光电功能材料课程-10、11综述

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1、光电功能材料11 刘 磊 电话：84315437 Email:liulei442 3. 光功能材料 3.1. 激光材料 3.2光纤材料 3.3 光电显示材料 3.4 光伏材料及太阳能电池 3.5 纳米材料 3.6 液晶材料与LCD 目录 一、纳米的基本知识 1 .纳米的概念 纳米是英文nanometer的译名，是一种度量单位，1纳米 为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米（ 1nm为10-9m） ，约相当于45个原子串起来那么长。纳米结 构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。 纳米研究的范围是1到100纳米，凡是至少在一维方向上 的线度在1-100nm之间的单元和由这种纳米单元作

2、结构单元 的材料均成为纳米材料。 线度为1-100nm的颗粒称为纳米颗粒，又称为超微粒或 者超细粉 2纳米科技概念的提出与发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学 家、诺贝尔奖获得者理查德费恩曼。纳米科技的迅速 发展是在80年代末、90年代初。80年代初发明了费恩曼 所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它 们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。与此同时 ，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速 形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域 。 扫描隧道显微镜(STM)：利用量子隧道效应产生隧道电流的原理

3、制作的显微镜。其分 辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的 分子结构。原子力显微镜是根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显 微镜。可观察大分子在体内的活动变化。 二、纳米科技的研究领域 1纳米材料 纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材料是 指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能 的材料。 其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米材 料、纳米薄膜、纳米块体等。 对于纳米材料的研究包括两个方面： 一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通 过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描 述和表征纳米材料的新概念和新理论

4、； 二是发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问 题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分 散化、稳定化 。 2 .纳米器件 纳米科技的最终目的是以原子、分子 为起点，去制造具有特殊功能的产品。因 此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳 米时代的重要标志。如前所述，纳米技术 发展的一个主要推动力来自于信息产业。 在纳米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子 的前提不复存在，因而会出现种种新的现象，产 生新的效应，如量子效应。利用量子效应而工作 的电子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、 量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相 比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低 耗(

5、能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可 靠等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其 技术路线可分为“自上而下”(top down)和“自 下而上”(bottom up)两种方式。 “自上而下”是指通过微加工或固态技术， 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；而 “自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根 据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有 特定功能的产品。这种技术路线将减少对原材料 的需求，降低环境污染。 科学家希望通过纳米 生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应用生 物学原理制造生物分子器件，目前，在纳米化工 、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达 等方面，科学家都做了重

6、要的尝试。 3纳米结构的检测与表征 为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能 ，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须 建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米 尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、光 学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过 程，以及研究原子、分子的排列、组装与奇异物 性的关系。 扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类 在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域 。作为纳米科技重要研究手段的SPM也被形象地 称为纳米科技的“眼”和“手”。 所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子 、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。 所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构 造

7、纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研 究新现象、提出新理论的微小实验室。 同时，与纳米材料和结构制备过程相结合， 以及与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米 检测技术的研究和开发也受到广泛重视。如激光 镊子技术可用于操纵单个生物大分子。 三、纳米的奇异特性 纳米颗粒的线度是1-100nm， 它可以是单个颗粒， 也可以是微粒的集合体。构成它的物质可以是元素 ，也可以是化合物。由于纳米颗粒的线度介于微观 的原子，分子，和宏观物体之间，其结构和特性既 不同于微观的原子核分子，也不同于宏观物体，具 有独特的特性。纳米材料结构的特殊性决定了纳米 材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步 优化了材

8、料的电学、热学及光学性能。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体 积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积 体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面 积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会 显著地增加，假如原子间距为310-4微米，表面原 子仅占一层，粗略地估算表面原子所占的百分数见 表17-1。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的 ，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为 210-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这 些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动 形成各种形状（如立方八面体，十面体等），它 既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固 体。在电

9、子显微镜的电子束照射下，表面原子仿 佛进入了沸腾状态，尺寸大于10纳米后才看不 到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳 定的结构状态。 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引 起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起 的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超 微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显 著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1） 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时， 即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上 ，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色 。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金 ）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见， 金属超微颗粒对光的反射

10、率很低，通常可低 于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利 用这个特性可以作为高效率的光热、光电等 转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热 能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元 件、红外隐身技术等。 （2） 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化 后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著 。例如，金的常规熔点为1064C，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸 时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327C左右；银的常规 熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银 粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用 耐高温的陶瓷材料

11、，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜 厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采 用011微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等 贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸 引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒 后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低 的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 （3） 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细 菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下 能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物 磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠

12、它游向营养丰富的水底。通 过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 210-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材 料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺 寸减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步 减小其尺寸，大约小于 610-3微米时，其矫顽力反而降低到零 ，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已 作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以 及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途 广泛的磁性液体。 （4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制 成的纳

13、米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的 界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件 下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶 瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在 室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以 具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈 纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一 陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质 ，其应用前景十分宽广。 (5) 宏观量子隧道效应 各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有 黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进 行了合理的解

14、释，由无数的原子构成固体时，单独原子 的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级 的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发 成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与 区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而 言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级 间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者 磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏 观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。因 此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有 宏观规律已不再成立。 隧道效应： 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒 子能量小于此能量则不能越过，大

15、于此能量则可以越 过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低， 不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行 车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量， 很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒 子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（ quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观 上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道 效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小， 但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效 应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的 磁化强度、量子相干

16、器件中的磁通量等亦显示出隧道 效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、 宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的 基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的 极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述 的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电 路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢 出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸 大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就 是利用量子效应制成的新一代器件。 1材料和制备 在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成 材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有 长寿命和低维修费用的特点；以新原理和新结构在纳米 层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在