ナノフィルムの特別な特性とは？

2024-04-23

ナノ科学技術は、1980年代頃から発展した新しい総合科学で、1〜100nmの大きさの物体の特性を専門に研究する学問分野であり、その誕生によって人類文明は新しい時代、ナノテクノロジーの時代に突入した。従来の材料よりもはるかに小さな粒子を持つナノ材料は、小サイズ効果、量子サイズ効果、表面効果、界面効果、巨視的量子トンネル効果、光電気化学特性など、多くのユニークな特性を持っている。これらの特性により、ナノ材料は、光、磁性、力学などにおいて、通常の材料と比較して多くのユニークな性質を持ち、現代材料学における研究のホットスポットとなっている。

ナノ薄膜の機械的特性

ナノ薄膜は、従来の材料を遥かに凌駕する機械的特性について広く研究されており、特に薄膜の超弾性効果や超硬度効果は、ここ数年で最も重要な研究対象となっている。これらの特殊な現象を完全に説明するために、研究者たちは高強度固体の設計理論、量子電子効果、界面ひずみ効果、界面応力効果などを提唱してきた。ナノ薄膜の機械的特性に関する研究には、硬度、摩擦、靭性という3つの側面がある。

(1)硬度：主にフィルムの硬度に関する組成比と変調周期における多層フィルム構造を研究する。2単層フィルムの厚さが6~8nmの場合、フィルムの最大硬度は約50Gpaとなり、単体フィルムの硬度をはるかに超える。フィルムの成分含有量も二成分組成フィルムの硬度に影響を与える重要な要因であり、硬いフィルムの硬度が高い場合、その逆は低い。したがって、優れたフィルムの一般的な機械的特性は、成分の高い硬度と良好な靭性で構成されています。

(2)靭性：靭性向上は多層構造で提案されており、靭性向上メカニズムは主にクラック先端のパッシベーション層シートの引き抜き、クラックの分岐、界面に沿った界面クラックなどであり、ナノ多層膜にも同様の靭性向上メカニズムが存在する。膜中の成分の相対含有量と変調波長は、膜の靭性に影響を与える2つの要因である。例えば、金属／セラミック系の場合、金属相（靭性）の含有量が多いほど膜の靭性は向上するが、金属相の含有量がある限度を超えると膜の靭性は低下する。この現象は、界面相互作用の複雑な結果によるものと考えられる。変調波長に関しては、適度に減少させることで膜の靭性を向上させることができる。

(3)摩擦：フィルムの耐摩耗性に関する原理的な研究は、まだ探究段階にある。合理的な成分の組み合わせにより、皮膜の耐摩耗性を効果的に向上させることができることがわかっている。それはCuNiの多層膜が52100軸受け鋼鉄の耐久性を非常に改善することが分った、フィルムの調節波長がより小さい摩耗抵抗がより大きいとき、これはフィルムのフィルムのインターフェイス転位のためであるより多くのスリップ抵抗。穀物のための従来の材料に対する多層膜はより小さい、より長い穀物の境界、格子欠陥である従ってスリップに導くことは容易でない。さらに、塑性変形をより困難にする異なる材料のフィルム層間の転位エネルギー差がある。

ナノ薄膜の電気的特性

マイクロエレクトロニクス産業の継続的な発展に伴い、電子部品の小型化もますます要求されるようになり、ナノフィルムはその特殊なサイズと性能から、電子情報相互接続技術、配線技術、拡散バリア層、電子パッケージング技術などに広く使用されている。一般的に使用されている導体材料（金属など）の電気的特性は、そのサイズが突然ナノスケールに縮小されると劇的に変化する。いくつかの研究者は、Au/AL2O3粒子膜の抵抗異常を検出し、次のような特殊なパターンを発見した：抵抗は、Au粒子の含有量の増加とともに直線的かつ急激に増加する。ナノ結晶シリコン（Si）膜をPECVD法で作製し、通常の状態（10″S-cm）よりもはるかに高い電気伝導度（102S-cm）を持つことを発見した。この実験は、材料の導電率と粒子の臨界サイズとの関係を示している。材料粒子が臨界サイズより大きい場合は、従来の電気特性を維持し、材料粒子が臨界サイズより小さい場合は、材料固有の電気特性が失われる。

ナノ薄膜の磁気特性

薄膜材料の中にも特殊な磁気特性を持つものがあり、層間結合、垂直磁化、巨大磁気抵抗効果、光磁気効果異常などの現象がこれまでに見つかっている。1980年代には、Fe/Cr多層膜において、材料の磁化状態の変化によって材料自体の抵抗率が変化する巨大磁気抵抗効果が発見された。1990年代には、Co/Cu微粒子膜で磁気抵抗効果が観察され、それ以来、液相急冷やメカニカルアロイングによって調製されたナノ固体で発見されている。この効果の主な目的は、飽和磁性を低下させ、低磁場での感度を高めることである。現段階では、これを達成するために2つの方法が選択されていると思われる。1つ目は、スピンバルブ構造（スピンバリュー）を持つ薄膜材料の使用、2つ目は、ある程度のアニールによって層間断層を形成し、双極子モーメントの層間に静的磁気結合を生じさせる方法である。例えば、Ta（100A）/Ag（20A）/[NiFe（20A）/Ag（40A）]4NiFe（20A）/Ta（40A）/Si0、（700A）/Siのように、GMR（GradientMotionRefocussing）アニール後の（5%H2 +95%Ar）膜の315℃後。Refocussing）が4%~6%に達し、磁場感度が向上した。磁気記録材料はまた、薄膜材料の研究の焦点である、磁気記録材料は、その高いストレージ密度を確保するために、良好な異方性を持っている必要があります。関連文献では、K'V/kTが50以上（Kは異方性、Vは磁気反転体積、kはボルツマン定数、Tは温度）であることが提案されている。現在の研究では、FePtの優れた異方性（従来材料の約15倍）が見出されている。

ナノ薄膜の光学特性

ナノ薄膜材料もまた、光学におけるその特殊な特性から研究者の注目を集めている。PCVD法で作製されたTiO2/SnO2超微粒子とその複合LB膜は、特殊な紫外可視吸収スペクトルを持つ。II-VI族（CdSxSe1-x）とIII-V族（CaAs）の元素からなるナノスケール微粒子膜は、実験中に光学的ブロードニングとブルーシフトを起こす。とブルーシフトを起こす。また、I-V族元素の粒子膜(CdSSe1-)は、実験中に光誘起ブリーチングを起こしたが、これはある波長の光照射により吸収帯の強度が変化したためと考えられる。大きなバンドギャップ（3.37eV）と高い励起子結合エネルギー（60meV）を持つ新しい直接半導体材料として、ZnOは短波長光機能材料の分野で新たなホットスポットとなっている。

HuipingLuらは、パルスレーザー蒸着によってZn0薄膜を作製し、窒素分圧と酸素分圧が薄膜の微細構造、形態、光学特性に及ぼす影響を調べた。光の線形および非線形効果もまた、より顕著なホットスポットであり、その特性のために薄膜材料もまた、この研究において一定の価値がある。光の線形効果：光の強度が弱い場合、光波の場の質は、媒体の電極は、光波の電界現象のプライマリに比例している。薄膜材料のサイズが十分に小さい場合（励起子ボーア半径aBより小さい）、実験中に励起子吸収ピークが現れる。例えば、InGaAsやInGaAIAs多層膜構造の膜厚を制御することにより、励起子吸収ピークを容易に得ることができる。光学非線形性とは、強い光場の作用下で、印加された電磁場の2乗、3乗、あるいはそれ以上の乗に比例する媒質の偏光強度の項である。薄膜材料の場合、量子サイズ効果が光学的非線形性の主な原因である。Ge粒子膜のZスキャン曲線は、焦点の位置する曲線の対称軸に沿って試料の吸収強度が非線形に増強されることが見出されている。焦点位置の単位面積あたりの光強度が最も大きいため、焦点位置の吸収係数も最も大きくなり、非線形吸収係数は(β~ 0.82 cm /W)となり、3次の光学非線形応答となる。

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