나노 필름의 특별한 특성은 무엇인가요?

2024-04-23

나노 과학기술은 1980년대부터 발전한 새로운 종합 과학으로, 1~100nm 크기의 물체의 특성을 전문적으로 연구하는 학문이며, 그 탄생으로 인류 문명은 새로운 시대인 나노 기술 시대로 접어들었습니다. 기존 물질보다 입자가 훨씬 작은 나노물질은 작은 크기 효과, 양자 크기 효과, 표면 효과, 계면 효과, 거시적 양자 터널링 효과, 광전기 화학적 특성 등 많은 독특한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 나노 소재는 일반 소재에 비해 빛, 자기, 역학 및 기타 측면에서 많은 독특한 특성을 가지고 있어 현대 재료 분야에서 가장 주목받는 연구 분야가 되었습니다.

나노 필름의 기계적 특성

나노 필름은 기존 소재를 훨씬 뛰어넘는 기계적 특성으로 널리 연구되어 왔으며, 특히 박막의 초탄성 및 초경도 효과는 지난 몇 년 동안 가장 중요한 연구 분야가 되었습니다. 이러한 특수 현상을 완전히 설명하기 위해 연구자들은 고강도 고체, 양자 전자 효과, 계면 변형 효과, 계면 응력 효과의 설계 이론을 제안했습니다. 나노 필름의 기계적 특성 연구에는 경도, 마찰, 인성의 세 가지 측면이 있습니다.

(1) 경도 : 주로 필름의 경도에 대한 조성 비율 및 변조주기에서 다층 필름 구조를 연구합니다. 필름의 최대 경도가 약 50Gpa 일 때 6 ~ 8nm의 두 단층 필름의 두께를 얻을 수 있으며, 이는 단일 물질 필름의 경도를 훨씬 뛰어 넘습니다. 필름의 성분 함량은 또한 필름의 2 성분 구성의 필름 경도에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 경질 필름 경도의 함량이 높으면 그 반대의 경우 필름 경도가 낮습니다. 따라서 우수한 필름의 일반적인 기계적 특성은 구성 요소의 높은 경도와 우수한 인성으로 구성됩니다.

(2) 인성 : 인성 개선은 다층 구조에 대해 제안되며, 인성 메커니즘은 주로 나노 다층 필름에서 균열 팁 패시베이션 층 시트 풀 아웃, 균열 분기 및 계면을 따라 계면 균열 등이며 유사한 인성 메커니즘에도 존재합니다. 필름 내 성분의 상대적 함량과 변조 파장은 필름의 인성에 영향을 미치는 두 가지 요소입니다. 예를 들어, 금속 / 세라믹 시스템의 경우 금속 상 (인성) 함량이 많을수록 필름의 인성이 향상되지만 금속 상 함량이 특정 한계를 초과하면 필름의 인성이 감소하며이 현상은 아마도 계면 상호 작용의 복잡한 결과 때문일 수 있습니다. 변조 파장의 경우 적당히 감소하면 필름의 인성이 증가 할 수 있습니다.

(3) 마찰: 필름 내마모성에 대한 주요 연구는 아직 탐색 단계에 있습니다. 구성 요소의 합리적인 조합이 필름의 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있음이 밝혀졌습니다. CuNi 다층 필름은 52100 베어링 강의 내마모성을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 필름의 변조 파장이 작을수록 내마모성이 커지면 필름의 필름 인터페이스 전위가 더 미끄럼 저항이 있기 때문입니다. 입자에 대한 기존 재료에 비해 다층 필름은 입자가 작고 입자 경계가 길며 격자 결함이 더 많으므로 슬립이 쉽지 않습니다. 또한 서로 다른 재료의 필름 층 사이에 전위 에너지 차이가 있어 소성 변형이 더 어렵습니다.

나노 필름의 전기적 특성

마이크로 전자 산업의 지속적인 발전으로 전자 부품의 소형화가 점점 더 까다로워지면서 나노 필름은 특별한 크기와 성능으로 인해 전자 정보 상호 연결 기술, 배선 기술, 확산 장벽 층 및 전자 패키징 기술 및 기타 측면에서 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 사용되는 일부 도체 재료(예: 금속)의 전기적 특성은 크기가 갑자기 나노 크기로 줄어들면 극적으로 변합니다. 일부 연구자들은 Au/AL2O3 입자 필름에서 저항 이상을 감지하고 다음과 같은 특별한 패턴을 발견했습니다: 저항은 Au 입자 함량이 증가함에 따라 선형적이고 급격하게 증가합니다. 나노 결정 실리콘(Si) 멤브레인을 PECVD로 제조한 결과, 정상 상태(10″S-cm)보다 훨씬 높은 전기 전도도(102S-cm)를 갖는 것으로 나타났습니다. 이 실험은 재료의 전도도와 입자의 임계 크기 사이의 관계를 보여줍니다. 재료 입자가 임계 크기를 초과하면 기존의 전기적 특성을 유지하고, 재료 입자가 임계 크기 미만이면 재료 고유의 전기적 특성을 잃게 됩니다.

나노 필름의 자기적 특성

일부 박막 재료는 특수한 자기 특성으로 인해 널리 관심을 받아 왔으며 지금까지 층간 결합, 수직 자화, 거대 자기 저항 효과, 자기 광학 효과 이상 및 기타 현상이 발견되었습니다. 1980년대에 Fe/Cr 다층 필름에서 거대 자기저항 효과가 발견되었는데, 이는 재료의 자화 상태 변화에 따라 재료 자체의 저항이 변화하는 현상입니다. 1990년대에는 Co/Cu 미립자 필름에서 자기저항 효과가 관찰되었으며, 이후 액상 담금질 및 기계적 합금으로 제조된 나노 고체에서 이 효과가 발견되었습니다. 이 효과의 주요 목적은 포화 자성을 줄이고 낮은 필드에서 감도를 높이는 것입니다. 현재 단계에서는 이를 달성하기 위해 두 가지 방법이 선택될 수 있습니다. 첫째, 스핀 밸브 구조 (스핀 값)를 가진 박막 재료의 사용; 둘째, 다이폴 모멘트 층 사이에 정적 자기 결합을 생성하기 위해 어느 정도의 어닐링을 통해 층간 결함을 형성하는 것입니다. 예를 들어, (5%H2 +95%Ar) 필름에서 315 ℃ 후 Ta (100A)/Ag (20A)/[NiFe (20A)/Ag (40A)]4NiFe (20A)/Ta (40A)/Si0, (700A)/Si와 같이 GMR (GradientMotionRefocussing) 어닐링 후 (5%H2 +95%Ar). 리포커싱)에서 4%~6% 자기장 감도가 증가했습니다. 자기 기록 재료는 또한 박막 재료의 연구 초점이며, 자기 기록 재료는 높은 저장 밀도를 보장하기 위해 좋은 이방성을 가져야합니다. 관련 문헌에서는 K'V/kT가 50보다 큰 값을 제안했습니다(여기서 K는 이방성 특성, V는 자기 반전 체적, k는 볼츠만 상수, T는 온도). 현재 연구에 따르면 FePt의 이방성은 기존 소재의 약 15배에 달하는 우수한 이방성을 가지고 있습니다.

나노 필름의 광학적 특성

나노 필름 재료는 광학 분야의 특별한 특성으로 인해 연구자들의 주목을 받고 있습니다. PCVD로 제조된 TiO2/SnO2 초입자 및 이들의 복합 LB 필름은 특별한 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 가지고 있습니다. 이 복합 필름 고유의 양자 효과는 LB 흡수 스펙트럼에서 "블루 시프트"를 유발하여 우수한 자외선 저항과 광학 투과율을 제공하며, II-VI 그룹 (CdSxSe1-x) 및 III-V (CaAs) 원소로 구성된 나노 크기의 입자 필름은 실험 과정에서 광학 확장 및 블루 시프트를 거칩니다. 그리고 블루 시프트. 또한, 실험에서 I-V족 원소(CdSSe1-)의 입자막은 특정 파장의 빛 조사에 따른 흡수 대역의 강도 변화로 인해 광유도 표백이 발생했습니다. 큰 밴드갭(3.37 eV)과 높은 엑시톤 결합 에너지(60 meV)를 가진 새로운 직접 반도체 소재인 ZnO는 단파장 광학 기능성 소재 분야에서 새로운 핫스팟으로 떠오르고 있습니다.

HuipingLu 등은 펄스 레이저 증착으로 Zn0 박막을 제조하고 질소 및 산소 분압이 박막의 미세 구조, 형태 및 광학적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 빛의 선형 및 비선형 효과는 또한 더 두드러진 핫스팟이며, 박막 재료는 그 특성으로 인해 이 연구에서 어느 정도 가치가 있습니다. 광학 선형 효과 : 광파장의 품질, 광 강도가 약할 때 매체의 전극은 1 차측 현상의 광파 전기장에 비례합니다. 박막 재료의 크기가 충분히 작으면(엑시톤 보어 반경 aB보다 작으면) 실험 중에 엑시톤 흡수 피크가 나타납니다. 예를 들어, 엑시톤 흡수 피크는 InGaAs 및 InGaAIA 다층 구조의 박막 두께를 제어하여 쉽게 달성할 수 있습니다. 광학 비선형성은 강한 광장의 작용 하에서 적용된 전자기장의 두 번째, 세 번째 또는 그 이상의 거듭제곱에 비례하는 매체의 편광 강도를 나타내는 용어입니다. 박막 재료의 경우 양자 크기 효과가 광학 비선형성의 주요 원인입니다. Ge 입자 필름의 Z- 스캔 곡선은 초점이 위치한 곡선의 대칭 축을 따라 샘플의 흡수 강도가 비선형적으로 향상되는 것으로 나타났습니다. 초점에서 단위 면적당 빛의 세기가 가장 크기 때문에 초점의 흡수 계수도 가장 크며, 비선형 흡수 계수는 3차 광학 비선형 응답인 (β~ 0.82 cm /W)입니다.

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