《薄膜的应用》课件

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1、薄膜材料与薄膜技术李金华第六章薄膜材料及其应用（2）主要内容三、纳米薄膜四、三族元素氮化物薄膜五、磁性氮化铁薄膜六、巨磁和庞磁薄膜三、纳米薄膜纳米薄膜材料是晶粒尺寸在几纳米到几十纳米量级的多晶体。它的性质与处于晶态和非晶态的同种材料有很大差异。它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。它有以下特点：1.表面效应粒子直径减少到纳米级，引起表面原子数的迅速增加，从而纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。由于，固体材料的

2、表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。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、

3、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

4、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

5、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

6、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。四、三族元素氮化物薄膜近年来出现了研究三族元素氮化物半导体材料和器件的热潮。主要是这种半导体材料具有宽的禁带，适合研制蓝光、紫光甚至紫外光器件，在光信息、光存储、大功率激光器等方面有重要的潜在应用。一、三族元素氮化物半导体材料的特性宽禁带；传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料禁带窄，只能制

7、造红、黄光二极管，不能满足短波光发射需要的全色显示；也不能满足大功率、高温的要求。而Ⅲ-N族化合物半导体的带隙宽度大，如InN1.9eV，GaN3.4eV，AlN6.2eV。适合研制蓝、紫及紫外器件；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

8、以制备特种光电子器件。Ⅲ-N族化合物半导体材料的制备由于晶格失配、氮缺陷等许多原因，高质量Ⅲ-N族化合物半导体薄膜材料的制备非常困难。目前常用的制备方法是金属有机物气相外延（MOVPE）技术。例如：为了制备GaN薄膜，衬底常用蓝宝石，但蓝宝石与GaN的晶格失陪达15%，为了得到较好的匹配，先外延AlN过渡层作缓冲，再在AlN上生长GaN，得到了质量良好的GaN薄膜。目前，