《薄膜的应用》PPT课件.ppt

薄膜材料与薄膜技术主要内容三、纳米薄膜随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。
2.体积效应
纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数个原子或分子组成的集体属性。当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效应（也称小尺寸效应）。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降。利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造微波吸收纳米材料，用于隐形飞机等。3.量子尺寸效应
纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。
纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性，将直接导致纳米材料的一系列特殊性能，如高度的光学非线性，特异的化学催化和光催化性能等。
4.宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。它与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限。纳米材料可分为三种类型：
某些维度减小到纳米尺度和某些尺度以纳米尺度颗粒、细线、薄膜出现的材料；这类材料的应用如催化剂、人工周期调制的光子晶体、量子阱、量子点等。
2.纳米尺度的微结构只局限于体材料的薄的表面区域的材料；这类材料可以采用多种手段实现表面改性，达到提高体材料表面物理、化学性能的目的。另外，还可以利用光刻等手段在自由表面上形成薄的岛列，研制单电子晶体管、量子计算机等。
3.由纳米材料微结构组成的大块体材料；这种材料兼具体材料和纳米材料的性能，通过纳米微结构，使体材料具有低熔点、可加工等特性。纳米薄膜复合材料是一种有重要应用的纳米材料。它可以用以下方法制成：
薄膜与体材料复合；功能薄膜可以作为涂层或沉积层出现在体材料的表面；
2.薄膜材料中有纳米颗粒复合其中；这种薄膜兼具纳米颗粒和薄膜基材的性能；
3.不同种类和厚度的纳米薄膜多层复合；实现人工周期调制，或研制梯度材料；这种材料可以调节复合薄膜的厚度、介电常数、极化方向、掺杂浓度等，获得特殊的性能，在特种功能器件的研制上有特殊优势。有超强高温稳定性；因为该类材料的化学键结合强，适合研制高温发光器件；
InN和AlN等还能与GaN等合金化，形成多元半导体材料；例如：形成AlGaN、InGaN等，可以改变合金的比例来调制多元半导体材料的带隙，从而得到不同的发光波长。其中，AlGaN、GaN、InGaN相互间还能形成量子阱和超晶格结构，结合掺杂工艺，可以制备特种光电子器件。
Ⅲ-N族化合物半导体材料的制备12其它的外延基片还有Si，GaAs、ZnO、MgAl2O4等，但缓冲层的制备是各种基片所必须的。在ZnO衬底上制备的GaN薄膜，具有比在蓝宝石衬底上更高的质量。在Si上生长GaN薄膜的目的是为了与Si集成电路同时集成LED或LD发光器件，但是虽然采用了各种方法，生长的GaN薄膜仍然包含大量的位错、孪晶、堆垛层错等缺陷。
其它的Ⅲ-N族化合物半导体薄膜材料的制备已经成为当前半导体新材料的研究热点，它是除Si、GaAs以外，另一类重要的电子材料。至今，制备高质量的大尺寸GaN薄膜依然非常困难。14GaN薄膜的光学性质不同温度下GaN薄膜的近带边光致发光谱如前所示。图中，BX峰可归纳为激子的杂质复合机制，FX峰归属为激子的自由复合。随着温度的升高，BX峰变弱，FX增强，峰位向低能方向移动。75K时，FX峰变得最强。光子发光的强度，与晶体的质量密切相关。高质量的晶体可以有效地减少缺陷复合、表面复合等非辐射复合，从而使发光最强。五、磁性氮化铁薄膜FexN薄膜材料的相结构FexN材料有许多不同的相结构。
ξ-Fe2N属于正交点阵化合物相；在一个正交晶胞中有8个Fe原子和4个氮原子，近似于密排立方结构。晶格常数为a=0.4437nm，b=0.5541nm，c=0.4843nm。空间点阵为Pbcn。室温为顺磁性物质。每个原子的平均磁矩为0.05μB，居里温度为9K。
γ’-Fe4N相为面心立方（fcc）结构。铁原子分别占据晶胞的顶点和面心位置，氮原子有序地分布在铁原子形成的正八面体间隙中。它相当于在面心立方γ-铁中溶入了间隙N原子。由于间隙N的溶入，使得γ-铁的晶格常数膨胀了33%。γ’-Fe4N相具有稳定的铁磁性能，居里温度为767K，室温饱和磁化强度为1.8T，低温时，每个原子的平均磁