细谈纳米薄膜材料的特性

纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质，目前可以分为两类：

①含有纳米颗粒与原子团簇—基质薄膜；

②纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近电子自由程和德拜长度（约10～100nm），可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如，镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应，该结构相当于太原子—超原子膜材料具有三维特征；纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能，这类集成器件具有惊人的信息处理能力；纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构，导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强。对这些问题的系统研究具有重要的理论和应用意义。

纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料，按用途可以分为两大类，即纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要是利用纳米粒子所具有的光，电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的特殊功能。后者主要是通过纳米粒子复合，提高材料在机械方面的性能。由于纳米粒子的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对复合薄膜的特性有显著影响，因此可以在较多自由度的情况人为地控制纳米复合薄膜的特性，获得满足需要的材料。

纳米多层膜指由一种或几种金属或合金交替沉积而形成的组分或结构交替变化的合余薄膜材料，且各层金属或合金厚度均为纳米级，它也属于纳米复合薄膜材料。多层膜的主要参数为调制波长A，指的是多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和。当调制波长A比各层薄膜单晶的品格常数大几倍或更大时，可称这种多层膜结构为“超品格”薄膜。组成薄膜的纳米材料可以是金属半导体、绝缘体、有机高分子等材料，因此可以有许多种组合方式，如金属／半导体、金属／绝缘体、半导体／高分子材料等，而每一种组合都可衍生出众多类型的复合薄膜。

纳米薄膜材料的功能特性

薄膜的光学特性

1．蓝移和宽化

纳米颗粒膜，特别是Ⅱ—Ⅵ族半导体CdSxSe1-x。以及Ⅲ-V族半导体CaAs的颗粒膜，都观察到光吸收带边的蓝移和带的宽化现象。有人在CdSxSe1-x／玻璃的颗粒膜上观察到光的“退色现象”，即在一定波长光的照射下，吸收带强度发生变化的现象。由于量子尺寸效应，纳米颗粒膜能隙加宽，导致吸收带边蓝移。颗粒尺寸有一个分布，能隙宽度有一个分布，这是引起吸收带和发射带以及透射带宽化的主要原因。

2.光的线性与非线性

光学线性效应是指介质在光波场（红外、可见、紫外以及X射线）作用下，当光强较弱时，介质的电极化强度与光波电场的一次方成正比的现象。

例如光的反射、折射、双折射等都属于线性光学范畴。纳米薄膜最重要的性质是激子跃迁引起的光学线性与非线性。一般来说，多层膜的每层膜的厚度与激子玻尔半径相比拟或小于激子玻尔半径时，在光的照射下吸收谱上会出现激子吸收峰。这种现象也属于光学线性效应。

所谓光学非线性，是在强光场的作用下介质的极化强度中就会出现与外加电磁场的二次、三次以至高次方成比例的项，这就导致了光学非线性的出现。

对于纳米材料，由于小尺寸效应、宏观量子尺寸效应，量子限域和激子是引起光学非线性的主要原因。如果当激发光的能量低于激子共振吸收能量，不会有光学非线性效应发生；只有当激发光能量大于激子共振吸收能量时，能隙中靠近导带的激子能级很可能被激子所占据，处于高激发态。这些激子十分不稳定，在落入低能态的过程中，由于声子与激子的交互作用，损失一部分能量，这是引起纳米材料光学非线性的一个原因。前面我们讨论过纳米微粒材料，纳米微粒中的激子浓度一般比常规材料大，尺寸限域和量子限域显著，因而纳米材料很容易产生光学非线性效应。

3. 电学特性

纳米薄膜的电学性质是当前纳米材料科学研究中的热点，这是因为，研究纳米薄膜的电学性质，可以搞清导体向绝缘体的转变，以及绝缘体转变的尺寸限域效应。我们知道，常规的导体，例如金属，当尺寸减小到纳米数量级时，其电学行为发生很大的变化。有人在Au／Al203的颗粒膜上观察到电阻反常现象，随着Au含量的增加（增加纳米Au颗粒的数量），电阻不但不减小，反而急剧增加。这一结果告诉我们，尺寸的因素在导体和绝缘体的转变中起着重要的作用。

4.磁阻效应

材料的电阻值随磁化状态变化的现象称为磁（电） 阻效应。对非磁性金属，其值甚小，在铁磁金属与合金中发现有较大的数值。铁镍合金磁阻效应可达2％—3％，且为各向异性。

颗粒膜的巨磁阻效应与磁性颗粒的直径呈反比关系，要在颗粒膜体系中显示出巨磁阻效应，必须使颗粒尺寸及其间距小于电子平均自由程。

利用巨磁阻效应制成的读出磁头可显著提高磁盘的存储密度，利用巨磁阻效应制作磁阻式传感器可大大提高灵敏度。因此，巨磁阻材料有良好的应用前景。

审核编辑 ：李倩