Quelles sont les propriétés particulières des nanofilms ?

2024-04-23

Les nanosciences et technologies sont une nouvelle science globale développée dans les années 1980. Il s'agit d'une discipline spécialisée dans l'étude des propriétés des objets dont les dimensions sont comprises entre 1 et 100 nm, et leur création a fait entrer la civilisation humaine dans une nouvelle ère, celle des nanotechnologies. Les nanomatériaux, dont les particules sont beaucoup plus petites que celles des matériaux traditionnels, possèdent de nombreuses propriétés uniques telles que l'effet de taille, l'effet de taille quantique, l'effet de surface, l'effet interfacial, l'effet tunnel quantique macroscopique et les propriétés photoélectrochimiques. Ces propriétés confèrent aux nanomatériaux de nombreuses propriétés uniques en matière de lumière, de magnétisme, de mécanique et d'autres aspects par rapport aux matériaux ordinaires, devenant ainsi un point chaud de la recherche dans la discipline des matériaux modernes.

Propriétés mécaniques des nanofilms

Les nanofilms ont été largement étudiés pour leurs propriétés mécaniques qui dépassent de loin celles des matériaux conventionnels, en particulier les effets de supermodulus et de superdureté des films minces sont devenus l'objet de recherche le plus important au cours des dernières années. Afin d'expliquer pleinement ces phénomènes particuliers, les chercheurs ont proposé la théorie de la conception des solides à haute résistance, l'effet électronique quantique, l'effet de déformation interfaciale et l'effet de contrainte interfaciale. La recherche sur les propriétés mécaniques des nanofilms porte sur les trois aspects suivants : dureté, friction, ténacité.

(1) Dureté : on étudie principalement la structure du film multicouche dans le rapport de composition et le cycle de modulation sur la dureté du film. Lorsque l'épaisseur du film bicouche est de 6 à 8 nm, la dureté maximale du film est d'environ 50 gpa, ce qui est bien supérieur à la dureté du film monocouche. La teneur en composants du film est également un facteur important affectant la dureté du film d'une composition à deux composants du film, si la teneur élevée en dureté du film, et vice versa, elle est faible. Par conséquent, les propriétés mécaniques générales d'un film supérieur se composent d'une dureté élevée et d'une bonne ténacité des composants.

(2) Ténacité : l'amélioration de la ténacité est proposée pour la structure multicouche, le mécanisme de ténacité est principalement l'arrachement de la feuille de la couche de passivation à la pointe de la fissure, la ramification de la fissure et la fissuration interfaciale le long de l'interface, etc. Le contenu relatif des composants du film et la longueur d'onde de modulation sont deux facteurs qui affectent la ténacité du film. Par exemple, pour le système métal/céramique, plus la teneur en phase métallique (ténacité) est élevée, meilleure est la ténacité du film, mais lorsque la teneur en phase métallique dépasse une certaine limite, la ténacité du film diminue, ce phénomène étant probablement dû aux résultats complexes de l'interaction interfaciale. En ce qui concerne la longueur d'onde de modulation, une réduction modérée peut augmenter la ténacité du film.

(3) Friction : la recherche sur les principes de la résistance à l'abrasion du film en est encore au stade exploratoire. Il a été constaté qu'une combinaison raisonnable de composants peut améliorer efficacement la résistance à l'usure du film. Il a été constaté que le film multicouche CuNi améliore considérablement la résistance à l'usure de l'acier pour roulements 52100. Lorsque la longueur d'onde de modulation du film est plus petite, sa résistance à l'usure est plus grande, ce qui s'explique par le fait que les dislocations de l'interface du film offrent une plus grande résistance au glissement. Par rapport aux matériaux traditionnels, le film multicouche présente des grains plus petits, des joints de grains plus longs et des défauts de réseau plus nombreux, ce qui rend le glissement plus difficile. En outre, il existe une différence d'énergie de dislocation entre les couches de film de différents matériaux, ce qui rend la déformation plastique plus difficile.

Propriétés électriques des nanofilms

Avec le développement continu de l'industrie microélectronique, la miniaturisation des composants électroniques est également de plus en plus exigeante. Les nanofilms, en raison de leur taille et de leurs performances particulières, sont largement utilisés dans la technologie d'interconnexion des informations électroniques, la technologie de câblage, la couche barrière de diffusion, la technologie d'emballage électronique et d'autres aspects. Les propriétés électriques de certains matériaux conducteurs couramment utilisés (par exemple les métaux) changent radicalement lorsque leur taille est soudainement réduite à l'échelle nanométrique. Certains chercheurs ont détecté des anomalies de résistance dans des films de particules Au/AL2O3 et ont trouvé le schéma particulier suivant : la résistance augmente linéairement et fortement avec l'augmentation de la teneur en particules Au. Des membranes de silicium (Si) nanocristallin ont été préparées par PECVD et se sont avérées avoir une conductivité électrique beaucoup plus élevée (102 S-cm) que dans leur état normal (10″S-cm). Cette expérience démontre la relation entre la conductivité du matériau et la taille critique des particules : lorsque les particules du matériau > taille critique, il conservera les propriétés électriques conventionnelles, et lorsque les particules du matériau < taille critique, il perdra les propriétés électriques intrinsèques du matériau.

Propriétés magnétiques des nanofilms

Certains matériaux en couches minces ont également fait l'objet d'une grande attention en raison de leurs propriétés magnétiques particulières, et le couplage entre couches, l'aimantation perpendiculaire, l'effet de magnétorésistance géante, l'anomalie de l'effet magnéto-optique et d'autres phénomènes ont été découverts jusqu'à présent. Dans les années 1980, l'effet de magnétorésistance géante a été découvert dans un film multicouche Fe/Cr : la résistivité du matériau lui-même est modifiée en raison du changement de l'état d'aimantation du matériau. Dans les années 1990, l'effet de magnétorésistance a été observé dans des films de particules de Co/Cu et, depuis lors, dans des nanosolides préparés par trempe en phase liquide et alliage mécanique. L'objectif principal de cet effet est de réduire le magnétisme de saturation et d'augmenter la sensibilité aux champs faibles. Au stade actuel, deux méthodes sont probablement choisies pour y parvenir : premièrement, l'utilisation de matériaux en couches minces avec une structure spin-valve (Spin Value) ; deuxièmement, la formation de failles entre les couches par un certain degré de recuit pour créer un couplage magnétique statique entre les couches de moments dipolaires. Tel que Ta (100A)/Ag (20A)/[NiFe (20A)/Ag (40A)]4NiFe (20A)/Ta (40A)/Si0, (700A)/Si après 315 ℃ dans le film (5%H2 +95%Ar) après le recuit GMR (GradientMotionRefocussing). Refocussing) a atteint 4%~6% la sensibilité au champ magnétique a augmenté. Les matériaux d'enregistrement magnétique constituent également un axe de recherche pour les matériaux en couches minces. Pour garantir une densité de stockage élevée, les matériaux d'enregistrement magnétique doivent présenter une bonne anisotropie. La littérature pertinente a proposé une valeur de K'V/kT supérieure à 50 (où K est la propriété anisotrope, V est le volume d'inversion magnétique, k est la constante de Boltzmann et T est la température). Nos recherches actuelles ont révélé l'excellente anisotropie du FePt (environ 15 fois celle des matériaux conventionnels).

Propriétés optiques des nanofilms

Les matériaux sous forme de nanofilms ont également attiré l'attention des chercheurs en raison de leurs propriétés optiques particulières. Les superparticules TiO2/SnO2 et leurs films LB composites préparés par PCVD ont des spectres d'absorption UV-Vis particuliers. L'effet quantique propre à ce film composite provoque un "décalage vers le bleu" dans le spectre d'absorption LB, ce qui se traduit par une bonne résistance aux UV et une bonne transmission optique.Le film de particules à l'échelle nanométrique composé d'éléments du groupe II-VI (CdSxSe1-x) et III-V (CaAs) subit un élargissement optique et un décalage vers le bleu au cours de l'expérience. et un décalage vers le bleu. En outre, les films de particules d'éléments du groupe I-V (CdSSe1-) ont subi un blanchiment photo-induit dans les expériences, qui a été attribué au changement de l'intensité des bandes d'absorption sous irradiation lumineuse d'une certaine longueur d'onde. En tant que nouveau matériau semi-conducteur direct avec une grande bande interdite (3,37 eV) et une énergie de liaison des excitons élevée (60 meV), le ZnO est devenu un nouveau point chaud dans le domaine des matériaux fonctionnels optiques à courte longueur d'onde.

HuipingLu et al. ont préparé des films minces de Zn0 par dépôt laser pulsé et ont étudié les effets des pressions partielles d'azote et d'oxygène sur la microstructure, la morphologie et les propriétés optiques des films. Les effets linéaires et non linéaires de la lumière constituent également un point chaud plus important, et les matériaux en couches minces, en raison de leurs propriétés, ont également une certaine valeur dans cette recherche. Effet optique linéaire : qualité du champ d'ondes lumineuses, lorsque l'intensité lumineuse est faible, l'électrode du milieu est proportionnelle au champ électrique de l'onde lumineuse du phénomène du côté primaire. Lorsque la taille des matériaux en couches minces est suffisamment petite (inférieure au rayon de Bohr de l'exciton aB), des pics d'absorption d'exciton apparaissent au cours de l'expérience. Par exemple, les pics d'absorption des excitons peuvent être facilement obtenus en contrôlant l'épaisseur du film des structures multicouches InGaAs et InGaAIAs. Les non-linéarités optiques sont les termes de l'intensité de polarisation d'un milieu qui sont proportionnels à la deuxième, troisième ou même plus grande puissance du champ électromagnétique appliqué sous l'action d'un champ lumineux intense. Dans le cas des matériaux en couches minces, l'effet de taille quantique est la principale cause de non-linéarité optique. Il a été constaté que les courbes de balayage Z des films de particules de Ge montrent une augmentation non linéaire de l'intensité d'absorption de l'échantillon le long de l'axe de symétrie de la courbe où se trouve le point focal. Étant donné que l'intensité lumineuse par unité de surface au point focal est la plus élevée, le coefficient d'absorption au point focal est également le plus élevé, avec un coefficient d'absorption non linéaire de (β~ 0,82 cm /W), ce qui constitue une réponse optique non linéaire du troisième ordre.

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