納米薄膜材料的特性課件

1、 納米薄膜材料的特性納米薄膜材料的特性納米薄膜納米薄膜 納米薄膜是指尺寸在納米薄膜是指尺寸在nmnm量級(jí)的顆粒量級(jí)的顆粒( (晶粒晶粒) )構(gòu)成的薄膜或者構(gòu)成的薄膜或者層厚在層厚在nmnm量級(jí)的單層或多層薄膜，通常也稱作納米顆粒薄量級(jí)的單層或多層薄膜，通常也稱作納米顆粒薄膜和納米多層薄膜。膜和納米多層薄膜。納米薄膜材料之特性納米薄膜材料之特性 納米薄膜由于其組成的特殊性，因此造成其性質(zhì)不同于一納米薄膜由于其組成的特殊性，因此造成其性質(zhì)不同于一般傳統(tǒng)材料的特性。而納米薄膜元件之構(gòu)造及制作技術(shù)是般傳統(tǒng)材料的特性。而納米薄膜元件之構(gòu)造及制作技術(shù)是取決于所希望達(dá)成的功能性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下就先針對(duì)納取決

2、于所希望達(dá)成的功能性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下就先針對(duì)納米薄膜的光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)與氣敏等特性作說(shuō)明。米薄膜的光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)與氣敏等特性作說(shuō)明。光學(xué)性能光學(xué)性能 吸收光譜的吸收光譜的“藍(lán)移藍(lán)移”、寬化與、寬化與“紅移紅移” 由于具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及界面效應(yīng)，因而，由于具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及界面效應(yīng)，因而，當(dāng)膜厚度減小時(shí)，大多數(shù)納米薄膜能隙將有所增大，會(huì)出當(dāng)膜厚度減小時(shí)，大多數(shù)納米薄膜能隙將有所增大，會(huì)出現(xiàn)吸收光譜的藍(lán)移與寬化現(xiàn)象。如納米現(xiàn)吸收光譜的藍(lán)移與寬化現(xiàn)象。如納米TiOETiOESnOSnO：納米：納米顆粒膜具有特殊的紫外可見光吸收光譜，其吸收光譜較顆粒膜具有特殊的紫外可

3、見光吸收光譜，其吸收光譜較塊體發(fā)生了顯著的塊體發(fā)生了顯著的“藍(lán)移藍(lán)移”與寬化，抗紫外線性能和光學(xué)與寬化，抗紫外線性能和光學(xué)透過(guò)性良好。盡管如此，在另外一些納米薄膜透過(guò)性良好。盡管如此，在另外一些納米薄膜 中，由于中，由于隨著晶粒尺寸的減小，內(nèi)應(yīng)力的增加以及缺陷數(shù)量增多等隨著晶粒尺寸的減小，內(nèi)應(yīng)力的增加以及缺陷數(shù)量增多等因素，材料的電子波函數(shù)出現(xiàn)了重疊或在能級(jí)間出現(xiàn)了附因素，材料的電子波函數(shù)出現(xiàn)了重疊或在能級(jí)間出現(xiàn)了附加能級(jí)，又使得這些納米薄膜的吸收光譜發(fā)生了加能級(jí)，又使得這些納米薄膜的吸收光譜發(fā)生了“紅移紅移”。光學(xué)性能光學(xué)性能 光學(xué)非線性光學(xué)非線性弱光強(qiáng)的光波透過(guò)宏觀介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的電極化強(qiáng)

4、度常與光弱光強(qiáng)的光波透過(guò)宏觀介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的電極化強(qiáng)度常與光波的電場(chǎng)強(qiáng)度具有近似的線性關(guān)系。但是，當(dāng)納米薄膜的波的電場(chǎng)強(qiáng)度具有近似的線性關(guān)系。但是，當(dāng)納米薄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，薄膜的吸收譜上會(huì)出現(xiàn)激子吸收峰。這種激光的照射下，薄膜的吸收譜上會(huì)出現(xiàn)激子吸收峰。這種激子效應(yīng)將連同納米薄膜的小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)、子效應(yīng)將連同納米薄膜的小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)一道使得強(qiáng)光場(chǎng)中介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電量子限域效應(yīng)一道使得強(qiáng)光場(chǎng)中介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電磁場(chǎng)的關(guān)系出現(xiàn)附加的磁場(chǎng)的關(guān)系出現(xiàn)附加的

5、2次、次、3次乃至高次項(xiàng)。簡(jiǎn)單地講，次乃至高次項(xiàng)。簡(jiǎn)單地講，就是納米薄膜的吸收系數(shù)和光強(qiáng)之間出現(xiàn)了非線性關(guān)系，就是納米薄膜的吸收系數(shù)和光強(qiáng)之間出現(xiàn)了非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系可通過(guò)薄膜的厚度、膜中晶粒的尺寸大小這種非線性關(guān)系可通過(guò)薄膜的厚度、膜中晶粒的尺寸大小來(lái)進(jìn)行控制和調(diào)整。來(lái)進(jìn)行控制和調(diào)整。力學(xué)性能力學(xué)性能 硬度硬度 納米多層膜的硬度與系統(tǒng)的組成、各組分的相對(duì)含量及薄納米多層膜的硬度與系統(tǒng)的組成、各組分的相對(duì)含量及薄膜的調(diào)制波長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。納米多層膜的硬度對(duì)于材膜的調(diào)制波長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。納米多層膜的硬度對(duì)于材料系統(tǒng)的成分有著比較強(qiáng)烈的相依性，會(huì)在某些成分系統(tǒng)料系統(tǒng)的成分有著比較強(qiáng)烈的

6、相依性，會(huì)在某些成分系統(tǒng)出現(xiàn)超硬度效應(yīng)，如出現(xiàn)超硬度效應(yīng)，如TiN/PtTiN/Pt及及TiC/Fe,TiC/Fe,而在某些成分系統(tǒng)而在某些成分系統(tǒng)則無(wú)此現(xiàn)象出現(xiàn)，如則無(wú)此現(xiàn)象出現(xiàn)，如TiC/CuTiC/Cu及及TiC/AlTiC/Al。納米多層膜的強(qiáng)化。納米多層膜的強(qiáng)化機(jī)制主要是來(lái)自其高品界含量，而品界對(duì)差排位移等材料機(jī)制主要是來(lái)自其高品界含量，而品界對(duì)差排位移等材料變形機(jī)制具有直接影響，同時(shí)亦可將層間界面當(dāng)做品界作變形機(jī)制具有直接影響，同時(shí)亦可將層間界面當(dāng)做品界作用，因此多層膜的硬度隨調(diào)制波長(zhǎng)的減小而增大。用，因此多層膜的硬度隨調(diào)制波長(zhǎng)的減小而增大。力學(xué)性能力學(xué)性能 耐磨性耐磨性 研究表明

7、，多層納米膜的調(diào)制波長(zhǎng)越小，其磨損臨界載荷研究表明，多層納米膜的調(diào)制波長(zhǎng)越小，其磨損臨界載荷越大，抗磨損力越強(qiáng)。之所以如此，可從以下幾個(gè)方面來(lái)越大，抗磨損力越強(qiáng)。之所以如此，可從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行解釋。首先，從結(jié)構(gòu)上看，多層膜的晶粒很小，原子進(jìn)行解釋。首先，從結(jié)構(gòu)上看，多層膜的晶粒很小，原子排列的晶格缺陷的可能性較大，晶粒內(nèi)的晶格點(diǎn)陣畸變和排列的晶格缺陷的可能性較大，晶粒內(nèi)的晶格點(diǎn)陣畸變和晶格缺陷很多，這畸變和缺陷使得晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移阻晶格缺陷很多，這畸變和缺陷使得晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移阻力增加；此外，多層膜相鄰界面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不同材料力增加；此外，多層膜相鄰界面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不同材料的位錯(cuò)能

8、各異，這也導(dǎo)致界面上位錯(cuò)滑移阻力增大；最后，的位錯(cuò)能各異，這也導(dǎo)致界面上位錯(cuò)滑移阻力增大；最后，納米薄膜晶界長(zhǎng)度也比傳統(tǒng)晶粒的晶界要長(zhǎng)得多，這也使納米薄膜晶界長(zhǎng)度也比傳統(tǒng)晶粒的晶界要長(zhǎng)得多，這也使晶界上的位錯(cuò)滑移障礙變得顯著?？傊?，上述的這些因素晶界上的位錯(cuò)滑移障礙變得顯著?？傊鲜龅倪@些因素使納米多層膜發(fā)生塑性變形的流變應(yīng)力增加，且這種作用使納米多層膜發(fā)生塑性變形的流變應(yīng)力增加，且這種作用隨著調(diào)制波長(zhǎng)的減小而增強(qiáng)。隨著調(diào)制波長(zhǎng)的減小而增強(qiáng)。力學(xué)性能力學(xué)性能 韌性韌性 納米薄膜，特別是納米多層膜的增韌機(jī)制可歸結(jié)為裂紋尖納米薄膜，特別是納米多層膜的增韌機(jī)制可歸結(jié)為裂紋尖端鈍化、裂紋分支、層片拔

9、出以及沿界面的界面開裂等諸端鈍化、裂紋分支、層片拔出以及沿界面的界面開裂等諸多因素。這種增韌機(jī)制通常可通過(guò)薄膜界面作用和單層材多因素。這種增韌機(jī)制通?？赏ㄟ^(guò)薄膜界面作用和單層材料的塑性來(lái)加以解釋。當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)不是很小時(shí)，多層膜中料的塑性來(lái)加以解釋。當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)不是很小時(shí)，多層膜中的子層材料基本保持其本征的材料特點(diǎn)，即薄膜的塑的子層材料基本保持其本征的材料特點(diǎn)，即薄膜的塑生生主要取決于基體本身的變形能力；但是，當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)減小主要取決于基體本身的變形能力；但是，當(dāng)調(diào)制波長(zhǎng)減小至至nmnm量級(jí)，多層膜界面含量增加時(shí)，各單層膜的變形能力量級(jí)，多層膜界面含量增加時(shí)，各單層膜的變形能力增加，同時(shí)裂紋擴(kuò)展的分支

10、也增多，但是，這種裂紋分支增加，同時(shí)裂紋擴(kuò)展的分支也增多，但是，這種裂紋分支又很難從一層薄膜擴(kuò)展至另一層薄膜，因此，納米多層薄又很難從一層薄膜擴(kuò)展至另一層薄膜，因此，納米多層薄膜的韌性增大。膜的韌性增大。電磁學(xué)特性電磁學(xué)特性 納米薄膜的電磁學(xué)特性包括納米薄膜的電學(xué)特性、磁學(xué)特納米薄膜的電磁學(xué)特性包括納米薄膜的電學(xué)特性、磁學(xué)特性與巨磁電阻特性。研究表明，納米薄膜的電學(xué)特性不僅性與巨磁電阻特性。研究表明，納米薄膜的電學(xué)特性不僅與納米薄膜的厚度有關(guān)，而且還與納米薄膜中顆粒的尺寸與納米薄膜的厚度有關(guān)，而且還與納米薄膜中顆粒的尺寸有關(guān)。當(dāng)薄膜的厚度或者顆粒的尺寸減小至有關(guān)。當(dāng)薄膜的厚度或者顆粒的尺寸減小

11、至nmnm量級(jí)時(shí)，導(dǎo)量級(jí)時(shí)，導(dǎo)電性會(huì)發(fā)生顯著變化，甚至材料原本的電學(xué)性能喪失。納電性會(huì)發(fā)生顯著變化，甚至材料原本的電學(xué)性能喪失。納米薄膜磁學(xué)特性主要來(lái)自納米薄膜的磁性各向異性。一般米薄膜磁學(xué)特性主要來(lái)自納米薄膜的磁性各向異性。一般的薄膜材料大都是平面磁化的，但是的薄膜材料大都是平面磁化的，但是nmnm級(jí)厚度的磁性薄膜級(jí)厚度的磁性薄膜的易磁化方向卻是薄膜的法向，即納米磁性薄膜具有垂直的易磁化方向卻是薄膜的法向，即納米磁性薄膜具有垂直磁化的特性。納米薄膜的巨磁電阻效應(yīng)指的是納米磁性薄磁化的特性。納米薄膜的巨磁電阻效應(yīng)指的是納米磁性薄膜的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化而呈現(xiàn)顯著改變的現(xiàn)象。膜的電阻率受材

12、料磁化狀態(tài)的變化而呈現(xiàn)顯著改變的現(xiàn)象。氣敏特性氣敏特性 納米薄膜的氣敏特性指的是一些納米薄膜借助于其大的比納米薄膜的氣敏特性指的是一些納米薄膜借助于其大的比表面積或大量表面微觀活性中心，如不飽和鍵等，對(duì)特定表面積或大量表面微觀活性中心，如不飽和鍵等，對(duì)特定氣體進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附的特性，如氣體進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附的特性，如SnOSnO：超微粒?。撼⒘１∧た晌胶芏嘌酰抑粚?duì)醇敏感。因此，可以利用該納膜可吸附很多氧，而且只對(duì)醇敏感。因此，可以利用該納米薄膜制作出相應(yīng)的氣敏感應(yīng)器件。米薄膜制作出相應(yīng)的氣敏感應(yīng)器件。體會(huì)與建議體會(huì)與建議 2l2l世紀(jì)。由于信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、國(guó)防等工業(yè)世紀(jì)。由于信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、國(guó)防等工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料性能提出更新更高的要求，元器件的的快速發(fā)展，對(duì)材料性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)纫笮⌒突?、智能化、高集成、高密度存?chǔ)和超快傳輸?shù)纫蟛牧系牟牧系腞 R寸越來(lái)越小。航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制寸越來(lái)越小。航空航天、新型軍事