纳米薄膜有哪些特殊性能？

2024-04-23

纳米科学和技术是从20世纪80年代左右开始发展起来的一门新的综合性科学它是一门专门研究维度尺寸在1~100nm的物体性质的学科，它的创立使得人类文明进入了一个新纪元–纳米技术时代。颗粒比传统材料小得多的纳米材料拥有许多独特的性能例如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、界面效应、宏观量子隧道效应和光电化学性能等。这些性能使得纳米材料与普通的材料相比在光、磁、力学等方面有着许多独特的性能从而成为了现代材料学科的研究热点。

纳米薄膜的力学性能

纳米薄膜以其远超常规材料的力学性能而得到了广泛的研究,特别是薄膜的超模量、超硬度效应成为这几年研究的重中之重。其中为了充分的解释这些特殊现象研究人员又提出了高强度固体的设计理论，量子电子效应、界面应变效应、界面应力效应。就纳米薄膜力学性能的研究大致有下面三个方面:硬度、摩擦性、韧性。

(1)硬度:主要研究多层膜结构中成分比与调制周期对薄膜硬度的影响。当两种单层膜的厚度在 6~8nm 时可以得到薄膜的最高硬度约为50Gpa，这远远超越单种物质薄膜的硬度。薄膜中的组元成分含量相对比也是影响薄膜硬度一个重要因素之一,对一个两组元组成的薄膜来说，如果硬质的含量高的话则薄膜硬度就高，反之就低。所以一般力学性能优越的薄膜是由硬度高和韧性好的组元构成。

(2)韧性:韧性的改善是针对多层结构提出的,其增韧机制主要是裂纹尖端钝化层片拔出、裂纹分支、和沿界面的界面开裂等,在纳米多层膜中也存在类似的增韧机制。薄膜中成分的相对含量与调制波长是影响薄膜韧性的两个因素。列如对于金属/陶瓷组成的体系中，金属相(韧性好)的含量越多，薄膜的韧性就越好，但当金属相含量超过一定的限度时，薄膜的韧性反而会下降，这种现象产生的原因大概是界面作用所造成的复杂结果。而对于调制波长来说，适量的减小可以增大薄膜的韧性。

(3)摩擦性:针对薄膜耐磨性的原理研究目前还处在探索阶段。目前已发现合理的组元搭配可以有效的改善薄膜的耐磨性。有研究发现CuNi多层膜会大大提高52100 轴承钢的耐磨性，当薄膜的调制波长越小其耐磨性越大，这是因为薄膜的膜层界面上的位错较多滑移阻力较大。多层膜相对于传统材料来说晶粒较小、晶界较长、晶格缺陷较多从而导致滑移的不易。而且不同物质膜层之间具有位错能差，这会使塑性变形的难度增加。

纳米薄膜的电学性能

随着微电子行业的不断发展，对于电子原配件的微型化要求也越来越高,纳米薄膜因为其特殊的尺寸大小与性能而被广泛的用于电子信息互联技术、布线技术的扩散阻挡层以及电子封装技术等方面。一些常用的导体材料(比如金属)的尺寸如果突然降到纳米级尺寸的时候，其所拥有的电学性能也会发生巨大的变化。有研究者就曾在 Au/AL2O3的颗粒膜上探测到了电阻反常现象并发现了如下特殊规律:随 Au 颗粒含量的增加，电阻线性急剧增加。用PECVD技术制备纳米晶硅(Si)膜并发现纳米量级的 Si 膜的电导率(102S·cm)远远高于其常规态下的电导率(10″S·cm)。这个实验证明了材料的导电性与颗粒临界尺寸的关系:当材料颗粒>临界尺寸，将保留常规电学性能，当材料颗粒<临界尺寸，它就会丢失材料本征电性能。

纳米薄膜的磁学性能

部分薄膜材料也因其所具有的特殊磁学特性而被广为关注,目前而言已经发现了层间耦合、垂直磁化、巨磁阻效应、磁光效应反常等现象。上世纪八十年代在 Fe/Cr 多层膜发现了巨磁电阻效应:材料本身的电阻率将会因为材料磁化状态的变化而改变的现象。上世纪九十年代在 Co/Cu颗粒膜中观察到巨磁电阻效应,此后又相继在液相快淬工艺以及机械合金化等方法制备的纳米固体中发现了这种效应。这种效应主要是为了降低饱和磁性以及在低场的状态下提高灵敏度。目前阶段大概选取两种方法来实现:一，采用自旋阀结构(Spin Value)的薄膜材料;二，通过一定程度的退火使薄膜形成间断层从而使层间产生偶极矩的静磁耦合。如 Ta(100A)/Ag(20A)/[NiFe(20A)/Ag(40A)]4NiFe(20A)/Ta(40A)/Si0,(700A)/Si 经过 315℃在(5%H2+95%Ar)薄膜经过退火后 GMR(GradientMotion Refocussing)达到 4%~6%磁场灵敏度提高。磁记录材料目前也是薄膜材料的一个研究重点，磁记录材料为了保证自身的高储存密度必须具有良好的各向异性。相关文献提出了 K’V/kT的值大于 50(其中K是各向异性能，V是磁反转体积，k是波尔茨曼常数，T是温度)。我国目前研究发现FePt其优秀的各向异性(约是常规材料的 15 倍)。

纳米薄膜的光学性能

纳米薄膜材料也因其在光学方面的特殊性能而得到研究者的关注。利用PCVD法制备的 TiO2/SnO2超颗粒及其复合 LB 膜具有特殊的紫外-可见光吸收光谱。这种复合薄膜特有的量子效应会使 LB 吸收的光谱“蓝移”，从而使其用有良好的抗紫外线性能和光学透过性。II-VI族的元素(CdSxSe1-x)与III-V族的元(CaAs)构成的纳米级颗粒膜在实验过程中发生了光的宽化和蓝移。并且I-V族的元素(CdSSe1-)的颗粒膜在实验中光发生了“褪色”，这出现的原因是因为在一定波长的光照射下,吸收带强度会发生变化(photoinduced bleaching)。作为一个新型的拥有大带隙(口3.37eV)和高的激子東缚能(60meV口)的直接半导体材料，ZnO已经成为在短波长光功能材料领域的一个新热点。

HuipingLu等通过脉冲激光沉积制备了Zn0 薄膜并研究了氮分压和氧分压对薄膜微观结构、形貌和光学性质的影响。光的线性与非线性效应也是目前一个较为突出的热点，而薄膜材料因为其特性也在这一研究方面有一定价值。光学线性效应:质在光波场作用下，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。薄膜材料的尺寸小到一定程度的时候(小于激子玻尔半径 aB)就会在实验过程中出现激子吸收峰。比如通过控制 InGaAs 和InGaAIAs 多层膜结构的膜厚就可以轻松的实现激子吸收峰现象的发生。光学非线性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、三次乃至高次方成比例的项。对于薄膜材料来说，自身所具有的量子尺寸效应就是光学非线性产生的主要原因。研究发现，Ge 颗粒膜的Z扫描曲线显示样品的吸收强度沿着焦点所在的曲线对称轴非线性增强。因为焦点的单位面积上的光强最大所以焦点的吸收系数也最大，非线性吸收系数为(β~ 0.82cm /W)，是三阶光学非线性响应。

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