細(xì)談納米薄膜材料的特性

納米薄膜具有納米結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，目前可以分為兩類：

①含有納米顆粒與原子團(tuán)簇—基質(zhì)薄膜；

②納米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近電子自由程和德拜長(zhǎng)度（約10～100nm），可以利用其顯著的量子特性和統(tǒng)計(jì)特性組裝成新型功能器件。例如，鑲嵌有原子團(tuán)的功能薄膜會(huì)在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于太原子—超原子膜材料具有三維特征；納米厚度的信息存儲(chǔ)薄膜具有超高密度功能，這類集成器件具有驚人的信息處理能力；納米磁性多層膜具有典型的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度的減小或增強(qiáng)。對(duì)這些問題的系統(tǒng)研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。

納米薄膜是一類具有廣泛應(yīng)用前景的新材料，按用途可以分為兩大類，即納米功能薄膜和納米結(jié)構(gòu)薄膜。前者主要是利用納米粒子所具有的光，電、磁方面的特性，通過復(fù)合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。后者主要是通過納米粒子復(fù)合，提高材料在機(jī)械方面的性能。由于納米粒子的組成、性能、工藝條件等參量的變化都對(duì)復(fù)合薄膜的特性有顯著影響，因此可以在較多自由度的情況人為地控制納米復(fù)合薄膜的特性，獲得滿足需要的材料。

納米多層膜指由一種或幾種金屬或合金交替沉積而形成的組分或結(jié)構(gòu)交替變化的合余薄膜材料，且各層金屬或合金厚度均為納米級(jí)，它也屬于納米復(fù)合薄膜材料。多層膜的主要參數(shù)為調(diào)制波長(zhǎng)A，指的是多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和。當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)A比各層薄膜單晶的品格常數(shù)大幾倍或更大時(shí)，可稱這種多層膜結(jié)構(gòu)為“超品格”薄膜。組成薄膜的納米材料可以是金屬半導(dǎo)體、絕緣體、有機(jī)高分子等材料，因此可以有許多種組合方式，如金屬／半導(dǎo)體、金屬／絕緣體、半導(dǎo)體／高分子材料等，而每一種組合都可衍生出眾多類型的復(fù)合薄膜。

納米薄膜材料的功能特性

薄膜的光學(xué)特性

1．藍(lán)移和寬化

納米顆粒膜，特別是Ⅱ—Ⅵ族半導(dǎo)體CdSxSe1-x。以及Ⅲ-V族半導(dǎo)體CaAs的顆粒膜，都觀察到光吸收帶邊的藍(lán)移和帶的寬化現(xiàn)象。有人在CdSxSe1-x／玻璃的顆粒膜上觀察到光的“退色現(xiàn)象”，即在一定波長(zhǎng)光的照射下，吸收帶強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象。由于量子尺寸效應(yīng)，納米顆粒膜能隙加寬，導(dǎo)致吸收帶邊藍(lán)移。顆粒尺寸有一個(gè)分布，能隙寬度有一個(gè)分布，這是引起吸收帶和發(fā)射帶以及透射帶寬化的主要原因。

2.光的線性與非線性

光學(xué)線性效應(yīng)是指介質(zhì)在光波場(chǎng)（紅外、可見、紫外以及X射線）作用下，當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度與光波電場(chǎng)的一次方成正比的現(xiàn)象。

例如光的反射、折射、雙折射等都屬于線性光學(xué)范疇。納米薄膜最重要的性質(zhì)是激子躍遷引起的光學(xué)線性與非線性。一般來說，多層膜的每層膜的厚度與激子玻爾半徑相比擬或小于激子玻爾半徑時(shí)，在光的照射下吸收譜上會(huì)出現(xiàn)激子吸收峰。這種現(xiàn)象也屬于光學(xué)線性效應(yīng)。

所謂光學(xué)非線性，是在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下介質(zhì)的極化強(qiáng)度中就會(huì)出現(xiàn)與外加電磁場(chǎng)的二次、三次以至高次方成比例的項(xiàng)，這就導(dǎo)致了光學(xué)非線性的出現(xiàn)。

對(duì)于納米材料，由于小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)，量子限域和激子是引起光學(xué)非線性的主要原因。如果當(dāng)激發(fā)光的能量低于激子共振吸收能量，不會(huì)有光學(xué)非線性效應(yīng)發(fā)生；只有當(dāng)激發(fā)光能量大于激子共振吸收能量時(shí)，能隙中靠近導(dǎo)帶的激子能級(jí)很可能被激子所占據(jù)，處于高激發(fā)態(tài)。這些激子十分不穩(wěn)定，在落入低能態(tài)的過程中，由于聲子與激子的交互作用，損失一部分能量，這是引起納米材料光學(xué)非線性的一個(gè)原因。前面我們討論過納米微粒材料，納米微粒中的激子濃度一般比常規(guī)材料大，尺寸限域和量子限域顯著，因而納米材料很容易產(chǎn)生光學(xué)非線性效應(yīng)。

3. 電學(xué)特性

納米薄膜的電學(xué)性質(zhì)是當(dāng)前納米材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)，這是因?yàn)?，研究納米薄膜的電學(xué)性質(zhì)，可以搞清導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變，以及絕緣體轉(zhuǎn)變的尺寸限域效應(yīng)。我們知道，常規(guī)的導(dǎo)體，例如金屬，當(dāng)尺寸減小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，其電學(xué)行為發(fā)生很大的變化。有人在Au／Al203的顆粒膜上觀察到電阻反常現(xiàn)象，隨著Au含量的增加（增加納米Au顆粒的數(shù)量），電阻不但不減小，反而急劇增加。這一結(jié)果告訴我們，尺寸的因素在導(dǎo)體和絕緣體的轉(zhuǎn)變中起著重要的作用。

4.磁阻效應(yīng)

材料的電阻值隨磁化狀態(tài)變化的現(xiàn)象稱為磁（電） 阻效應(yīng)。對(duì)非磁性金屬，其值甚小，在鐵磁金屬與合金中發(fā)現(xiàn)有較大的數(shù)值。鐵鎳合金磁阻效應(yīng)可達(dá)2％—3％，且為各向異性。

顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)與磁性顆粒的直徑呈反比關(guān)系，要在顆粒膜體系中顯示出巨磁阻效應(yīng)，必須使顆粒尺寸及其間距小于電子平均自由程。

利用巨磁阻效應(yīng)制成的讀出磁頭可顯著提高磁盤的存儲(chǔ)密度，利用巨磁阻效應(yīng)制作磁阻式傳感器可大大提高靈敏度。因此，巨磁阻材料有良好的應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩