纳米薄膜材料的特性优秀课件.ppt

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1、纳米薄膜材料的特性第1页，本讲稿共11页纳米薄膜纳米薄膜纳米薄膜是指尺寸在纳米薄膜是指尺寸在nmnm量级的颗粒量级的颗粒(晶粒晶粒)构成的薄膜或者构成的薄膜或者层厚在层厚在nmnm量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。膜和纳米多层薄膜。第2页，本讲稿共11页纳米薄膜材料之特性纳米薄膜材料之特性纳米薄膜由于其组成的特殊性，因此造成其性质不同于一纳米薄膜由于其组成的特殊性，因此造成其性质不同于一般传统材料的特性。而纳米薄膜元件之构造及制作技术是般传统材料的特性。而纳米薄膜元件之构造及制作技术是取决于所希望达成的功能性来进行设计，以下就

2、先针对纳取决于所希望达成的功能性来进行设计，以下就先针对纳米薄膜的光学、力学、电磁学与气敏等特性作说明。米薄膜的光学、力学、电磁学与气敏等特性作说明。第3页，本讲稿共11页光学性能光学性能吸收光谱的吸收光谱的“蓝移蓝移”、宽化与、宽化与“红移红移”由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应以及界面效应，因而，由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应以及界面效应，因而，当膜厚度减小时，大多数纳米薄膜能隙将有所增大，会出当膜厚度减小时，大多数纳米薄膜能隙将有所增大，会出现吸收光谱的蓝移与宽化现象。如纳米现吸收光谱的蓝移与宽化现象。如纳米TiOETiOESnOSnO：纳米：纳米颗粒膜具有特殊的紫外可见光吸收光谱，其吸

3、收光谱较颗粒膜具有特殊的紫外可见光吸收光谱，其吸收光谱较块体发生了显著的块体发生了显著的“蓝移蓝移”与宽化，抗紫外线性能和光学与宽化，抗紫外线性能和光学透过性良好。尽管如此，在另外一些纳米薄膜透过性良好。尽管如此，在另外一些纳米薄膜 中，由于中，由于随着晶粒尺寸的减小，内应力的增加以及缺陷数量增多等随着晶粒尺寸的减小，内应力的增加以及缺陷数量增多等因素，材料的电子波函数出现了重叠或在能级间出现了附因素，材料的电子波函数出现了重叠或在能级间出现了附加能级，又使得这些纳米薄膜的吸收光谱发生了加能级，又使得这些纳米薄膜的吸收光谱发生了“红移红移”。第4页，本讲稿共11页光学性能光学性能光学非线性光学

4、非线性弱光强的光波透过宏观介质时，介质中的电极化强度常与光弱光强的光波透过宏观介质时，介质中的电极化强度常与光波的电场强度具有近似的线性关系。但是，当纳米薄膜的波的电场强度具有近似的线性关系。但是，当纳米薄膜的厚度与激子玻尔半径相比拟或小于激子玻尔半径时，在厚度与激子玻尔半径相比拟或小于激子玻尔半径时，在光的照射下，薄膜的吸收谱上会出现激子吸收峰。这种激光的照射下，薄膜的吸收谱上会出现激子吸收峰。这种激子效应将连同纳米薄膜的小尺寸效应、宏观量子尺寸效应、子效应将连同纳米薄膜的小尺寸效应、宏观量子尺寸效应、量子限域效应一道使得强光场中介质的极化强度与外加电量子限域效应一道使得强光场中介质的极化强

5、度与外加电磁场的关系出现附加的磁场的关系出现附加的2次、次、3次乃至高次项。简单地讲，次乃至高次项。简单地讲，就是纳米薄膜的吸收系数和光强之间出现了非线性关系，就是纳米薄膜的吸收系数和光强之间出现了非线性关系，这种非线性关系可通过薄膜的厚度、膜中晶粒的尺寸大小这种非线性关系可通过薄膜的厚度、膜中晶粒的尺寸大小来进行控制和调整。来进行控制和调整。第5页，本讲稿共11页力学性能力学性能硬度硬度 纳米多层膜的硬度与系统的组成、各组分的相对含量及薄纳米多层膜的硬度与系统的组成、各组分的相对含量及薄膜的调制波长有着密切的关系。纳米多层膜的硬度对于材膜的调制波长有着密切的关系。纳米多层膜的硬度对于材料系统

6、的成分有着比较强烈的相依性，会在某些成分系统料系统的成分有着比较强烈的相依性，会在某些成分系统出现超硬度效应，如出现超硬度效应，如TiN/PtTiN/Pt及及TiC/Fe,TiC/Fe,而在某些成分系统而在某些成分系统则无此现象出现，如则无此现象出现，如TiC/CuTiC/Cu及及TiC/AlTiC/Al。纳米多层膜的强化。纳米多层膜的强化机制主要是来自其高品界含量，而品界对差排位移等材料机制主要是来自其高品界含量，而品界对差排位移等材料变形机制具有直接影响，同时亦可将层间界面当做品界作变形机制具有直接影响，同时亦可将层间界面当做品界作用，因此多层膜的硬度随调制波长的减小而增大。用，因此多层膜

7、的硬度随调制波长的减小而增大。第6页，本讲稿共11页力学性能力学性能耐磨性耐磨性研究表明，多层纳米膜的调制波长越小，其磨损临界载荷研究表明，多层纳米膜的调制波长越小，其磨损临界载荷越大，抗磨损力越强。之所以如此，可从以下几个方面来越大，抗磨损力越强。之所以如此，可从以下几个方面来进行解释。首先，从结构上看，多层膜的晶粒很小，原子进行解释。首先，从结构上看，多层膜的晶粒很小，原子排列的晶格缺陷的可能性较大，晶粒内的晶格点阵畸变和排列的晶格缺陷的可能性较大，晶粒内的晶格点阵畸变和晶格缺陷很多，这畸变和缺陷使得晶粒内部的位错滑移阻晶格缺陷很多，这畸变和缺陷使得晶粒内部的位错滑移阻力增加；此外，多层膜

8、相邻界面结构非常复杂，不同材料力增加；此外，多层膜相邻界面结构非常复杂，不同材料的位错能各异，这也导致界面上位错滑移阻力增大；最后，的位错能各异，这也导致界面上位错滑移阻力增大；最后，纳米薄膜晶界长度也比传统晶粒的晶界要长得多，这也使纳米薄膜晶界长度也比传统晶粒的晶界要长得多，这也使晶界上的位错滑移障碍变得显著。总之，上述的这些因素晶界上的位错滑移障碍变得显著。总之，上述的这些因素使纳米多层膜发生塑性变形的流变应力增加，且这种作用使纳米多层膜发生塑性变形的流变应力增加，且这种作用随着调制波长的减小而增强。随着调制波长的减小而增强。第7页，本讲稿共11页力学性能力学性能韧性韧性纳米薄膜，特别是纳

9、米多层膜的增韧机制可归结为裂纹尖纳米薄膜，特别是纳米多层膜的增韧机制可归结为裂纹尖端钝化、裂纹分支、层片拔出以及沿界面的界面开裂等诸端钝化、裂纹分支、层片拔出以及沿界面的界面开裂等诸多因素。这种增韧机制通常可通过薄膜界面作用和单层材多因素。这种增韧机制通常可通过薄膜界面作用和单层材料的塑性来加以解释。当调制波长不是很小时，多层膜中料的塑性来加以解释。当调制波长不是很小时，多层膜中的子层材料基本保持其本征的材料特点，即薄膜的塑的子层材料基本保持其本征的材料特点，即薄膜的塑生生主要取决于基体本身的变形能力；但是，当调制波长减小主要取决于基体本身的变形能力；但是，当调制波长减小至至nmnm量级，多层

10、膜界面含量增加时，各单层膜的变形能力量级，多层膜界面含量增加时，各单层膜的变形能力增加，同时裂纹扩展的分支也增多，但是，这种裂纹分支增加，同时裂纹扩展的分支也增多，但是，这种裂纹分支又很难从一层薄膜扩展至另一层薄膜，因此，纳米多层薄又很难从一层薄膜扩展至另一层薄膜，因此，纳米多层薄膜的韧性增大。膜的韧性增大。第8页，本讲稿共11页电磁学特性电磁学特性纳米薄膜的电磁学特性包括纳米薄膜的电学特性、磁学特纳米薄膜的电磁学特性包括纳米薄膜的电学特性、磁学特性与巨磁电阻特性。研究表明，纳米薄膜的电学特性不仅性与巨磁电阻特性。研究表明，纳米薄膜的电学特性不仅与纳米薄膜的厚度有关，而且还与纳米薄膜中颗粒的尺

11、寸与纳米薄膜的厚度有关，而且还与纳米薄膜中颗粒的尺寸有关。当薄膜的厚度或者颗粒的尺寸减小至有关。当薄膜的厚度或者颗粒的尺寸减小至nmnm量级时，导量级时，导电性会发生显著变化，甚至材料原本的电学性能丧失。纳电性会发生显著变化，甚至材料原本的电学性能丧失。纳米薄膜磁学特性主要来自纳米薄膜的磁性各向异性。一般米薄膜磁学特性主要来自纳米薄膜的磁性各向异性。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级厚度的磁性薄膜级厚度的磁性薄膜的易磁化方向却是薄膜的法向，即纳米磁性薄膜具有垂直的易磁化方向却是薄膜的法向，即纳米磁性薄膜具有垂直磁化的特性。纳米薄膜的巨磁电阻效应指的是

12、纳米磁性薄磁化的特性。纳米薄膜的巨磁电阻效应指的是纳米磁性薄膜的电阻率受材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。膜的电阻率受材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。第9页，本讲稿共11页气敏特性气敏特性纳米薄膜的气敏特性指的是一些纳米薄膜借助于其大的比纳米薄膜的气敏特性指的是一些纳米薄膜借助于其大的比表面积或大量表面微观活性中心，如不饱和键等，对特定表面积或大量表面微观活性中心，如不饱和键等，对特定气体进行物理吸附和化学吸附的特性，如气体进行物理吸附和化学吸附的特性，如SnOSnO：超微粒薄：超微粒薄膜可吸附很多氧，而且只对醇敏感。因此，可以利用该纳膜可吸附很多氧，而且只对醇敏感。因此，可以利

13、用该纳米薄膜制作出相应的气敏感应器件。米薄膜制作出相应的气敏感应器件。第10页，本讲稿共11页体会与建议体会与建议2l2l世纪。由于信息、生物技术、能源、环境、国防等工业世纪。由于信息、生物技术、能源、环境、国防等工业的快速发展，对材料性能提出更新更高的要求，元器件的的快速发展，对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、高密度存储和超快传输等要求小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的材料的R R寸越来越小。航空航天、新型军事装备及先进制寸越来越小。航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此新材料的研究和造技术使材料的性能趋于极端化。因此新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础，其中创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础，其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能，以及由此产生的由于纳米材料的特殊的物理和化学性能，以及由此产生的特殊的应用价值，必将使其成为科学研究的热点。特殊的应用价值，必将使其成为科学研究的热点。第11页，本讲稿共11页