纳米薄膜材料.docVIP

PAGE PAGE 5 纳米薄膜材料 引言： 随着社会生产的发展，仅以强度为主要功能的结构材料越来越不能满足人们的需要，而功能材料的出现弥补了这一不足。功能材料是指除强度外，以其他功能（电、磁、声、光、热等）为主要功能的材料的总称。即为满足某些特定的物理和化学性能要求而制造的材料，就是功能材料。如，电功能材料，磁功能材料，光功能材料，超导材料，储氢材料，形状记忆合金，非晶材料、纳米材料和生物医学材料等等。 纳米材料作为功能材料的一种，较其他材料其具有更为优异的物理化学特性及发展潜力，正在不断的吸引着世界的目光。而且随着电子工业的迅速崛起，使得纳米薄膜材料和技术变得越来越重要，特别在集成电路微型化和微电子方面。 一 纳米材料 1 定义及分类 从狭义上，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。按维数，纳米材料的基本单元一般分为三类： eq \o\ac(○,1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等； eq \o\ac(○,2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等； eq \o\ac(○,3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如薄膜，超晶格等。 2 纳米粒子的特性 （1）小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，电子被局域在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程很短，能级产生分裂，这使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能发生新奇的改变。如金属纳米材料的电阻随尺寸的下降而增大；金属熔点明显降低；10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm矫顽力变为零，表现为顺磁性等。 （2）表面效应 纳米材料由于其组成材料的纳米粒子尺寸小，微粒表面所占的原子数目大大增加。例如，当粒子粒径从100nm减小到1nm，其表面原子占粒子中原子总数从20%增加到99%。庞大的比表面，使得键态严重失配。高表面积带来高表面能，使粒子表面原子极其活跃，导致纳米体系的化学性质发生很大变化。如提高催化效率、吸波材料的吸波率等。 （3）量子尺寸效应 在纳米材料中，微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应。这一现象的出现使纳米银与普通银的性质完全不同，普通银为良导体，而纳米银在粒径小于时却是绝缘体。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具备贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来，人们发现一此宏观量，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。这一效应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，也限定了采用磁带磁盘进行信息存储的最短时间。用这一概念可以定性解释纳米Ni晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。 纳米粒子除了具有以上特性外，还具有库仑堵塞与量子隧穿效应，介电限域效应等。而纳米材料由于其组成粒子具有以上各种常规组成单元所不具备的各种效应，使得纳米材料成数量级变化各种性能指标，如导电材料的电导率，磁学材料的磁化率和生物材料的降解速度等。纳米材料的出现，使功能材料的发展更加迅速，高精度、高效能的功能材料层出不穷。 二 纳米薄膜 1 定义 纳米薄膜简称薄膜（厚度小于1μm）是指由尺寸在纳米量级的颗粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合膜（如Ge/SiO2,将Ge镶嵌于SiO2薄膜中），以及每层厚度均在纳米量级的单层或多层膜。其性能强烈依赖于颗粒尺寸、膜的厚度、表面粗糙及膜层结构。与普通薄膜（一般称为厚膜，厚度大于1μm）相比，纳米薄膜具有很多独特的性能，如巨磁阻效应、巨霍尔效应、可见光发射等。例如，研究人员发现在SiO2-Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象，当金颗粒的体积百分比达到某临界值时，电导增加了14个数量级。 2 分类 按纳米薄膜的应用性能，纳米薄膜大致可分为以下几种：纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜、纳米多孔膜以及LB膜和分子自组装膜等。下面对几种功能薄膜作一简单介绍。 （1）纳米磁性薄膜 由于晶体结构的有序和磁性体的形状效应，磁性材料的内能一般与其内部的磁化方向有关，会造成磁各向异性。与三维体材料不同，薄膜材料存在单轴磁各向异性，只有薄膜内的某个方向易于磁化，因此被成功地应用于磁记录介质。一般薄膜材料是平面磁化的，而纳米磁性薄膜由于厚度很薄，只有薄膜的法线方向易于磁化，即具有垂直磁化性质。因此纳米磁性薄膜可以消弱传统磁记录介质中信息存储密度受到其自身磁效应的限制，加上其具有