《纳米金属薄膜的光学性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米金属薄膜的光学性质（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要对于金属块体材料，电磁波的大部分能量在金属的几何表面被反射回去，其透射忽略不计。然而对于纳米金属薄膜，其尺寸小于穿透深度或与之相当，穿透效应变得十分显著，成了主流效应。因此，无论从基础研究还是从实际应用的角度来讲，研究金属纳米薄膜对光的反射、透射效应都是十分重要的。本论文研究了金属纳米铜薄的在可见红外范围内的反射、透射和吸收随薄膜厚度的变化情况；在可见光范围内，不同厚度的反射、透射和吸收随波长的变化情况；并研究了铜的光学系数在可见红外范围内的色散关系。得到以下主要结果：( 1 ) 有效介质理论中的M a x w e l l - - G a m n e t 理论适合于用来研究纯金属( 非磁性
2、) 薄膜的光学性质。而B R 理论不适合。( 2 ) 在可见光范围内，随着薄膜厚度的增加反射增加，透射减小，( 3 ) 铜薄膜的消光系数随着金属颗粒尺寸的减小，峰位出现红移。A b s 仃a c tM o s to fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ea r er e f l e c t e db yt h es u r f a c eo ft h em e t a lb u l km a t e r i a l ，a n dt h et r a n s m i s s i o nc a nb en e g l e c t e d H o w e v e
3、ri nt h en a n o m e t e rm e t a lf i l m t r a n s m i s s i o nw i l lb e c o m en o t a b l ei nc a s eo ff i l ms i z ei ss m a l l e rt h a no re q u a lt ot h es k i nd e p t h ，T h e r e f o r e ，f o rb a s i ct h e o r ys t u d ya n da p p l i c a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d
4、yt h er e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fn a n o m e t e rm e t a lf i l m I nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dt h er e f l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n da b s o r p t i o nd e p e n d e n c eo nt h i c k n e s so ft h eu l t r a - t h i nc o p p e rf i l mi nv
5、 i s i b l e i n f r a r e dr e g i o n ，d e p e n d e n c eo nt h ew a v el e n g t hi nv i s i b l er e g i o n ，a n dt h eo p t i c a lc o e f f i c i e n td e p e n d e n c eo nt h ew a v el e n g t hi nv i s i b l e i n f r a r e dr e g i o n T h em a i nr e s u l t sa r es h o w n( 1 ) M a x w
6、 e l l - - G a m n e tt h e o r yr a t h e rt h a nB Rt h e o r yw a sf i t t i n gt os t u d yt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fm e t a I ( n o n m a g n e t i c ) f i l m ( 2 ) I nt h ev i s i b l er e g i o n ，t h er e f l e c t i o ni n c r e a s e da n dt r a n s m i s s i o nd e c r e a
7、s e dw i t ht h ew a v el e n g t hb e c o m i n gl a r g e r( 3 ) T h ep e a kp o s i t i o no fe x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tw a sr e d s h i f ta l o n gw i t ht h ep a r t i c l es i z er e d u c i n g原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中
8、已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：丝Lg 塑日期：，7 ，1、，2 0 0 6 、f Z Z ，关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表
9、、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：塑：习边导师签名：邋蛐旷期：妇垒：i j硕士掌位论文第一章绪论1 1 金属纳米薄膜的特点上个世纪七十年代初，K o h l e r 在纳米多层增强和E s a k i 及T s u 在超晶格两方面的理论及实验研究的结果，揭示了纳米多层结构造成的许多特异的性能，成为纳米科学技术的开端。随后，这种研究逐步扩展到纳米粒子、介孔、纳米纤维、纳米管、纳米薄膜、纳米晶材料、纳米相材料、介孔体、磁流体、电流变体等多种低维组元及纳米复合结构，并于八十年代中叶，在世界范围内掀起纳米材料和纳
10、米科学技术的研究热潮。纳米科技被誉为2 1 世纪科技的前沿，一切高技术和传统产业进一步发展的技术关键。甚至提出，纳米科技的发展将导致新一轮工业革命。纳米尺度的范围通常定义为1 1 0 0 r i m 左右。由于表面效应、体积效应、经典尺寸效应、量子尺寸效应 ，低维组元和纳米结构具有不同于常规固体的新的特性。原来是良导体的金属，当尺寸减d , N 纳米尺度范围时，其电导率就会减少到半导体甚至绝缘体范围原来是典型共价键无极性的绝缘体，当尺寸减小到几个纳米或十几个纳米，即进入纳米状态时，其电阻率就会大大下降，失去绝缘体特性；常规固体在定的条件下其本构特性是稳定的，但在纳米状态下，本构特性变成与尺寸相
11、关。不但纳米微粒具有许多独特的性质，而且由其构成的二维薄膜以及三维固体也表现出不同于常规块状材料和薄膜的性质口“。金属薄膜作为一种功能材料被广泛应用在电子、信息、传感器、光学等领域。通常可采用共蒸发、共溅射和反应离子镀的工艺制备金属薄膜。由于组成成分、各成分问的比例以及工艺条件等参数的变化都对膜的特性有显著的影响，因此可以在较多自由度的情况下人为地控制复合膜的特性。人们采用各种物理化学方法先后制备了一系列金属绝缘体、金属半导体、金属高分子等纳米复合薄膜，当小颗粒尺寸进入纳米量级时，它的微观结构和性能既不同于原子、分子的微观体系，也不同于显示本征性质的大颗粒材料宏观体系【5 】。其本身和由它构成
12、的纳米固体主要具有如下三个方面的效应一表面( 界面) 效应、体积效应、量子尺寸效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。硕士掌位论文纳米金属薄膜是由大量纳米金属颗粒组成，它的微观结构和性能既不同于单个纳米金属颗粒，也不同于纳米金属颗粒的性能叠加” 。对于金属绝缘体型颗粒膜，当金属体积分数远小于绝缘体时，金属组元以微颗粒形式镶于金属膜中，其导电性为绝缘体型。当二者比例相当时，即金属体积分数约为0 5 0 6 左右，将产生导电性由绝缘体向金属过渡，在物理上称为渗流现象，此时金属组元与绝缘体组元在颗粒膜内互成网络状的微结构。金属微粒继续增加，薄膜才表现出导体特征。美国军队实验室用溶胶一凝胶技术
13、和氯化银还原法制备A g 与S i 0 2 纳米复合材料，纳米A g 粒子均匀分布在S i 0 2 基体中，这种纳米复合材料具有高介电常数，1 k H Z 下介电常数达5 0 0 0 ，远大于常规S i 0 2 的介电常数，在一1 0 0左右其介电常数更高。1 2 金属薄膜的应用领域随着器件的微型化，金属薄膜与金属、半导体、绝缘体、有机高分子等材料组合成金属半导体、金属绝缘体、金属金属、半导体金属等形式，被广泛应用到微电子、传感器、印刷电路板、集成电路、光学、隐身结构中。由金属薄膜组成的具有超晶格特性的纳米多层叠加膜，如c u ，N i ，c u ，P d ，C u A I ，N i ，M 。
14、等表现出超模量、超硬度特性、巨磁阻效应，以及其它光、机、电、耐磨等方面的独特性能。香港科技大学利用复合材料研制出一种超薄防护膜，可以有效吸收9 0 由移动电话释放的辐射，从而减低其对人体的危害。其中重要的组成部分为超薄金属薄膜。美国在1 9 9 1 年历时4 2 天的海湾战争中执行任务飞机达1 2 7 0 架次，伊军9 5 的重要军事目标被毁，而美战机无一架受损，一个重要原因是美军战机机具有雷达隐身性能，除结构的隐身设计外，隐身材料起到重要作用四。另外，纳米金属薄膜还被广泛应用在纳米多层膜x 射线反射镜、纳米磁性多层膜器件、集成电路中元件互连、光学过滤及增透器件、透明导电膜、吸收电磁波多层膜结
15、构等器件和设备中。1 3 金属薄膜的光、电性质研究现状及发展趋势纳米金属薄膜在实践中的应用来源于大量基础研究的成果。近一个世纪2来对纳米金属薄膜的探索主要集中在其电学、磁学及光学特性上。纳米金属薄膜的电导率具有尺寸效应，即由于表面和界面的存在破坏了晶体三维对称性，使薄膜电导率不再保持块体金属的电导率。F u c h 8 1 与S o n d h e i m e r 9 1 利用镜面反射系数描述表面对电子的散射，提出了描述薄膜电导率尺寸效应的F s 模型。但此模型缺乏晶界对电子散射作用的考虑。M a y a d a s 和S h a t z k e s在F - S 模型基础上考虑晶界散射对薄膜电
16、导率的影响并引入一维梳状势垒模型，提出了著名的M S 模型 ”1 L e n k 及M a k a r o v 增人分析了表面粗糙度对薄膜电导率的影响。M H a u d e r 等人旧通过探讨薄膜中电子自由程变化分析电导率尺寸效应。S h e n g 等人引入依赖角度的镜面参数，进步深化了F S模型。P a l a s a n t z a s ”垮人研究了外界条件对薄膜电导率的影响。还有很多学者 15 - 1 7 1 对温度、薄膜生长过程中结构变化U8 - 1 9 埘电导率的影响进行了研究。为了解释薄膜的导电特征，前人针对金属薄膜的导电机理进行了大量工作，提出了热电子发射模型【2 0 1 、热激活隧道模型【2 1 1 、杂质电导模型等理论口“，但这些模型只适用于一些特定膜中，不具有普适性。对光学特性的研究是纳米金属薄膜的另一个热点。这里面包括两方面的内容。一方面是薄膜基本参数与薄膜厚度及外场的关系，另一方面则是金属薄膜对于电磁波场的响应( 电磁响应) 【2 3 ，包括对
