸(通常不大于200nm)时,材料强度仍然单调增加,但明显偏离Hall-Petch关系,此时NLMMCs的强度变化规律符合约束层滑移(confined layer slip,CLS)模型[31,68-70],这是因为层厚的减小使得单个金属层内难以形成位错塞积,而是以单个位错约束在金属层内滑移的形式来调节塑性变形进而影响材料强度㊂然而,对于金属-金属纳米叠层材料,当叠层厚度进一步降低至1~2nm时,位错源开动困难,界面不再具有阻碍位错运动的能力,单个位错能够穿过界面,此时材料强度达到饱和甚至有所降低,对应于界面势垒强度(interface barrier strength,IBS)模型[71]㊂特别地,对于非连续纳米碳增强的NLMMCs,除金属基体特征尺寸以外,纳米碳材料的横向尺寸也会通过影响纳米碳的承载强化和纳米碳阻碍位错运动影响复合材料的强度㊂例如,Zhao等[56]对Al基体层厚为200nm㊁石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)横向尺寸分别为(186ʃ7)nm和(603ʃ58)nm的RGO-Al纳米叠层复合材料开展了基于单次和多次加载-卸载循环的微柱压缩实验,发现RGO尺寸较小的RGO-Al复合微柱具有更高的强度㊂通过对强化机制的分析发现,RGO尺寸较小的复合材料承载强化贡献小于RGO尺寸较大的复合材料;而RGO尺寸较小的复合材料中石墨烯与位错相互作用引起的各向同性硬化和动力学硬化的贡献远远大于RGO尺寸较大的复合材料㊂3.1.3㊀外在尺寸对NLMMCs强化机制的影响另一方面,除了内在尺寸效应以外,采用微纳力学方法研究NLMMCs力学行为所制备的微纳试样外在尺寸也会显著影响其力学行为[72-76]㊂例如,Zhang等[77]制备了调制比(非金属层与金属层厚度比η)相同,单层厚度h 从5nm变化到150nm的Cu-CuZr金属-非晶多层膜,采用聚焦离子束(focus ion beam,FIB)加工了直径D从350nm 变化到1425nm的微柱,并对其开展了单轴压缩实验㊂研究结果表明,当h或D发生单一变化时,微柱的强度符合 越小越强(smaller is stronger) 的规律㊂当h在10~ 150nm范围内时,位错活动主要受晶粒控制,微柱的强度仅依赖于内在特征尺度,而与外在直径无关,且强度与层厚的关系符合CLS模型;当hɤ10nm时,较小样品体积内包含位错的概率大大降低,样品外表面对位错行为的影响达到了与内界面相当的程度,导致样品强度受内在和外在尺寸共同影响㊂此外,Wang等[75]从不同调制比(η=0.1~3.0)的Cu-CuZr金属-非晶多层膜上切割不同直径(D=300~ 1500nm)的微柱开展单轴压缩测试,结果如图7所示㊂可以看出,在给定微柱直径时,微柱强度随着调制比的增加而增大;当调制比一定且小于0.5(η=0.1和0.3)时,微柱强度随直径的增大而降低,呈现 越小越强 的趋势;而当调制比大于0.5时,微柱强度随直径的增大而增大,呈现 越大越强 的趋势㊂这主要是由于复573All Rights Reserved.中国材料进展第41卷合薄膜在小的调制比(0.1)时,非晶的层厚小于剪切带形成需要的临界尺寸,剪切带(shear bands,SBs)难以形成,因此,更厚的软相金属层主导微柱的塑性变形㊂随着微柱直径的减小,金属层中位错源的数量减少,而且微柱中含有大晶粒的概率降低,因此,位错活动需要在较高的应力下进行,因此,微柱尺寸越小,其强度越高㊂当调制比大时(η=3.0),非晶层(<100nm)通常包含一定数量的内部缺陷,在这些缺陷处可以轻松激活剪切过渡区(shear transformation zones,STZs)并聚集形成SBs㊂随着直径减小,单个SBs 形成引起的软化更容易发生在较小的微柱中㊂图7㊀不同调制比η下Cu-CuZr 微柱2%流变应力与微柱直径的关系图[75]Fig.7㊀The flow stress at 2%strain offset of Cu-CuZr micro-pillars ob-tained from the true stress vs strain curves as a function of pillardiameter with different modulation ratio η[75]在纳米碳-金属型NLMMCs 中,Zhao 等[36]和Hu 等[76]分别研究了90ʎ(叠层方向垂直于加载方向)和0ʎ(叠层方向平行于加载方向)RGO-Al 纳米叠层复合微柱的外在尺寸效应㊂研究结果表明,直径大小对90ʎRGO-Al复合微柱的强度没有明显的影响㊂而对于0ʎRGO-Al 复合微柱,当微柱直径比铝层厚度(~200nm)大一个数量级时,微柱直径对其强度没有明显的影响,微纳米尺度下材料的力学性能能够反映宏观复合材料的力学性能㊂3.1.4㊀叠层取向对NLMMCs 强化机制的影响叠层取向与加载方向之间的相对角度会影响NLM-MCs 中的应力状态,进而影响其强度㊂例如,Mayer等[78]对0ʎ㊁45ʎ和90ʎ的Al-SiC 纳米叠层复合微柱开展单轴压缩实验,发现0ʎ微柱中增强相SiC 层处于承载方向,强度最高;45ʎ微柱由于协调剪切变形更容易,强度最低;90ʎ微柱中SiC 层出现的裂纹限制了其强度提高㊂另外,Fu 等[79]从RGO-Al 宏观块体材料中切割0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 复合微柱,并对其开展了单轴微拉伸实验(图8a)㊂结果表明,0ʎRGO-Al 微柱的屈服强度显著高于90oRGO-Al 微柱,且都高于相应的纯铝微柱,如图8b 所示㊂经计算分析得知,90ʎRGO-Al 微柱强度的提高主要来自于RGO /Al 界面对位错的阻碍作用,而0ʎRGO-Al 复合微柱的强化来自于RGO 显著的承载强化以及RGO /Al 界面对位错的阻碍作用㊂3.2㊀纳米叠层金属基复合材料的韧化机制NLMMCs 由于纳米尺度㊁叠层构型以及大量异质界面的存在,被认为具有比传统单一均匀MMCs 更加优异的断裂韧性㊂特别是,近些年随着微纳力学技术的发展,NLMMCs 的韧化机制得到了更加深入的阐释㊂在金属-陶瓷型NLMMCs 领域,界面的存在使脆性陶瓷层中产生的裂纹发生偏转,改变了裂纹扩展的路径,并且陶瓷层中也有可能产生位错[80],实现与韧性金属层的塑性共变形,从而增加复合材料的韧性㊂Yang 等[81]采用微柱劈裂法(micro-pillar splitting,图9a)和缺口悬臂梁弯曲法(图9b)研究了叠层厚度和叠层取向对Al-SiC 纳米叠层复合薄膜断裂韧性的影响㊂结果发现,Al-SiC 纳米叠层复合薄膜在载荷平行于叠层时的断裂韧性高于其在图8㊀0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 复合微拉伸试样示意图和SEM 照片,其中拉伸方向由黑色箭头标出(a);0ʎ和90ʎ纳米叠层RGO-Al 和纯Al 的屈服强度对比图(b)[79]Fig.8㊀Schematic illustration and SEM images of as-fabricated microtensile composite specimens with 90ʎand 0ʎRGO laminate orienta-tions (a);summaries of the 0.2%offset yield strength of 90ʎand 0ʎRGO-Al composite and pure Al samples (b)[79]673All Rights Reserved.㊀第5期郑思婷等:纳米叠层金属基复合材料的力学行为垂直于叠层时的断裂韧性㊂当载荷平行于叠层时,裂纹扩展沿着金属/陶瓷界面发生,并且由于Al 层塑性变形的作用,断裂韧性随层厚的增加而增加,在层厚为100nm时达到最大㊂当载荷垂直于叠层时,裂纹扩展到界面处出现了偏转,断裂韧性随着层厚的减小而增加,在层厚为25nm 时达到最大,这归因于层厚减小导致了更高的界面密度㊂图9㊀微柱劈裂法(a)和缺口悬臂梁弯曲法(b)研究Al-SiC 纳米叠层复合材料断裂韧性的加载示意图[81]Fig.9㊀Schematic diagrams of the load directions for the fracture tough-ness testing of Al-SiC nanolaminates via micro-splitting (a)andnotched cantilevers bending methods (b)[81]在金属-非晶型NLMMCs 领域,非晶层具有力学不稳定性,而叠层结构限制了非晶层中裂纹和剪切带的形成和扩展,并且在一定条件下可以实现非晶层和金属层之间产生塑性共变形,提高复合材料的塑韧性[48]㊂为了揭示金属-非晶纳米叠层复合薄膜的韧化机制和潜在的破坏机理,Wang 等[82]制备了层厚为50nm㊁宽度B 为500~3500nm 的Ag-CuZr 和Mo-CuZr 多层膜悬臂梁(图10a),并通过SEM 中的原位弯曲实验研究多层膜组分和悬臂梁外在尺寸对断裂行为的影响㊂结果如图10b 所示,当悬臂梁宽度在500~3500nm 范围内变化时,Ag-CuZr 多层膜的断裂韧性总是高于Mo-CuZr 多层膜㊂另外,Ag-CuZr 多层膜的断裂韧性随悬臂梁宽度的增加而增加;而Mo-CuZr 多层膜的断裂韧性随悬臂梁宽度的增加而减小,当悬臂梁宽度超过~1500nm 时保持不变㊂对其断裂机理的分析发现,Ag-CuZr 悬臂梁中非晶CuZr 层中开动的微裂纹在多层结构中出现了互连(图10c),而Mo-CuZr 悬臂梁中的裂纹破坏性地穿过多层薄膜扩展(图10d),导致了Ag-CuZr 悬臂梁表现为韧性断裂,而Mo-CuZr 悬臂梁表现为脆性断裂,且Ag-CuZr 断裂韧性高于Mo-CuZr 多层薄膜㊂非晶纳米叠层复合薄膜的断裂韧性随成分和悬臂梁尺寸的变化主要归因于韧性相的塑性能耗散,裂纹尖端钝化㊁裂纹桥接以及塑性区应变梯度对裂纹扩展的影响等韧化机制㊂图10㊀金属-非晶纳米叠层复合薄膜的断裂韧性及断裂机制[82]:(a)典型的多层膜悬臂梁的SEM 照片,(b)Ag-CuZr 和Mo-CuZr 悬臂梁的断裂韧性随宽度B 的变化规律,(c,d)Ag-CuZr(c)和Mo-CuZr(d)悬臂梁的断裂机制示意图Fig.10㊀Fracture toughness and fracture mechanisms of metal-amorphous nanolaminated composite films [82]:(a)typical SEM image ofthe Ag-CuZr micro-cantilevers,(b)cantilever width B -dependent fracture toughness K Q in Ag-CuZr and Mo-CuZr nanolami-nates,(c,d)schematic diagrams of fracture mechanisms in Mo-CuZr (c)and Ag-CuZr (d)micro-cantilevers773All Rights Reserved.。
非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应
非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应陈志鹏; 於文静; 高雷【期刊名称】《《物理学报》》【年(卷),期】2019(068)005【总页数】9页(P29-37)【关键词】非局域效应; 相干完美吸收; 颗粒复合介质; 有效媒质理论【作者】陈志鹏; 於文静; 高雷【作者单位】苏州大学物理科学与技术学院苏州纳米科技协同创新中心苏州215006; 苏州大学江苏省薄膜重点实验室苏州 215006; 江苏理工学院数理学院常州 213001【正文语种】中文1 引言近年来, 纳米金属颗粒对电磁辐射的响应一直是许多研究工作的主题. 特别令人感兴趣的是, 含有这些粒子的复合样品在远红外中表现出反常的吸收现象, 并且这种反常的吸收依赖于颗粒的大小、体积分数等因素, 这类反常的吸收现象称之为相干完美吸收 (coherent perfect absorption, CPA).由于在纳米级光学操控和数据处理等方面有很多潜在的应用, 对于相干完美吸收的研究已经越来越热门. 有研究表明, 通过改变这些系统参数, 可以实现可控的相干完美吸收[1]. 现有的CPA的计算是在平面波下近似进行的, 但实验室中的普通激光光源是以高斯光束作为输出光源,已有研究表明即使是使用高斯光束也可以观察到相干完美吸收现象[2]. 而在共轭超材料构成的二维圆柱结构当中,同样可以实现相干完美吸收[3]. 最新的研究表明,在红外波段下可以实现超构表面的多波段相干完美吸收, 而且吸收带宽比单波段吸收提高了3倍[4].最近也有科学家研究了非线性波的相干完美吸收现象, 并在玻色-爱因斯坦凝聚体中进行了实验验证[5].以往的复合介质相干完美吸收的研究并没有考虑非局域效应的存在[1], 而在小尺度金属颗粒中,非局域效应的影响是不能忽略的. 在研究非局域方面, Ruppin[6]第一次将Mie全波理论扩充到包含纵波的模式并解决了非局域效应情况下的等离子球体的光学性质问题. 而在准静态近似中, Fuchs等[7,8]提出了一种比较简单的方法并以此来计算考虑介质响应的非局域效应情况下金属纳米颗粒以及核壳颗粒的多极极化度, 并由此来研究这些颗粒的光学响应. Leung等利用准静态下半经典非局域理论, 研究了金属纳米壳与分子相互作用[9]以及非局域等离子体激元增强福斯特能量转移的非局域效应[10]. 在研究单分子附着的双金属核壳纳米颗粒表面增强拉曼散射[11]和纳米颗粒表面等离激元[12]时, 还考虑了金属非局域效应的影响. 时域有限差分法(FDTD)[13]被提出用于计算具有任意形状的纳米结构的非局域效应; 有限元方法(FEM)[14]则同样可以研究任意二维形状的纳米结构的介电非局域效应. 金属传导电子的量子效应引起了金属的非局域效应, 所以研究人员又提出了一种全量子的处理方法并且可以用来很好地研究纳米尺度的结构问题[15-18]. 在大尺寸结构中非局域效应的影响是可忽略的, 但在纳米颗粒中由于颗粒的尺度非常小, 此时非局域效应的影响就变得尤其重要. 当纳米颗粒的大小远小于入射波波长时, 可采用有效媒质理论(EMT)[19,20]来研究其非局域效应, 而且已有研究得到了纳米柱下的等价介电参数[21]. 最近有研究表明, 金属中的非局域效应对石墨烯表面等离激元的光谱有很大影响. 因此, 石墨烯表面等离子体可以成为探测金属纳米结构(包括金属薄膜)中非局域效应的工具[22].因此, 在研究纳米颗粒复合介质的相干完美吸收效应过程中, 由于金属量子效应的存在, 金属非局域效应的影响是不能忽略的. 本文运用有效媒质理论研究金属球颗粒复合介质的介电参数, 发展非局域复合体系的相干完美吸收的理论计算, 运用理论解析和数值模拟的方法, 分析非局域效应对相干完美吸收产生的影响并且讨论相干完美吸收产生的条件以及调控.2 有效媒质理论为了研究非局域颗粒复合介质的相干完美吸收, 我们首先建立了一个模型, 如图 1所示. 在x-y平面中厚度为d的复合介质板由基底介质与填充介质构成, 该填充介质是非局域金属颗粒, 基底介质是二氧化硅. 这个复合层由两个相干单色波以相同的入射角分别从左右两侧入射. 为了方便起见,我们分别用下标1(2)标记从左(右)入射的向前(向后)传播的波所产生的反射波和透射波, 分别由图中的蓝色实线(红色虚线)表示.图1 相干完美吸收的示意图Fig. 1. Schematic diagram of coherent perfect absorption.如果从左侧入射产生的反射波( )与从右侧入射产生的透射波( )的振幅相同, 相位相差为 ,即 , , ( 和分别是和的相位), 此时二者会相消即产生相干完美吸收. 并且由于内在的对称性, 即, 导致在介质两侧的总散射幅度也是相同的. 因此, 在入射介质中相消意味着在出射介质中同样会相消, 这也就导致了相干完美吸收.在图2的结构当中, 非局域金属纳米颗粒的介电常数由横模介电常数和纵模介电常数来描述, 分别由下式表示[23,24]:式中是与间带跃迁有关的背景介电常数(如果, 此时该金属将只考虑自由电子气对介电的影响), 是金属的等√离子频率, 是电子阻尼常数. 非局域参数β 等于 , 其中是金属中电子的费米速度. 纵波的波矢由方程给出, 而横波的波矢则满足常规的色散定律:图2 有效媒质理论模型, 红色为金属颗粒, 蓝色为基底介质, 灰色为有效介质Fig. 2. The model of effective medium. The red part is metal particles, the blue part is base medium, and the grey part is effective medium.运用有效媒质理论考虑上述带壳金属纳米球颗粒的核壳模型在有效介质中的总散射为零(即金属球壳对电磁波没有散射), 此时带壳非局域金属纳米球颗粒对电磁波的散射效果与有效介质一致,两者具有相同的电磁性质. 从光散射的角度来看,可以用有效介质的介电常数和磁导率来表示核壳纳米球的介电参数, 从而描述整个颗粒复合介质体系的有效介电参数. 接下来研究核壳纳米球在有效介质中的电磁散射问题.平面波入射时, 入射电场可用如下公式表示:散射电场表示为这里的和分别是第一类球面贝塞尔函数和球汉克尔函数, 是有效介质中横波的波矢,其中 .壳层中的电场表示为式中是诺依曼函数; , 分别是壳层磁散射系数和电散射系数; 是壳层中横波的波矢. 非局域金属纳米球颗粒中的电场既有横向电场, 也有纵向电场, 它们分别表示为:其中 , 分别为核层磁散射系数和电散射系数.结合电场和磁场的边界条件可以计算出各式中的相关系数. 值得注意的是, 由于非局域金属纳米球核内存在附加的纵波, 在金属纳米球核和外壳之间的界面上应该有附加的边界条件. 这里我们选用作为附加的边界条件, 其中表示介电材料中极化矢量的极子部分[25].经过一系列的推算, 我们得到了散射系数和 :考虑极限情况时, 带壳非局域金属纳米球颗粒的总散射截面主要由(7)式中级次的项决定. 因此, 有效介电常数和有效磁导率则分别由和项决定. 例如, 对于有:在有效媒质理论的基础上, 如果不考虑金属纳米颗粒的非局域效应, 此时金属颗粒中不存在纵波, 可以得到局域情况下复合介质的有效电磁参数3 理论计算与讨论为了研究复合介质的相干完美吸收效应, 我们分别计算了金属颗粒体积分数 f为0.1, 0.01,0.0012时有效介电常数的实部以及虚部随入射光波长的变化情况, 如图3所示.从图3中可以发现, 考虑非局域效应对复合介质相干完美吸收的影响, 金属颗粒的体积分数较低时 (f = 0.01, 0.0012) 的实部会在入射波波长310 nm左右有一个峰值, 当体积分数较高(f为0.1)时这一峰值会出现在320 nm附近, 这表明金属颗粒体积分数会影响非局域效应下复合介质的相干完美吸收, 金属颗粒体积分数越小复合介质的有效介电常数实部的峰值也会减小.图3 (a1) f = 0.1, (b1) f = 0.01, (c1) f = 0.0012 时有效介电常数的实部; (a2) f =0.1, (b2) f = 0.01, (c2) f = 0.0012 时有效介电常数的虚部随的变化; 此时 d 为 5 ,a 为 2 nmFig. 3. (a1), (b1) and (c1) are the real parts of effective permittivity as function of , for (a1) f = 0.1, (b1) f = 0.01, (c1) f =0.0012; (a2), (b2), (c2)are the imaginary parts of effective permittivity as function of , for (a2) f = 0.1, (b2) f = 0.01, (c2) f =0.0012. d = 5 , a = 2 nm.图4 (a1), (b1), (c1) a = 2, 5, 10 nm 时, 局域效应下与和 f的函数关系; (a2), (b2), (c2) 对应情况下考虑非局域效应时的结果; 入射角= 45°Fig. 4. as functions of and f with different metallic nanoparticle radius (a) a = 2 nm, (b) a = 5 nm, (c)a = 10 nm:(a1), (b1) and (c1) are within the local description and (a2), (b2) and (c2) are within the nonlocal description. The incident angle is=45°.图5 (a) d = 2 , (b) d = 5 , (c)、d = 10 时散射光强对数与和 f的函数关系图, 此时入射角为45°Fig. 5. as functions of and f with thickness of medium plate (a) d = 2 , (b) d = 5 , (c) d = 10 . The incident angle is = 45°.本文研究了散射光强的对数 , 认忽略不计, 在同时满足 ,时即可产生所谓的相干完美吸收. 图4绘制出了非局域和局域情况下用不同尺寸的金属颗粒填充复合介质时与和 f 的函数关系.从图 4(a1), (b1), (c1) 的对比可以很清楚地看到, 金属颗粒的尺度越小, 各体积分数下产生完美吸收的入射光波长的范围就越宽, 而且波长的极大值也会对应减小, 即频率增加. 从图4(a1)和(a2),(b1)和(b2)的对比也很容易看出, 金属颗粒的尺寸越小, 在非局域效应的影响下会导致完美吸收产生的入射光的频率显著增加, 当 a = 10 nm 时, 非局域和局域的结果几乎没有区别, 即金属非局域效应的影响完全可以忽略不计. 这也进一步说明金属非局域效应在小尺度结构中的影响是不能忽略的.图6 a = 2 nm, d = 5 , 与及 f的函数关系 Fig. 6. Color map of as functions of and f for a = 2 nm, d = 5 .在研究小尺度颗粒填充情况下金属非局域效应的影响时, 选取 a = 2 nm, 讨论非局域效应下不同的系统参数的变化对复合介质的相干完美吸收产生的影响. 首先, 考虑复合介质板的厚度d对相干完美吸收的影响. 图5绘制了不同介质板厚度图5的结果表明, 在体积分数相同的情况下,复合介质板较窄时可以出现完美吸收的入射光的波长的范围也较窄.为了得到产生相干完美吸收所需要的f及 ,我们同样采取了以上的方法, 在相干完美吸收所需条件的基础上, 首先研究散射光强的问题. 图6绘制了与和 f的函数关系图, 此时选取f的范围为0—0.01.考虑到当散射强度对数可以产生完美吸收, 可以在图中找到一个符合该条件的点, 如图6中圆圈所示. 该点的位置在f为0.0012 左右, 为 310 nm 左右. 接下来我们要确定 f = 0.0012, = 310 nm 时能否满足产生相干完美吸收所需要的条件.首先考虑 f = 0.0012 时 , 与、与以及与的函数关系 , 如图 7所示.在图7(a)中箭头所示为平面波入射复合介质时满足相干完美吸收条件的点, 可以清楚地看到该满足条件的点在为 310 nm处, 而此时采用的f值为0.0012.接下来考虑为 310 nm 时 , 与 f,与 f以及与 f的函数关系, 如图8所示.图7 f = 0.0012, = 45°时 , (a) (蓝色 )、 (红色 )与的函数关系 , (b) 与的函数关系 ,(c) 与的函数关系Fig. 7. For f = 0.0012, = 45°, (a) (blue), (red)as function of , (b) as function of ,(c) as function of .图8 = 310 nm, 时 , (a) (蓝色 ), (红色 )与 f的函数关系 ; (b) 与 f的函数关系 ;(c) 与 f的函数关系Fig. 8. For = 310 nm, , (a) (blue), (red) as function of f, (b) as function of f,(c) as function of f.如图8(a)箭头所示, 满足相干完美吸收条件时f在0.0012处. 图7和图8的结果充分验证了图 6 中所选的点在 f为 0.0012, 为 310 nm, 此时满足相干完美吸收所需要的条件, 而且该波长也正好是图4所示的f为0.0012时复合介质的有效介电常数实部的峰值, 二者结果相吻合.4 结论本文主要研究了非局域金属颗粒填充的复合介质的相干完美吸收效应, 研究了金属非局域效应对复合介质的相干完美产生的影响以及调控. 运用有效媒质理论建立了由非局域金属颗粒组成的复合材料体系的电磁散射理论, 计算得出了非局域金属颗粒复合材料的有效介电常数及有效磁导率.通过对局域和非局域下复合介质相干完美吸收的研究和对比, 我们发现由于金属非局域效应的存在, 对于尺寸非常小的金属颗粒, 可以显著提高复合介质相干完美吸收产生的频率, 而小尺寸金属颗粒填充也会导致相干完美吸收在更宽的频率范围内产生. 进一步研究复合介质的厚度、金属颗粒的体积分数等系统参数对复合介质相干完美吸收的影响, 得出了小体积分数下复合介质相干完美吸收时的金属颗粒体积分数以及入射光波长.利用非局域金属颗粒的体积分数、非局域金属颗粒的半径以及复合介质板的厚度等系统参数的变化, 结合非局域效应对复合介质相干完美吸收的影响, 实现对非局域颗粒复合介质的相干完美吸收的调控. 本文对今后的纳米复合材料的光学吸收的研究有一定的帮助.参考文献【相关文献】[1]Dutta-Gupta S, Martin O J F, Gupta S D, Agarwal G S 2012 Opt. Express 20 001330[2]Sanjeeb D 2015 Opt. Commun. 356 515[3]Fu Y Y, Xu Y D, Chen H Y, Cummer S 2017 New J. Phys.20 013015[4]Huang S, Xie Z W, Chen W D, Lei J Q, Wang F L, Liu K, Li L 2018 Opt. 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纳米TiO2／Al2O3复合薄膜光催化特性研究
２１ ＴＯ Ａ ２ 复合 薄膜 的制备 ． ｉＪ １ Ｏ３ 纯度 为 ９ ． ％铝板 ，依 次进 行除油、脱脂 、清洗 ９９ ９ 后 ，进行化学抛光 ，得到平整 的表面 。然 后在 １ ％硫酸 ５ 溶液 中，利用直流 电源进行 阳极氧化 处理，获得具有一
构可为引入其 中的 ＴＯ 微粒提供支 撑 ，限制颗粒 的聚 ｉ２ 集和 长大 ， 保证 复合体系结构的纳米化 。用 电化学 方法 在模 板孔洞 中沉积 ＴＯ ， ｉ ２ 可制 得纳米 Ｔ Ｏ ／ １ 复 合薄 ｉｚ ２ Ａ Ｏ３ 膜 ，进 而可改善 ＴＯ 光催化特性 。 ｉ２
２ 实
验
图 １ ＴＯ ／ ２ 复合 薄膜 的 Ｓ Ｍ 照片（ ０ ｏ ） ｉ ２ Ｏ３ Ａ１ Ｅ ×２ｏ ｏ
衡量光催化 活性。
１ 引 言
在众 多环境污染治理技术 中， 以半导体 氧化物为催
３ 结果与讨论
３１ ＴＯ ／ ２ 复合薄膜 的结构表征 ． ｉ ２ Ｏ３ Ａ１ 图 １是 ＴＯ ／ ２ ３ ｉ ２ Ｏ 复合薄膜 的 Ｓ Ｍ 照片 ，可 以看 Ａ１ Ｅ 出，电沉积 ＴＯ 后 ，铝 阳极氧化膜 的孔洞结构基本消 ｉ２ 失，微孔大部 分被 ＴＯ 所覆盖和填塞 ，表面 ＴＯ２ ｉ２ ｉ 分布 均匀但较分散 、不致 密 。此外还可 以看 出， ｉ ２ 径达 ＴＯ 粒 到纳米级 。
化剂 的多相 光催化过程 ， 以其操作工艺简单 、 成本较低 、 可直接利用 太阳能为光源活化催化剂 、 能在 常温 常压下 消除和 降解 结构稳定的有机污染等独特性 能， 成为最有 希望 的环境 友好光催化新技术［ １ １ 。其 中纳米 ＴＯ 以其 ， ２ ｉ２ 良好 的禁带 宽度 、较高的催化活性 、抗光腐蚀及 无毒、 稳 定性好 等优 点 ，是 目前 公认 的光 催化 反应 最佳 催化 剂 。但体相 ＴＯ２ ｉ 存在 载流子复合率高 、量子 效率低、 半导体 的光吸 收波 长窄 、利用 太 阳光 的比例低 、ＴＯ ｉ２ 吸附性差等不足［ １ ３。 ， ４ 多孔氧 化 铝是一 种较 好 的制备有 序纳 米 结构 的样 模 ，它具有 高密度 、均一、柱状平行 的纳 米孔 。这 种结
PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的制备及特性研究
PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的制备及特性研究作者：兰慧琴来源：《科技资讯》2019年第30期摘 ;要：综合研究了PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的制备方案，并针对PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的特性进行分析。
PDMS-Fe3O4复合光学薄膜制备过程使用的试剂主要有乙酸镧、乙酸锶、乙酸锰、乙酰丙酮、去离子水、丙酮，通过制造PDMS湿膜、增加薄膜厚度、旋涂40s、退火炉升温四步完成制备。
通过分析发现经过高温退火可以有效提高PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的电容，但是過高的退火温度会导致薄膜电容急剧下降，同时也会急剧增加介电损耗，因此需要在薄膜的表面额外旋涂一层PDMS覆盖层，再进行高温退火处理。
关键词：PDMS-Fe3O4复合光学薄膜 ;制备流程 ;PDMS-Fe3O4特性 ;纳米复合材料中图分类号：TY54 ; 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（c）-0059-02PDMS-Fe3O4是一种纳米复合材料，在纳木颗粒中，一般含有铁和钴元素的纳米颗粒是具有一定的软磁特性的。
在现阶段针对Fe3O4纳米颗粒的制备和特性的研究最为广泛。
Fe3O4的制备方法比较简单，而且具有良好的软磁特性，尤其是块状Fe3O4材料具有较高的局里温度，当温度高于840K时，Fe3O4材料具有超瞬磁特性。
PDMS是一种有机硅高分子化合物，又称为有机硅，是具有惰性和无毒以及光学透明的特性，主要应用于隐形眼镜和医疗设备等领域。
PDMS应用比较广泛的原因在于它具有一定的流变特性，即使在液体状态下也具有一定的流动性，比较容易注入模具中[1]。
因此该文将深入研究复合材料的制备特性。
1 ;PDMS-Fe3O4复合光学薄膜的制备在此次研究中，选用乙酸盐作为金属源，去离子水作为溶剂，采用溶胶制备PDMS-Fe3O4复合光学薄膜，在实验中用到的主要试剂有99.26%的乙酸镧、99.88%的乙酸锶、99.26%的乙酸锰、99.29%的乙酸、99.98%的乙酰丙酮、99.97的去离子水、99.49%的丙酮。
Au_SiO_2纳米复合薄膜的微结构及光吸收特性研究
312111 实验吸收光谱 图 4 为[ Au( t1) SiO2(600) ] ×5 多层薄膜中 Au 的体
积分数 f 与 Au 沉积时间 t1 的关系. 从图 4 可以看 出 ,随着 Au 沉积时间的延长 ,Au 的含量增加. 当沉 积时间分别为 2 , 5 , 8 和 10 s 时 ,Au 的体积分数 f 相应为 017 % ,211 % ,315 %和 513 %. 复合层的厚度 大约为 55 —60 nm. 图 5 为实验测得的 [ Au( t1) SiO2(600) ] ×5 复合薄 膜的光学吸收谱. 从图 5 可见 ,当单层 Au 的沉积时 间为 2 s 时 ,由于 Au 含量 ( f = 017 %) 太少 ,对应的薄 膜没有观察到吸收峰 ; 当单层 Au 沉积时间为 5 s 时 ,复合薄膜在 540 —560 nm 波长出现比较弱的弥 散状吸收峰 ;当单层 Au 沉积时间为 8 s 时 ,在 560 nm 波长下可以清楚地观察到吸收峰 ;当沉积时间进一 步增加到 10 s 时 ,吸收光谱在较宽波长范围内显示 出强的吸收峰. 图 5 说明随着 Au 的体积分数的增 加 ,[Au( t1) SiO2(600) ] ×5 复 合 薄 膜 的 吸 收 峰 强 度 增 大 ,且当单层 Au 膜的沉积时间为 8 s 时 ,可获得具 有良好吸收性能的光学薄膜.
非线性光学薄膜的制备技术有多种 ,至今已被 采用的有熔融急冷法[1] 、离子注入法[2] 、溶胶2凝胶 法[3] 、单靶及多靶溅射法[4 —7] 、脉冲激光沉积法[8 ,9] 等 ,其中多靶溅射技术由于成分容易控制而成为制 备多层薄膜的最佳方法之一[10] . 通过改变金属粒子 的形状 、浓度及其微观结构可以获得较强的非线性 物理效应. 目前的研究大多是通过提高金属粒子的
退火温度对Ag/TiO2薄膜光致变色特性的影响
退火温度对Ag/TiO2薄膜光致变色特性的影响作者：张璐来源：《科技视界》 2015年第23期张璐（西北工业大学明德学院公共教育系，陕西西安 710069）【摘要】采用化学方法在不同的退火温度下制备了Ag/TiO2纳米薄膜材料。
对300℃、400℃和500℃热处理条件下制备的Ag/TiO2纳米薄膜样品进行了形貌表征、XRD晶型分析和UV-Vis光吸收表征，发现Ag/TiO2纳米薄膜在650nm激光照射后发生了光致变色现象，本文对此光致变色过程中涉及的电子发射转移机制进行了阐述，并通过对样品差分吸收光谱的分析，发现对TiO2进行500℃热处理后的Ag/TiO2样品具有更高的光致变色效率，分析了锐钛矿晶型的TiO2在光致变色的过程中发挥的积极作用。
【关键词】光学；Ag/ TiO2薄膜；光致变色；退火温度０引言近年来有学者将半导体氧化物TiO2与Ag纳米材料复合，开发出了具有新颖的多颜色光致变色特性的纳米材料。
Ag/TiO2纳米复合薄膜对多种颜色响应的光致变色特性使得该材料在光信息存储、色度传感器、光开关、智能玻璃和显示器件等领域具有广阔的应用前景。
本文结合溶胶凝胶法和光催化方法制备了Ag/TiO2纳米复合薄膜，研究了退火处理温度对薄膜光致变色性能的影响，并探讨了Ag/TiO2纳米复合薄膜的光致变色机制。
1 实验1.1 TiO2纳米薄膜的制备以钛酸丁酯、乙醇、水、二乙醇胺为原料，按1：26.5：1：1的比例，制得浅黄色TiO2溶胶，再将TiO2溶胶陈化后使用。
用旋涂法（700rpm，10s）在玻璃基底上制得TiO2纳米薄膜，并对TiO2样品分别进行300℃，400℃和500℃的退火处理。
1.2 Ag纳米粒子的光催化沉积将1mol/L的AgNO3溶液均匀地涂覆在TiO2纳米薄膜上，用紫外灯照射20min，使Ag颗粒沉积在TiO2薄膜上，制得Ag/TiO2纳米薄膜。
2 结果和讨论2.1 Ag/TiO2纳米薄膜的XRD分析图1为经300℃、400℃和500℃退火处理2h后的Ag/TiO2纳米薄膜的X衍射分析图。
金-二氧化钛(Au-TiO_2)复合薄膜的制备及局域表面等离子体共振(LSPR)效应
器保 留 了 Ｓ Ｒ传 感 器 的特点 ， 如 ： 灵敏 度 、 Ｐ 例 高 高
选 择性 、 时 检测 和无 标记操 作 等 。 实 ４ ］
由于 Ｌ Ｐ Ｓ Ｒ传 感原 理 的气体 传感 器 的灵 敏度 取 决 于金 属 纳 米 粒 子 局 域 表 面 等 离 子 体 共 振 特 性， 因而 复合 材料 不仅 可用来 调 节纳 米粒 子 ， 还可
文献标志码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： Ｂ ３ Ｔ １３
金属 纳米 粒子 所具 备 的独特 的光 学性 质一 局
纳米粒 子局 域表 面等 离 子 体 共 振特 性 进 行 研 究 ， 并 探讨 其作 为气 体传 感器 的可行 性 。
域 表 面等离 子 体共 振 （ ｏａｉｅ ｕｆｃ ｌｓ ｎ Ｌ ｃｌ ｄｓｒａｅｐａｍｏ ｚ
ｒｓｎ ｎ ｅ Ｌ Ｐ 特性是 目前 对 金 属纳 米 粒 子 研 ｅｏ ａ ｃ ， Ｓ Ｒ）
究 的热点 之一 ， 种 特 性 在 生 物传 感 器 方 面 的应 这
用 相 当突 出 。Ｌ Ｐ 是 一 种 物 理 光 学 现象 ， 当 ＳＲ 是
入射 光子频 率 与金 属 自由电子 的集体 振荡 频率 发
生 共 振时产 生 的 （ 理 如 图 １ 原 所示 ）１。金 属纳 米 ［ ］ 颗粒的 Ｉ Ｐ Ｒ最 大吸 收峰位 、 状 和强度 对 大小 、 Ｓ 形
形 状 以及 周 围 介 质折 射 率 非 常 敏感 ［ ］ ２ 。消 光 光
谱 或 散射 光谱 对其 周 围纳米 尺度 范 围 内环 境 变化
局域表面等离子体共振特性 。因此本文利用溶胶
凝 胶 法制 备 了金 属 复合 纳米 薄膜 ， 对 复合 金 属 将
ITO-Ag复合薄膜的制备及光电特性
186ITO薄膜的优点是电阻率低、可见光波段透过率高，并迅速的代替了其出现前的大部分薄膜市场，被广泛应用于光伏、显示等多个领域。
但ITO薄膜也存在造价成本高等缺点，其中材料之一的钢(In)进货价格昂贵且含有毒性，因此，需要研究其替代品或研究如何使用最少的量达到最大的效果，从而减少生产成本。
这时ITO-Ag薄膜出现了，其材料结构中，钢(In)使用量得到了降低，生产成本变少，且光电性能还高于ITO薄膜，所以，其以价位低、性能高的优势，夺得ITO薄膜的热点地位，也逐渐被广泛应用，但ITO 薄膜同样也有缺点，如柔韧性差。
因此，还需要继续寻找更好的替代品，相关专业研究人才把研究点放到了石墨烯薄膜、高分子薄膜、碳纳米管薄膜上，缓解了以往薄膜柔韧性差的缺点，而且光电性能也较好，但由于各种原因，还是不能被大面积使用，推广中断。
另外，现在的薄膜发展速度也开始不能满足于社会的需求，如穿戴设备制作中就需要让薄膜具备高柔韧性，所以就需要深入研究，寻求新的替代品和改善已有产品的性能，进一步完善薄膜市场，促进薄膜的发展。
本文主要介绍的是一种新型薄膜——ITO-Ag新型复合透明导电薄膜，其在制作中使用钢(In)材料较少，生产成本较低，光电性能较好，综合来说，其整体质量水平较高，具有较高的研究价值。
本次实验就是研究ITO薄膜的优缺点，如柔韧性、光电性等，为可穿戴设备的发展提供支持，从而扩宽其发展道路。
１ 复合薄膜光学与电学性能表征1.1 复合薄膜光学性能表征1.1.1 透射光谱目前，透射光谱的形成采用的仪器之一是紫外可见分光光度计。
在市场上，用紫外可见分光光度计测定溶液吸光度，其种类型号很多，但所有产品的基础构架一样，都是由信号显示系统、光源、检测器、单色器及样品吸收池等组成，使用时不存在较大差异，所以，在一般实验中无需花费昂贵的价位购买。
实验时，首先将样品放到仪器，光源发出信号，然后显示系统接收，单色器再将单色光照射到样品溶液上，经过一段时间溶液被吸收，这时检测器进行转化，提供电信号变化，最后信号指示系统得到最终数据透射比T。
Zn1-xCoxO纳米复合薄膜的磁特性
第6期
任妙娟等:znl _二 二 纳米复合薄膜的磁特性 c。0
n :CO 0 Z l一 二 薄膜室温下的磁滞回线。由图可以看 出， CO含量的变化， 随着 磁滞回线发生明显变化。
由 该图可以得到不同x 值的zn:_二 0 比 co二 饱和磁
化强度和剩磁比. 如图 3 所示。
d二 2 6D4 nm 0
如此丰富多彩， 有人甚至设计制作了全部是 ZnO 的 多功能器件。 然而还没有人研究用 ZnO来制备类似
3
结果与讨论
由于每次 C。的沉积时 间很短， 大约 只有 0.6 nm， 相当于两三个原子层厚， 很难形成连续的膜 在真空中40 ℃退火 Z h， 0 CO颗粒聚集， 可确保 的 膜结构。 制备了 一系列zn， co二 ( x = 0.6 ， 层， _: 0 7 0.54， 0.29， 0. 19， 17)纳米尺寸的颗粒 0.37， 0.23， 0. 形成颗粒膜。图1是 : 为0. 1 的zn， Co二 薄膜 9 _二 0 薄膜， 对其磁特性进行了较系统的研究。 退火前后的 X 射线衍射图。由图可以看出， 退火前 Zno (0 2 的峰有畸变， 0 ) 峰宽较宽， 表明晶格常数要
（ . 400 罗
户 日 v 召 ) 1 之 侧 攀 牟姐
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0 .4
0 6
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C‘ ， 含量落
一160 160
磁场万1(k^ m一 ， )
图4 矫顽力随 C。 含量 x 的变化
zno 原子数不同， 得到Zn， CO 0 薄膜。然后在真 _二 二
Ag纳米颗粒增强SnO_(2)纳米薄膜的室温气敏性能研究
Ag纳米颗粒增强SnO_(2)纳米薄膜的室温气敏性能研究刘文强;吴鹏举;王瑗瑗;连艳利;杨莹丽
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】采用磁控溅射法在p-Si衬底上沉积二氧化锡(SnO_(2))纳米薄膜并在其上负载银(Ag)纳米颗粒作为气体传感器的敏感材料。
实验结果表明:负载Ag纳米颗粒提高了SnO_(2)纳米薄膜的灵敏度。
Ag溅射时间为80 s,负载量为6%质量分数的SnO_(2)纳米薄膜对乙醇气体的响应值较未负载Ag纳米颗粒时提高了78.7%,这可以归因于Ag纳米颗粒与SnO_(2)纳米薄膜之间形成了异质结。
实验测试了工作电压对SnO_(2)纳米薄膜灵敏度的影响,当工作电压均为5.5 V时,传感器对乙醇和丙酮气体的响应最佳,响应值分别为3.49和4.51。
【总页数】4页(P45-48)
【作者】刘文强;吴鹏举;王瑗瑗;连艳利;杨莹丽
【作者单位】河南理工大学物理与电子信息学院;中国联合网络通信有限公司焦作市分公司;河南理工大学分析测试中心
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.介孔硅基WO_3纳米颗粒薄膜室温气敏元件特性(英文)
2.Ag纳米颗粒修饰TiO2阵列薄膜的制备及其气敏性能研究
3.Ag掺杂ZnFe_(2)O_(4)纳米颗粒的制备及光
学气敏性能研究4.多孔硅基VO_(2)纳米颗粒复合体的制备及增强NO_(2)室温气敏特性研究5.磁控溅射SnO_(2)/ZnO复合纳米薄膜的气敏特性研究
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NiFe2O4纳米颗粒及复合材料的制备与性能研究的开题报告
NiFe2O4纳米颗粒及复合材料的制备与性能研究的
开题报告
题目：NiFe2O4纳米颗粒及复合材料的制备与性能研究
一、研究背景：
纳米材料由于其小尺寸和特殊的物理和化学特性，在材料科学和工
程领域中备受关注。
NiFe2O4是一种典型的磁性氧化物材料，具有较强
的磁性、优异的光学性能和热稳定性，可用于电子、磁性、传感、光催
化等领域。
在现代材料科学和工程应用领域，NiFe2O4纳米颗粒及其复
合材料呈现出一系列新的应用潜力，如用作光催化剂、气体传感器、薄
膜存储器等。
二、研究内容：
本研究将通过化学合成和物理制备方法，制备NiFe2O4纳米颗粒及
其复合材料，并对其结构、形貌、光学、电化学和磁学等性能进行表征
和分析。
研究内容主要包括：
1. 合成NiFe2O4纳米颗粒;
2. 制备NiFe2O4复合材料；
3. 对NiFe2O4纳米颗粒和复合材料进行XRD、TEM、SEM、UV-vis、FT-IR、Raman、EDS等结构和物性表征;
4. 探究NiFe2O4纳米颗粒及复合材料的光电、磁学性质。
三、研究意义：
研究NiFe2O4纳米颗粒及其复合材料的制备和性能，可为其在光学、电子、磁性、光催化等方面的应用提供基础数据。
同时，将探索
NiFe2O4复合材料中各种复合材料的优化配比及其性能变化的关系，为
其在材料领域中的应用提供理论和实验依据。
低红外发射率材料研究进展
低红外发射率材料研究进展张伟钢;徐国跃;薛连海【摘要】Low infrared emissivity material is now recognized as a special functional material which can achieve infrared stealth for aircraft. Several kinds of low infrared emissivity materials, such as nanocomposite films, mono ( multi ) layer structural materials, resin/metal composite coatings, resin/semiconductor composite coatings, and core-shell structural materials have been reported. The advantages, disadvantages, and the latest research progress of the above low infrared emissivity materials are introduced. Then, it is pointed out that theoretical studies of low infrared emissivity coatings, infrared and laser compatible stealth materials,resin/semiconductor composite coatings, and infrared spectrally selective low emissivity coatings are the key directions for future research.%低红外发射率材料是目前公认的可实现飞行器红外隐身的特种功能材料。
TiO2金属氧化物纳米复合结构中TiO2相变过程的研究
TiO2金属氧化物纳米复合结构中TiO2相变过程的研究二氧化钛有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型。
其中金红石和锐钛型TiO2应用较广泛。
因为金红石的型晶胞比锐钛型的优点更多，所以金红石型TiO2的应用比锐钛型TiO2更为广泛。
要实现TiO2彻底的相变, 通常需要较高的加热温度和较长的加热时间。
这就导致工业生产能耗大, 成本高。
为了降低能耗, 必须寻找降低TiO2相变温度的方法。
我们使用高压静电纺丝法来制备TiO2，并用微区共焦激光Raman、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征方式来对TiO2来进行相变研究。
以此来找到更好的TiO2相变方法。
第一章绪论在纳米尺寸上即10-10-10-7m的范围内对自然界事物的认识和改造被称之为纳米技术。
它是直接安排和操作分子与原子来得到全新的物质。
正因为如此随着纳米技术的发展，纳米材料也逐渐增多的产生。
纳米材料也因为具有小尺寸和大比表面积等物理效应，在新世纪的研究与应用上占据了自己的一席之地。
随着现代科学技术的发展，人类对能源的需求量越来越大，而矿物燃料的开采已有日趋枯竭之时，因而对新能源的开发和利用成为中所关注的重要课题[1]。
TiO2因其可见光透过率搞、高折射率和化学稳定性好等优良特性在光催化降解有机物、染料敏化太阳能电池以及防雾自清洁等方面展现出广阔的应用前景[2-4]。
除此以外，TiO2的纳米纤维比较容易制的，所以对TiO2的研究被广泛开展。
1.1关于纳米材料1.1.1纳米材料的物理效应任意小粒子进入纳米量级即1-100nm时，其就会具有纳米材料具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应与宏观量子隧道效应。
1）量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
因为量子尺寸效应，当能级间隙比热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量大的时候那么此物质纳米材料的光、电、声、热、磁的性质会与其在宏观状态下的特性有明显的不同。
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从图 1中可以看出, 2 随波长的变化很 小, 而 1 随波长的变化却非常明显, 只有这样, 公式 ( 2)在满足 1 + 2n2d = 0时, !的值才会达到最大, 从而出现金属自由电子的 表面等离子体 共振现 象. BaT iO 3 为介质载体, 取 nd = 2 3[ 11 ] , 共振吸收
于量子尺寸效应, 使得颗粒的介电常数与体材料
不一样, d 是基质材料的介电常数, 通常认为其
在可见光范围内为常数.
根据电偶极子近似 ( electric dipo le approx im a
t ion) 和 M ie共振理论, 得到材料的光吸收特性 [ 9 ]
! = 18∀n3d
(
p2 1 + 2n2d ) 2 +
根据 M ie散射理论, 研究了复合薄膜的光吸 收特性. 结果表明, 镶嵌不同的金属颗粒将在不同 的波段出现表面等离子体共振吸收峰, 峰位的变 化取决于金属颗粒的介电常数 和载体介质的折 射率 nd.
1 理论方法
对于金属纳米复合薄膜奇特的光吸收特性, 其吸收峰的出现主要来自于金属颗粒的表面等离
子体振荡效应 ( 金属自由电子在入射光作用下的 共振现象 ), 从而对某一波长产生共振吸收 [ 7] . 由 于强光作用, 使得在金属颗粒内产生局域电场, 从 而产生极化.
理论值
实验值
Au /BaT iO3 A g / BaT iO3
A u /S iO2 Co /ZnO
6 20
58 0[ 3 ]
5 12
450- 500[ 4]
5 25
540- 560[ 5]
4 00
420- 440[ 6]
第 1期
王艳敏, 等: 金属纳米颗粒复合薄膜的光吸收特性研究
17
3结 论
根据 M ie散射理论, 研究了镶嵌纳米金属颗 粒的复合薄膜的线性共振吸收特征. 结果表明, 金 属颗粒的介电常数和载体介质的折射率决定了复 合薄膜的共振吸收峰峰位. 理论计算结果与已报 道的实验结果基本吻合, 因此可以通过这种方法 预言目前实验还没有研究的金属纳米颗粒复合薄 膜体系的吸收峰位置.
2,
2
( 2)
这里 1 和 2 为金属颗粒介电常数 的实部和虚
收稿日期: 2007 05 20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 10704065); 山东省青年科学家奖励 基金资助项目 ( 2006BS01235) . 作者简介: 王艳敏 ( 1981 ), 女, 山东金乡人, 硕士研究生, 研究方向: 低维材料的制备及其非线性光学性质研究.
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图 2 不同金属的介电常数与波长的关系 F ig. 2 Perm ittiv ity of d ifferent m eta ls vs w aveleng th
在这里对几种复合薄膜吸收峰的理论值与实 验值进行了比较, 对于 B aT iO3 载体介质, 取 nd = 2. 3; 对 于 ZnO 载 体介 质, 取 nd = 1. 85[ 12] ; 对 于 S iO 2 载体介质, 取 nd = 1. 45[ 13] . 比较结果如表 1 所示, 从表中可以看出实验得到的吸收峰对应的 光波长与理论计算值基本吻合. 实验中, 不同的制 备方法和实验条件会导致金属颗粒的大小变化, 从而影响其介电常数, 使得实验观察结果有一个 范围, 另外, 不同制备方法得到的载体介质的折射 率也会有所不同, 这也会导致理论计算结果与实 验结果的差异.
峰应该出现在 = 620 nm 附近.
计算了 Co、T 、i A g、A u、N i的介电常数 1 与波 长的关系, 结果如图 2所示. 当在某种介质载体中
镶嵌这些金属的纳米颗粒形成复合薄膜, 只有满
足共振条件
1
+
2n
2 d
=
0时, 在其吸收谱中才有可
能观察到共振吸收峰, 否则就观察不到. 并且从图
第 21卷第 1期 2008年 1月
烟台大学学报 (自然科学与工程版 )
Journa l o f Y anta iU n ive rsity ( N atura l Sc ience and Eng ineering Ed ition)
文章编号: 1004 8820( 2008) 01 0015 03
化不大时, 复合薄膜的共振吸收峰峰位决定于金属介电常数的实部 1 和载体介质的折射
率 nd. 关键词: 复合薄膜; M ie散射理论; 共振吸收峰
中图分类号: O437
文献标识码: A
纳米复合薄膜是一类具有广泛应用前景的纳
米材料, 它主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁 方面的特异性能, 通过复合从而赋予基体所不具 备的性能. 金属纳米团簇复合薄膜是由纳米大小 的金属颗粒镶嵌在介质载体中形成的一种复合材 料. 由于微细金属颗粒的表面等离子体共振和局 域场增强效应, 使得这种薄膜表现出奇异的线性 和非线性光学效应 [ 1, 2] , 从 而成为一种颇 有吸引 力的光学功能材料. 研究表明, 不同性质的介质载 体和金属颗粒会使复合薄膜表现出不同的光学特
中可以直 观 地看 出, 不 同的 掺 杂 金属 (不 同 的
( ) )和不同的载体介质 (不同的 nd ) 都会影响
吸收峰的位置.
2 计算与分析
金属的 ( )可以通过其折 射率 n ( )和消 光系数 k ( )计算得到, 即 ( ) = [ n ( ) + ik ( ) ] 2. 一般载体介质的折射率 n ( )可以通过 相关的光学手册查到. 目前, 金属纳米颗粒复合薄 膜的研究中, 金属颗粒一般选择贵金属 ( Au, A g, Cu), 而 载体介质 一般选 择透 明性好 的氧化 物. BaT iO3 是 一 种 优 良 的 铁 电、介 电 材 料, 而 且 BaT iO3薄膜在可见光波段有较好的透明性, 目前 以 BaT iO3 为介质载体的复合薄膜的光学性质研 究备受关注 [ 3, 4] , 在这里不妨以 Cu / BaT iO 3 为例, 根据文献 [ 10] 报道的 n ( )和 k ( ), 计算了 Cu 在不同波长下的介电常数, 得到 1 与 2 跟光波 长的关系如图 1所示.
参考文献:
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