納米材料專題
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納米材料的光學特性
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美國著名物理學家,1965年諾貝爾物理獎獲得者R.PFeynman在1959年曾經說過:“如果有一天能按人的意志安排一個個原子和分子將會產生什么樣的奇跡”,納米科學技術的誕生將使這個美好的設想成為現實。
  
  納米材料是納米科學技術的一個重要的發展方向。納米材料是指由極細晶粒組成,特征維度尺寸在納米量級(1~100nm)的固態材料。由于極細的晶粒,大量處于晶界和晶粒內缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等,納米材料與同組成的微米晶體(體相)材料相比,在催化、光學、磁性、力學等方面具有許多奇異的性能,因而成為材料科學和凝聚態物理領域中的研究熱點。
  
  納米材料的分類和結構
  
  根據不同的結構,納米材料可分為四類,即:納米結構晶體或三維納米結構;二維納米結構或纖維狀納米結構;一維納米結構或層狀納米結構和零維原子簇或簇組裝。納米材料的分類如圖表1所示。納米材料包括晶體、贗晶體、無定性金屬、陶瓷和化合物。


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  納米材料在結構上與常規晶態和非晶態材料有很大差別,突出地表現在小尺寸顆粒和龐大的體積百分數的界面,界面原子排列和鍵的組態的較大無規則性。這就使納米材料的光學性質出現了一些不同于常規材料的新現象。
  
       納米材料的光學特性


  納米材料的光學性質研究之一為其線性光學性質。納米材料的紅外吸收研究是近年來比較活躍的領域,主要集中在納米氧化物、氮化物和納米半導體材料上,如納米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均觀察到了異常紅外振動吸收,納米晶粒構成的Si膜的紅外吸收中觀察到了紅外吸收帶隨沉積溫度增加出現頻移的現象,非晶納米氮化硅中觀察到了頻移和吸收帶的寬化且紅外吸收強度強烈地依賴于退火溫度等現象。對于以上現象的解釋基于納米材料的小尺寸效應、量子尺寸效應、晶場效應、尺寸分布效應和界面效應。目前,納米材料拉曼光譜的研究也日益引起研究者的關注。
  
  半導體硅是一種間接帶隙半導體材料,在通常情況下,發光效率很弱,但當硅晶粒尺寸減小到5nm或更小時,其能帶結構發生了變化,帶邊向高能態遷移,觀察到了很強的可見光發射。研究納米晶Ge的光致發光時,發現當Ge晶體的尺寸減小到4nm以下時,即可產生很強的可見光發射,并認為納料晶的結構與金剛石結構的Ge不同,這些Ge納米晶可能具有直接光躍遷的性質。Y.Masumato發現摻CuCl納米晶體的NaCl在高密度激光下能產生雙激子發光,并導致激光的產生,其光學增益比CuCl大晶體高得多。


       不斷的研究發現另外一些材料,例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等,當它們的晶粒尺寸減小到納米量級時,也同樣觀察到常規材料中根本沒有的發光觀象。納米材料的特有發光現象的研究目前正處在開始階段,綜觀研究情況,對納米材料發光現象的解釋主要基于電子躍遷的選擇定則,量子限域效應,缺陷能級和雜質能級等方面。
  
  納米材料光學性質研究的另一個方面為非線性光學效應。納米材料由于自身的特性,光激發引發的吸收變化一般可分為兩大部分:由光激發引起的自由電子-空穴對所產生的快速非線性部分;受陷阱作用的載流子的慢非線性過程。其中研究最深入的為CdS納米微粒。由于能帶結構的變化,納米晶體中載流子的遷移、躍遷和復合過程均呈現與常規材料不同的規律,因而其具有不同的非線性光學效應。
  
  納米材料非線性光學效應可分為共振光學非線性效應和非共振非線性光學效應。非共振非線性光學效應是指用高于納米材料的光吸收邊的光照射樣品后導致的非線性效應。共振光學非線性效應是指用波長低于共振吸收區的光照射樣品而導致的光學非線性效應,其來源于電子在不同電子能級的分布而引起電子結構的非線性,電子結構的非線性使納米材料的非線性響應顯著增大。目前,主要采用Z-掃找(Z-SCAN)和DFWM技術來測量納米材料的光學非線性。
  
  此外,納米晶體材料的光伏特性和磁場作用下的發光效應也是納米材料光學性質研究的熱點。通過以上兩種性質的研究,可以獲得其他光譜手段無法得到的一些信息。
  
  總之,納米材料具有體材料不具備的許多光學特性。已有的研究表明,利用納米材料的特殊光學性質制成的光學材料將在日常生活和高科技領域內具有廣泛的應用前景。例如納米SiO2光學纖維對波長大于600nm的光的傳輸損耗小于10dB/km,此值比SiO2體材料的光傳輸損耗小許多倍。納米紅外反射材料在燈泡工業上有很好的應用前景。利用納米材料對紫外的吸收特性而制作的日光燈管不僅可以減少紫外光對人體的損害,而且可以提高燈管的使用壽命。此外,我們的研究結果表明,作為光存儲材料時,納米材料的存儲密度明顯高于體材料。


    綜上所述,盡管納米材料光學特性的研究已取得了不少進展,對其光學特性的應用也取得了一定的成績,但還有許多問題需要繼續深入系統地研究,如納米材料不同于體材料的吸收、拉曼、發光等特性產生的理論根源和上述特性的理論研究,納米材料的非線性強度如何在受限條件下隨顆粒尺寸變化,如何通過表面修飾來獲得所具有一定光學特性的納米材料等。另外,所研究的納米材料的范圍也不夠廣泛,納米材料的應用研究還剛剛開始??傊?,納米材料光學特性的研究及應用仍然十分欠缺。


    縱觀納米材料光學特性的研究概況,我們認為納米材料光學特性研究的主要方向為:通過納米材料各種譜學方面的研究,探討和揭示納米材料結構上的特點,如不連續能帶結構,雜質能級等,建立模型,從理論上探討其光學特性產生的根源;樹立“功能”意識,利用諸如表面修飾手段,通過人工合成,以獲得具有特殊性能和用途的納米復合材料。

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