薄膜物理与技术大作业 Microsoft W

1、 薄膜物理与技术大作业薄膜物理技术的基础知识及纳米薄膜的应用作 者 姓 名 学 号 班 级 专 业 学 院 指 导 老 师 目 录摘 要 3一. 真空薄膜技术3二薄膜技术在显示领域的应用 10三纳米薄膜14四薄膜技术的意义22五参考文献24摘 要真空薄膜技术发展至今已有200年的历史。在一代代探索者的艰辛研究下各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势，以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。正文：真空薄膜技术发展至今已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一

2、种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。以至于将

3、薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：（1） 薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。（2） 作为二维材料，薄膜材料的最主要特点是所谓尺寸特点，利用这个特点可以实现各种元器件的微型化、集成化。 （3） 由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相对比例较大，表面所表现的有关性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应。 （4） 在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响。 （5） 表面磁性原子的相邻原子数减少

4、，引起表面原子磁矩增大。（6） 薄膜材料各向异性等等。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。薄膜及微细加工技术的应用范围极为广泛，从大规模集成电路、电子元器件、平板显示器、信息记录与存储、MEMS、传感器、太阳能电池，到材料的表面改性等，涉及高新技术产业的各个领域。薄膜材料的应用薄膜技术与薄膜材料根据用途可以分为民用和军用两大类。首先我们先来介绍很受人们注目的主要有一下几种薄膜：光学薄膜光学薄膜是一种为改变光学零件表面光学特性而镀在光学零件表面上的一层或多层膜

5、。可以是金属膜、介质膜或这两类膜的组合。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。其中的原理 膜有两个界面就有两个矢量，每个矢量表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于基片的折射率，则在每个界面上的反射系数都为负值，这表明相位变化为180（若反射光存在于折射率比相邻媒质更低的媒质内，则相移为180;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率，则相移为零。）

6、当膜层的相位厚度为90时，即膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，于是出现了零反射率。图一 减反射膜光路图镀膜眼镜我们日常所戴的眼镜上就镀了一层光学薄膜，光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。此外，眼镜片屈光力会使所视物体在戴镜者的远点形成一个清晰的像，也可以解释为所视物的光线通过镜片发生偏折并聚集于视网膜上，形成像点，由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存

7、在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光。内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点。这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。眼镜镀膜后，就可在镜片表面镀上具有一定厚度和层数的光学薄膜，镀膜后的镜片，可保护镜片表面不受腐蚀和磨损，提高透光率和清晰度。使镜片可在摄影、拍照时减少镜片反光，同时使镜片有锐目色彩。有两种镀膜镜片：反射式滤光镜片。在镜片表面镀金、银、硫化锌等。镀膜能反射可见光、红外线及r射线，对眼起保护作用。抗反射增透镜片。镜片镀氟化镁、二氧化硅、氟化铝等，可减少镜面反射，提高镜片的透过率。外观美，有助于摄影拍照。 镀膜眼镜的优点：（1）视物清楚，减少镜面反射光

8、，增加了光线透过率。 （2）镀膜眼镜能防止紫外线、红外线、X线对视力的伤害。配戴镀膜眼镜观力不易疲劳。对荧光屏前工作人员的视力可受到保护。 （3）镀膜眼镜可以降低镜片表面的反射光，解决戴眼镜在强光下照像的难题，增加美感。 （4）镜片能经受各种不良环境，高温、雨淋、海水浸泡也不会脱落。 镜面镀膜有三层： 外层防污膜是防灰尘和油渍； 中层防反射膜，是提高镜片光线通过率 内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。2. 太阳能薄膜技术1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构

9、。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数um，目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。太阳能电池有以下几类：硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%)化合物太阳

10、能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等)纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2)硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳能电池的厚度不到1m，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了。又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(200)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位。 近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的4倍。此前

11、的有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体的薄膜接合在一起，其太阳能到电能的转换率约为1%。新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜，变成三层构造，这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积，从而大大提高了太阳能转换率。从而有了更加广阔的应用前景。 3. 抗反射膜光学薄膜与国防科技的关系也颇为密切。事实上光学薄膜所以会这么样的蓬勃发展是由于它在军事上有不可缺少的需要而被开发出来的。首先是抗反射膜的应用。 抗反射膜所谓抗反射膜是在光学组件表面镀上一层或数层的光学薄膜，造成一些界面，使得经由各个界面反射回来的光波与光波之间产生破坏性的干涉，而终至见不到反射光。军事上用到抗反射膜的地方很

12、多，只要有接受光信号 (不论可见光或红外光) 或发射光信号的地方一定要做抗反射膜处理。最常见到的譬如 :保护窗、目镜、物镜及任何透镜的两面都会镀上抗反射膜。镀抗反射膜的用意有二，其一是借着减少反射而增加整个光学系统的透射率。当基板的折射率愈大及片数愈多时，透射率就会愈低，以锗（Ge）来说，其折射率为4，若系统中有两片锗基板而不镀抗反射膜时透射率就会小于22%，也就是说至少78%的能量会散失掉。硅 (Si)的折射率为3.4，能量的损耗也很严重，而锗锗及硅是军事上很重要的材料，可见抗反射膜在军事上是不可缺少的。镀抗反射膜的原因之二是可以使光学系统所成的影像的明晰度增高，这是因为若没有镀抗反射膜则基

13、板的反射光束来回于系统中会使影像的背景变差，对比度降低。影像近旁会有个相似的影像存在，俗称鬼影。抗反射膜的应用增加了光学组件的透射率，使双筒望远镜能看得更清楚，使进入侦器的光信号强度增加。这在红外线光学系统中表现得更为明显。其次是金属反射膜的应用。它使反射式望远镜变得非常易行有用。它在改变光的路径，如潜望镜，它使在隐藏中观测敌情变成非常简单。第二次世界大战后，由于飞弹的开发，各种光网及红外光滤光膜的研制变得非常重要，不但薄膜设计上有了很大的进展，薄膜材料的开发上也有很大的进步。待雷射发明后，军事上对光学薄膜的需求更是有增无减，而且质量要求更高，种类也更多。也可以说，光学薄膜再次助长了武器的功力

14、。二.、耐腐蚀薄膜除却光学薄膜外，又由于耐腐蚀薄膜的广泛应用使其在防腐工艺上有着极其重要的作用。高速电弧喷涂长效防腐技术。电弧喷涂技术应用最为广泛的领域是长效防腐层的制备，电弧喷涂锌、铝及锌铝合金涂层具有优良的防海水、海洋大气、盐雾以及土壤的腐蚀能力，加入稀土可以有效地改善涂层的物理化学性能，提高涂层的耐腐蚀性能。 纳米电刷镀防腐耐磨涂层技术。维修表面工程研究中心成功地将纳米材料与电刷镀技术相结合，开发了纳米复合电刷镀技术。它是在常规电刷镀镀液中加入一种或几种纳米颗粒，通过高能机械化学法使纳米颗粒均匀分散并稳定悬浮，刷镀过程中纳米颗粒与基质金属镍发生共沉积，从而得到弥散分布着硬质纳米颗粒的复合

15、刷镀层，提高了基体材料的防腐性能。该技术可以对腐蚀的飞机蒙皮进行快速修复。 非晶态合金化学镀层防腐技术。非晶态合金化学镀层技术是一种在不加外电流的情况下，利用化学还原的方法使镍阳离子还原成金属镍并沉积在催化金属表面上的方法。该技术通过控制磷含量得到的非晶态镀层致密、孔隙少，耐腐蚀性能优于电镀层。通过非晶态镀层与不锈钢在几种不同腐蚀介质中的腐蚀速率对比，其耐腐蚀性能明显优于不锈钢材料。 纳米固体薄膜减摩防腐技术。纳米固体薄膜减摩防腐技术是将固态物质涂（镀）于摩擦界面，起到固体润滑作用，以降低摩擦，减少磨损，同时具有防止腐蚀的作用。此外，纳米固体薄膜减摩防腐技术特别适用于解决特殊工况条件下的润滑难

16、题。 纳米防腐涂料及涂装技术。采用纳米材料合成高性能无机硅酸盐树脂，并研制成功了有机硅改性水性硅酸盐富锌涂料，将其作为钢结构长效防腐底漆。针对不同环境，设计综合保护涂层体系。经应用考核，漆膜防护性能优异，涂层完好如新，无任何粉化、腐蚀锈斑等损坏现象发生。对纳米锌粉/磷酸盐无机自干防腐底漆进行了实验性能测试，涂层性能良好。有机硅改性水性硅酸盐富锌涂料通过1000小时的盐雾试验，防腐蚀效果良好。 三、薄膜电容器而薄膜特殊的尺寸及量子效应促使了器件的微小型化，不仅可以保持器件的原有功能并使之强化，而且，随着器件的尺寸减小乃至接近电子或其他粒子量子化运动的尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现

17、象。薄膜（以及目前正大力开发的量子线、量子点等）技术是制备这类新型功能器件的有效手段。 薄膜电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造之电容器。而依塑料薄膜的种类又被分别称为聚乙酯电容(又称Mylar电容)，聚丙烯电容(又称PP电容)，聚苯乙烯电容(又称PS电容)和聚碳酸电容。薄膜电容器由于具有很多优良的特性，因此是一种性能优秀的电容器。它的主要等性如下：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部分，必须使用频率特性良好，介质损

18、失极低的电容器，方能确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中，又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著。四、薄膜夜视设备目前使用的大多数夜视设备装着一大堆电子元件，需要几千伏特的工作电压。为了让画面更加逼真，夜视镜的镜头与镜头之间必须保持真空状态，因此整个装置比较沉重。而国外某专家则利用薄膜技术发明了一种新型的夜视眼镜。其原理是这样的，当红外光进入由七层不同性质材料组成的薄膜时，被第一层材料侦测到，于是轻微的充电机制被激发，同时附加的电能（约3至5伏）将收到的信号放大后转换成可见光。尽管这种新装置与现今大多数夜视摄像头一样会发出令人毛骨悚然的绿光，

19、但前者的独特之处在于其重量：不到100克。深加工后，重量可以降到10克，而厚度只有几微米。这意味着，传统的笨重夜视镜将被轻便的贴膜取而代之，总重量甚至不超过半副纸牌。二，光学薄膜技术光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略重要基础技术，而且品质要求也越来越高，加上近年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下，不论是在显示设备中分、合色元件，又或是在光通讯主、被动元件开发製程上，薄膜製程技术都是不可忽略重要技术。而在显示器技术、光通讯技术、生医光电技术等，在全方位薄膜技术有其决定性的影响。光学薄膜与镀膜技术的重要性从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用；比方说，平时戴的眼镜、数位相机、各

20、式家电用品，或者是钞票上的防偽技术，皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础，近代光电、通讯或是雷射技术发展速度，将无法有所进展，这也显示出光学薄膜技术研究发展重要性。一般来说，要使用多层薄膜时，必须根据设计者需求，藉用高低折射率薄膜堆叠技术，做为各类型光学薄膜设计之用，才能达到事先预期后评估的光学特性。比方说：抗反射镜、高反射镜、分光镜、截止滤光镜、带通滤光镜、带止滤光镜等；而在电脑分析软、硬体发展健全的今日，不仅使光学薄膜在设计上变得更为便捷，且光学薄膜技术研究发展也将更为快速。就目前设计端而言，若以合理特性范围来考量，光学薄膜製作门槛已经降低不少，技术困难点也

21、很少出现，通常只要在合理要求范围之内，设计者不难发出适用的光学多层膜结构。不过，光学薄膜最主要关键问题，在於薄膜镀膜工艺技术的改善？这关係到要如何精準地掌控每一层薄膜厚度与折射率，才能获得预期光学性质和机械特性，甚至在製程量產化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料开发（包括：材料测试、化学纯度、材料创新、材料型式）、先进镀膜技术开发（包括：真空镀膜机、监控技术）及薄膜的量测分析（膜层设计、厚度误差分析技巧）等，都是光学薄膜工程上所要面对到的首要课题。不过，在光学薄膜技术应用上，由於技术本身被归纳为广泛应用性质，不容易以某一或单一產品作为载具并加以区分；因此，在光学薄膜產品技术，最终应用则

22、是在眾多光学元件上，若以光学元件各个相关应用市场来探究，更可看出主要附加价值与相关性。对於显示器画面尺寸及影像品质及辐射量多寡的要求日渐严苛，过去显示器尺寸也从14吋、20吋、29吋、32吋，甚至更大尺寸，也从CRT萤幕发展到LCD萤幕或投影萤幕。因为超过40吋CRT显示器动輒超过100公斤、厚度也超过35吋；因此，在一般CRT显示器生產过程中，40吋以上就是一个技术瓶颈。目前要打破尺寸瓶颈技术，就是利用投影技术来达成，藉用光学技术放大显示器尺寸，使其机身厚度变薄，体积变得更为轻盈。对於投影机產业而言，必须快速对应到灯源进步程度，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求。揭开投影机显示技

23、术中重要光学关键零组件，就像是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术，对投影显示技术中的影像品质有著关键性影响。举例来说，在光学引擎的偏振分光稜镜便是光学引擎中，不可或缺的光学元件，其可见光波要求在420680nm范围（入射角范围约30之内），才能大幅度地分开p偏振光及s偏振光，并维持p偏振光穿透率Tp90以上及消光比达到Tp/Ts500以上，这是因为消光比越高及Tp穿透率也就越高，影像对比度才会更好，色彩一致性越高，获得较高的光能利用率。在光学引擎中要用到大量偏振、分光及滤光元件，这些都需要仰赖光学薄膜、镀膜技术来实现，不过这些元件镀膜技术要求层级很高，导致生產困难度加大。一般来说，目前发展投

24、影机技术，包括：LCD、DLP（MEMS）、LCOS数种发展技术。影像成形技术，则分为穿透式LCD及反射式DLP、LCOS，而在投影机系统中，便需要运用光学薄膜滤光片新的开发技术，藉以达到最佳影像品质。对於投影机產业而言，为了因应灯源技术，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求，对於其中所使用的各式光学元件都必须有相对应解决之道。而为了达到需求，这对光学薄膜技术来说，已不能单纯使用传统的整数膜堆设计来完成，非整数膜堆设计必要时也要能被大量採用。不过，对非整数膜堆技术而言，除了先天上设计的困难性之外，在实际的製镀上也有相当的困难性。另一方面，对於环境测试要求更为严格，在滤光片材料选用则应

25、更为审慎，基板选择上也要考虑到整体滤光片应力行为等等，这都在先前设计之初就必须被纳入考量。光学薄膜技术也在奈米技术上有其助力奈米材料及技术因应科技发展速度，不断受到重视，归究其主要原因在於奈米材料应用广泛，加上以未来层面来考量。一方面是因为现有理论基础不足涵盖奈米材料完整发展；另一方面来自物理、化学、生物医药领域的衝击性与整合性，提供极为有力的助益。其中，在物理方面著重於奈米製造、材料检测技术与原子操纵；而在化学方面则提供由小而大、由下而上的组装方式、各式化学方法合成奈米材料；生物领域主要提供是仿生概念及生物製造工程的奈米材料合成技术。三纳米薄膜纳米薄膜材料是一种新型材料，指由尺寸为纳米数量级

26、(1100nm)的组元镶嵌于基体所形成的薄膜材料，它兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性，由于其特殊的结构特点，使其作为功能材料有广泛的应用价值。纳米薄膜是纳米薄膜可以改善一些机械零部件的表面性能，以减少振动，降低噪声，减小摩擦，延长寿命。这些薄膜在刀具、微机械、微电子领域作为耐磨、耐腐蚀涂层及其它功能涂层获得重要应用。目前，科研人员已从单一材料的纳米薄膜转向纳米复合薄膜的研究，薄膜的厚度也由数微米发展到数纳米的超薄膜。同时，纳米薄膜的表面微观结构，纳米薄膜对敏化电池光电效率的影响及结晶机制与薄膜对电磁波屏蔽特性的影响都有至关重要的科学贡献。关键词：纳米薄膜 性能 功能 纳米薄膜的分类(

27、1)据用途划分 纳米薄膜可按用途分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。纳米功能薄膜是利用纳米粒子所具有的力、电、光、磁等方面的特性，通过复合制作出同基体功能截然不同的薄膜。纳米结构薄膜则是通过纳米粒子复合，对材料进行改性，是以提高材料在机械性能为主要目的的薄膜。(2)据层数划分 按纳米薄膜的沉积层数，可分为纳米(单层)微薄膜和纳米多层薄膜。其中，纳米多层薄膜包括我们平常所说的“超晶格”薄膜，它一般是由几种材料交替沉积而形成的结构交替变化的薄膜，各层厚度均为nm级。组成纳米(单层)薄膜和纳米多层薄膜的材料可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子，也可以是它们的多种组合，如金属一半导体、金属一绝缘体、半导

28、体一绝缘体、半导体一高分子材料等，而每一种组合都可衍生出众多类型的复合薄膜。(3)据微结构划分 按纳米薄膜的微结构，可分为含有纳米颗粒的基质薄膜和nm尺寸厚度的薄膜。纳米颗粒基质薄膜厚度可超出nm量级，但由于膜内有纳米颗粒或原子团的掺人，该薄膜仍然会呈现出一些奇特的调制掺杂效应；nm尺寸厚度的薄膜，其厚度在nm量级，接近电子特征散射的平均自由程，因而具有显著的量子统计特性，可组装成新型功能器件，如具有超高密度与信息处理能力的纳米信息存贮薄膜、具有典型的周期性调制结构的纳米磁性多层膜等。(4)据组分划分 按纳米薄膜的组分，可分为有机纳米薄膜和无机纳米薄膜。有机纳米薄膜主要指的是高分子薄膜，而无机

29、纳米薄膜主要指的是金属、半导体、金属氧化物等纳米薄膜。(5)据薄膜的构成与致密度划分 按薄膜的构成与致密程度，可分为颗粒膜和致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起形成的膜，颗粒间可以有极小的缝隙，而致密膜则是连续膜。(6)据应用划分 按纳米薄膜在实际中的应用，可分为纳米光学薄膜、纳米耐磨损与纳米润滑膜、纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜、纳米滤膜等。二、 纳米薄膜的光学、力学、电磁学与气敏特性21 光学性能吸收光谱的“蓝移”、宽化与“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，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 TiOESnO：纳米颗粒膜具有特

30、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“蓝移”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 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“红移”。透明导电氧化物（，）具有宽带隙（）、可见光区高透光性（ ）和高导电性（ ）等优点，广泛应用于薄膜太阳电池、平板显示器和透明薄膜晶体管等，领域。是一种新型的直接宽带隙（室温带隙为）半导体材料，激子束缚能（）大、化学及热稳定性良好。掺杂（掺、和等）具有与相比拟的电学和光学性能，以及价廉、无毒和易制备等优势，是一种有

31、竞争力的透明导电薄膜材料。其中，掺（：）在近红外区透光性高于：，且其热稳定性优于：、：等，既能扩展太阳电池器件吸收光谱范围，又能保证器件有较长的使用寿命。的掺杂（尤其是型掺杂）是其研发中的瓶颈，攻克这一难题的关键在于弄清楚掺杂的能带结构和光谱特性，因此掺杂的结构和光学特性研究具有重要的科学意义。 相关的证明实验有采用脉冲磁控溅射系统在玻璃衬底（载玻片）上常温制备透明导电：纳米薄膜。靶材是由和粉末（纯度均为）经高温烧结而成的陶瓷靶（： ）。玻璃衬底经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗。溅射系统的本底真空度为，溅射气体为高纯气（纯度为），溅射气压保持在左右。镀膜前，先进行预溅射以清洁：靶材表面，

32、然后使溅射功率稳定在 再进行镀膜。利用紫外可见近红外分光光度计（）测量薄膜的光学透过率，用射线衍射仪（，）分析薄膜的物相结构。薄膜的表面形貌采用扫描电镜（，）进行表征，厚度和表面粗糙度用台阶仪（）测试，电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率是依据方法测试。利用逐点无约束最优化法软件（）计算薄膜的厚度和光学常数。 采用脉冲磁控溅射系统在玻璃衬底上常温制备出了透明导电：纳米薄膜，研究了薄膜的结构和光学特性。：纳米薄膜为多晶六方钎锌矿结构，且沿着轴取向择优生长。薄膜的表面均匀、致密和平坦，其在可见光和近红外光谱区的透光性能很好，光学带隙为，折射率 和消光系数在可见光区随波长的变化很小且数值基本恒定（约为，则

33、趋于），而在紫外区则随波长的变化显著。薄膜在可见光区具有高透光率和低吸收率。基于：纳米薄膜具有良好的结构和光学特性，其在太阳电池等光电器件中有望获得广泛应用。(2)光学非线性 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、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磁场的关系出现附加的2次、3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，这种非线性关系可通过

34、薄膜的厚度、膜中晶粒的尺寸大小来进行控制和调整。22 力学性能(I)硬度 位错塞积理论认为，材料的硬度 与微结构的特征尺寸A之间具有近似的HallPetch关系式o-=o-o+(A,4o)式中， 为宏观材料的硬度；A。为常数。对于纳米薄膜来说，特征尺寸A为膜的厚度。由该关系式可以得出，特征尺寸A很小的纳米薄膜将具有很高的硬度。此外，纳米多层膜的硬度还与薄膜的组分、组分的相对含量有关。一般来说，在纳米薄膜中添加适量的硬质相可使薄膜的硬度得到进一步的提高。(2)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

35、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，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。(3)韧性 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

36、，多层膜中的子层材料基本保持其本征的材料特点，即薄膜的塑生主要取决于基体本身的变形能力；但是，当调制波长减小至nm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。23 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寸有关。当薄膜的厚度或者颗粒的尺寸减小至nm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

37、材料大都是平面磁化的，但是nm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。24 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SnO：超微粒薄膜可吸附很多氧，而且只对醇敏感。因此，可以利用该纳米薄膜制作出相应的气敏感应器件。三、 纳米薄膜的制备技术目前诸多的纳米薄膜制备技术，从原理上进行归类，大致可归为化学方法与物理方法两大类。其中，化学方法主要包括solgel法、LB膜法

38、、电沉积法、化学汽相沉积(CVD)等，而物理方法则主要包括低能团簇束沉积法、真空蒸发法、溅射沉积、分子束与原子束外延技术和分子自组装技术等。31 溶胶-凝胶法 溶胶一凝胶法6通常是：先采用金属醇盐水解制备溶胶；再将基片溶人其中，以一定速度向上提拉出液面时形成液膜，或者是将溶胶滴到清的基体上，在匀胶机上匀胶；然后将基体放人烘箱内烘烤或在自然条件下干燥，从而制备出各种相应所需的纳米薄膜。溶胶一凝胶法是一种经济、方便、有效的薄膜制备方法。目前，人们已用溶胶一凝胶法制备了纳米微孔SiO：薄膜和SnO：纳米粒子膜、SiCA1N膜、ZnSSi膜、CuOSiO2、TiO2膜等。32 L-B膜技术 能形成LB

39、膜的材料，大都是表面活性分子，即双亲分子。若将这些双亲性分子置于水面，便会在气一液界面形成紧密定向排列的单分子膜。当固体基板一次或多次侵入并拔出该溶液时，基体表面便会形成单层的或多层的分子薄膜。一般说来，一种好的LB成膜材料，其亲水基团和疏水基团的性能比例要合适。比如最典型成膜物质_ 月旨肪酸，它具有亲水基团的头一COOH和疏水基团的尾一(CH：)。6CH，常被用来制备分子层次性和膜厚可控的分子薄膜。33 电化学沉积电沉积法是在含有金属离子和非金属离子氧化物或非金属水溶液中，通过恒电压，在不同电极表面合成金属或化合物薄膜，电沉积法通常可制得较为致密的纳米薄膜。如Shirkh等人在硝酸钠和甲醇电

40、解液中，通过5-20Acm的恒电流，电解Ti(OCH，) 溶液，最终在电极上生成了厚40 m的氧化钛膜等 。 4 化学汽相沉积 化学汽相沉积法主要被用来制备纳米微粒薄膜材料，制备过程中常涉及常压、低压、等离子体的辅助气相反应。在高温等离子体辅助汽相制备纳米薄膜时，气压、气流流速、基片温度等因素在纳米微粒薄膜生长过程中起到至关重要的作用。此外，一些采用化学汽相沉积制备的半导体、氮化物、化物薄膜还需要后处理来控制非晶薄膜的晶化过程，如刘学建等人在高纯氮载气中，以三氯硅烷(TCS)和氨气为硅源和氮源制备的氮化硅薄膜(SiNx)IS。35 低能团簇束沉积法 低能团簇束沉积方法制备纳米薄膜时，先将所沉积

41、材料激发成原子状态，然后以Ar，He作为载气使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，利用质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇沉积而形成薄膜。在这种条件下沉积的团簇在撞击表面时并不破碎，而是近乎随机分布；当团簇的平均尺寸足够大，其扩展能力受到限制，沉积薄膜的纳米结构对团簇尺寸具有很好的记忆特性。36 真空蒸发法 真空蒸发法，即物理汽相沉积法，其实质是将待镀膜的物质蒸发气化，并使气化的分子或原子在蒸发源与基体之间运动，由于基体的温度常常远低于蒸发源的温度，因此气化的分子或原子就会在基体上凝聚、成核、生长，最终形成连续的薄膜，由气相变为固相。37 溅射沉积 所谓溅射沉积，就是通过高能粒子

42、(通常包括高能电子、离子、中性粒子等)轰击靶面，使靶面上的原子或分子溅射出靶面，并在待镀膜的基体上沉积成膜。目前溅射沉积技术中最常用的是离子束溅射沉积，这主要原因是离子束在电场作用下更容易获得较大的动能。此外为了增加成膜速度，常在靶面与基体之间施加电磁场，即采用所谓的磁控溅射技术，以提高气体分子的电离速度与薄膜生长速度。38 分子与原子束外延技术 分子与原子束外延生长通称MBE (molecularbeam epitaxy)或ABE (atomic beam epitaxy)，是高真空环境下的薄膜沉积技术。所谓“外延”就是在一定的晶体材料的衬底上，沿着衬底表面外延伸生长出一层其他晶体薄膜。它类

43、似于真空热蒸镀，可把构成晶体的各个组分和预掺杂的原子(或分子)以一定的热运动速度按一定比例从束源炉中喷射到基片上，进行晶体外延生长单晶膜。它是真空热蒸镀方法的进一步发展。目前，采用外延生长最常见的纳米硅基半导体薄膜有绝缘体上硅(SoI)材料、锗硅(SiGe)异质材料等9。39 分子自组装技术自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。自从8O年代最早被提出以来，人们已从双液态隔膜(BLM)技术发展到了SBLM技术，已在分子组装有序分子薄膜方面取得了丰硕的成果。如Yang等人采用多孑L纳米结构自组装技的酸陛水溶液混合，然后让其在新鲜解理云母表面上于8O下成核生长，得到了取向生长连续

44、的介孑L SiO 薄膜等。美国伊利诺斯大学的工作者成功地合成了蘑菇形状的高分子聚集体，并以此为结构单元， 自组装了具有纳米结构的超分子多层膜等。由于生物体的微观结构具有很多独特的性质，因而对其研究已成为一个非常活跃的领域。许多植物的叶子( 荷叶和水稻等1 4) 及昆虫的翅膀和腿等5 10表现出独特的自清洁特性，即“荷叶效应”，水滴不能稳定地停留在这些表面上，而是在微小的震颤下自发滚落，表面上的灰尘即被清除，这对设计用自然力来清洁表面新材料具有指导意义。超疏水性是指水与固体表面的接触角大于150。 自然界中存在多种超疏水态，除了Wenzel 态、Cassie 态，还有Lotus 态、Gecko

45、态及介于Wenzel 态和Cassie 态之间的超疏水态11， 12。 随着研究的深入，研究者发现了更多的超疏水态，如Cassie 渗透浸润态。 这种超疏水态不仅具有大的接触角，而且具有较大的接触角滞后，玫瑰花瓣表面就属于这种超疏水态13。 花瓣表面上具有紧密的微乳突阵列，每个乳突顶部有许多纳米褶皱 这些有层次的微/纳结构为超疏水性提供了足够的粗糙度，同时与水有很强的黏附力 我们将这个现象定义为“花瓣效应” 以玫瑰花瓣为模板，我们曾利用溶剂蒸发驱动纳米压印图案转移法的过程，通过复制花瓣表面的微观结构得到了具有清晰可辨的纳米压印结构的人工仿生聚合物薄膜表面14。 研究发现，花瓣表面的这种微观结构

46、还可以产生奇特的结构颜色，结构色与化学色结合使花瓣表面具有生动的色彩。纳米薄膜的应用 目前，能源短缺和环境污染已成为全世界所面临的重要问题，发展清洁能源和新型储能体系已刻不容缓。锂离子电池因其具有轻质量、高电压、高容量、大功率、放电平稳、环境友好等优点，被认为是移动储能体系中最具潜力的系统，已广泛地应用于各种电子消费品中，并有希望作为绿色动力电源运用到未来电动汽车中。电极材料是锂离子电池中的核心组成之一，对电池性能起到决定性的作用，也是目前锂离子电池进一步发展所受到的主要制约。寻找新的电极材料和改善传统电极材料成为现在该领域研究的主要目标。近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料由于具有不同于

47、体材料的特殊性能在各个领域受到广泛关注。运用纳米材料作为锂离子电池的电极材料有其特殊的优势，如纳米薄膜电极的厚度通常小于200nm，颗粒尺寸小于50nm，如图1a 所示。这种电极材料在充放电过程中可以大大缩短锂离子和电子输运与扩散的距离( 图1b) ，并提高扩散速率。纳米材料由于其大的比表面以及存在较多的晶界，可以快速吸收和储存大量的锂离子而不会导致材料结构的破坏。因此，许多纳米科学家和锂电科学家联合起来开发新型纳米电极材料。全固态薄膜锂离子电池是一种薄膜化的锂离子电池，其厚度不超过20m。可以作为智能卡、传感器、微电子与微机械系统等方面与之匹配的微电源，在军事、医学、航天领域的用途尤为突出。

48、其电极材料的制备一般是通过将普通液态锂离子电池的电极材料薄膜化来实现的，但由于薄膜电极材料的电阻一般都很小，无需再加入炭黑等添加剂和黏合剂，所以薄膜电池的电极材料一般都比较纯净，这为研究电极活性物质的电化学本质提供了良好的条件。研究纳米薄膜电极材料不仅为了研究其作为薄膜锂离子电池电极的电化学特性，也是研究大体积锂离子电池的电极材料反应特性的一种特有方法。本文结合本实验室近年来在纳米薄膜电极材料的一些研究工作，将从纳米颗粒薄膜电极和纳米结构薄膜电极两部分，全面介绍目前国内外关于纳米薄膜电极材料的研究进展。41 纳米光学薄膜 利用纳米薄膜吸收光谱的蓝移与红移特性，人们已制造出了各种各样的紫外吸收薄

49、膜和红外反射薄膜，并在日常生产、生活中取得应用。如在平板玻璃的两面镀制的TiO 纳米薄膜，在紫外线作用下，该薄膜可分解沉积在玻璃上的有机污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的有害细菌和病毒 ；在眼镜上镀制的TiO 纳米粒子树脂膜或Fe O，纳米微粒聚醇酸树脂膜，可吸收阳光辐射中的紫外线，保护人的视力；在灯泡罩内壁涂敷的纳米SiO 和纳米TiO 微粒多层干涉膜，灯泡不仅透光率好，而且具有很强的红外线反射能力，可大大节约电能等。此外，利用Si纳米晶粒薄膜的紫外线光致发光特性，还可获得光致变色效应，从而产生新的防伪、识别手段。42 纳米耐磨损膜与纳米润滑膜 在一些硬度高的耐磨涂层薄膜中添人纳米相，可进

50、一步提高涂层薄膜的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性H。此外，一些表面涂层薄膜中加入一些纳米颗粒，如C印富勒烯、巴基管等还可达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料，甚至获得超润滑功能。事实上，在Ni等基体表面上沉积纳米NiLa2o，薄膜后，除了可以增加基体的硬度和耐磨性外，材料的耐高温、抗氧化性也显著提高。43 纳米磁性薄膜 经过纳米复合的涂层薄膜具有优异的电磁性能 。利用纳米粒子涂料形成的涂层薄膜具有良好的吸波能力，可对飞行器、重型武器等装备起到隐身作用；纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加入到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能；纳米结构的FeCr，FeCu，CoCu

51、等多层膜系统具有巨磁阻效应，可望作为应用于高密度存储系统中的读出磁头、磁敏传感器、磁敏开关等。44 纳米气敏薄膜 由于气敏纳米膜吸附了某种气体以后会产生物理参数的变化，因此可用于制作探测气体的传感器。目前研究最多的纳米气敏薄膜是SnO 超微粒膜163，该膜比表面积大，且表面含有大量配位不饱和键，非常容易吸附各种气体在其表面进行反应，是制备气敏传感器的极佳功能材料。45 纳米滤膜 纳米滤膜是一种新型的分离膜，可分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，它常常被用来在溶液中截留某些有机分子，而让溶液中的无机盐离子自由通过”。目前商业化的纳米滤膜的材质多为聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纤维素等，这些纳米滤膜除了具有微筛孔外，滤膜上各基团往往还带有电荷，因此，还可以对某些多价的离子进行截留，而让其他离子通过滤膜。现在，纳米滤膜已经在石化、生化、食品、纺织以及水处理等方面得到广泛应用。4. 6 纳米薄膜电池LiMO 型纳米薄膜电极：LiMO 型电极材料是一类运用最广泛的锂离子电池正极材料。主要包括层状结构和尖晶石结构。其中层状结构的LiCoO2是现在商业化最成功的正极材料。Tarascon 等1 最早在美国专利中提到LiCoO2薄膜可以用作薄膜锂离