第七章光子材料

1、7.5 7.5 光學(xué)透明導(dǎo)電材料光學(xué)透明導(dǎo)電材料 透明導(dǎo)電膜是既有高的導(dǎo)電性，又對(duì)可見光有很好透過性的薄膜材料，某些透明導(dǎo)電膜同時(shí)對(duì)紅外光有較高反射性。根據(jù)材料的不同可將其分為金屬透明導(dǎo)電薄膜、氧化物透明導(dǎo)電薄膜(TCO )、非氧化物透明導(dǎo)電薄膜及高分子透明導(dǎo)電薄膜。7.5.1 7.5.1 金屬透明導(dǎo)電薄膜金屬透明導(dǎo)電薄膜 常見的金屬透明導(dǎo)電膜有Au、Ag、Pt、Cu、AI、Cr、 Pd、Rh等。 金屬膜透光性不高，除了對(duì)光子的吸收外，表面反射也是重要原因，多數(shù)金屬膜對(duì)可見光反射較強(qiáng)，對(duì)紅外光的反射率也較高。為了制備平滑連續(xù)的膜，需要先鍍一層氧化物做襯底，再鍍金屬膜。金屬膜由于太薄而強(qiáng)度較低，

2、其上面常要再鍍一層保護(hù)層如Si02或Ale 03等，以增加表面耐磨性和提高強(qiáng)度。但這層金屬氧化物膜導(dǎo)電性較差，又會(huì)導(dǎo)致超薄金屬膜的導(dǎo)電性降低。綜合其透光性、機(jī)械強(qiáng)度等不足，超薄金屬導(dǎo)電膜作為電機(jī)材料應(yīng)用并不廣泛，反倒是作為電磁屏蔽(EMI)材料而廣泛使用，例如蒸鍍與塑料薄膜面L的半透明鋁膜或合金膜等。7.5.2 金屬氧化透明導(dǎo)電膜 透明導(dǎo)電氧化物泛指具有透明導(dǎo)電性的氧化物、氮化物、氟化物。一般要求達(dá)到可見光區(qū)透光率80%以上，且電導(dǎo)率超過103.cm-1。各種TCO按其組成特點(diǎn)可分類為： 純的金屬氧(氮)化物In203、SnO2、 ZnO、CdO、TiN等; 摻雜金屬氧化物In2 03:Sn

3、(ITO,錫摻雜的氧化銦)、In203:Mo(IMO)、ZnO:In (IZO)、Zn0:Ga (GZO)、ZnO:A1 (AZO)、SnOz:F、 TiOz:Ta等; 混合氧化物In2O3-ZnO、CdIn2O4、CdSnO4、Zn2Sn04等。 晶格摻雜是保持良好透光率，并降低電阻率的主流途徑。盡管TCO衍生種類繁多，但到目前為止，在金屬氧化物透明導(dǎo)電膜家族中，仍然是以ITO的性能最優(yōu)。 從導(dǎo)電性來(lái)看，絕大多數(shù)的金屬氧化物由于電子被牢固束縛于晶格離子周圍，能量較低，難以遷移，故而一般屬絕緣體。就透光性來(lái)說(shuō)，金屬氧化物原子之間的電子都被牢固束縛，對(duì)入射光子基本不產(chǎn)生吸收，故有可能透明。對(duì)于多

4、晶結(jié)構(gòu)金屬氧化物由于太多相界間的反射與折射，仍然可能不透明。但某些金屬氧化物在晶格結(jié)構(gòu)中存在或人為制造晶格缺陷，使得電子在外電場(chǎng)作用下有可能沿缺陷而發(fā)生定向遷移，形成導(dǎo)電性。7.5.4 石墨烯 石墨烯(graphene)是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是一種新型二維晶體材料，它獨(dú)特的單原子層結(jié)構(gòu)顯示出許多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。石墨烯片厚度只有2- 3nm，平面尺寸大小可達(dá)5-15m。 石墨烯的電學(xué)性質(zhì)1.電子在石墨烯層片內(nèi)傳輸時(shí)受到的干擾很小, 不易發(fā)生散射, 遷移率可達(dá)2 105cm2/ ( Vs), 約為硅中電子遷移率的100倍。2.石墨烯還表現(xiàn)出了異常的量子霍爾

5、行為。3.Klein隧穿效應(yīng)在室溫下, 載流子在石墨烯的傳輸顯示出超常的隧穿特性, 在微米尺度內(nèi)是彈道式的。石墨烯理想結(jié)構(gòu)圖、電鏡照片、氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示 石墨烯 石墨烯電鏡照片 氧化石墨烯7.6 非線性光學(xué)材料 非線性光學(xué)材料（NLO，nonlinear optical materials）是指一類受外部光場(chǎng)、電場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)的作用，光的頻率、相位、振幅等參量發(fā)生變化，從而引起折射率、光吸收、光散射等性能變化的材料。 非線性光學(xué)材料分為無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料，有機(jī)非線性光學(xué)材料，聚合物非線性光學(xué)材料，其他非線性光學(xué)材料。無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料 無(wú)機(jī)非線性材料的一些結(jié)構(gòu)規(guī)律：氧八面體或其他類似

6、的陰離子集團(tuán)畸變?cè)酱?，?duì)產(chǎn)生大的非線性系數(shù)愈有利。當(dāng)基團(tuán)含有孤對(duì)電子時(shí)，該基團(tuán)具有較大的二階極化率，如IO3-、SbF52-基團(tuán)比不合孤對(duì)電子的PO43-、BO45-等基團(tuán)的二階極化率要大得多.具有共扼軌道的無(wú)機(jī)平面基團(tuán)將同樣能產(chǎn)生較大的非線性系數(shù)。典型的無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料包括磷酸二氫鉀KH2PO4類(簡(jiǎn)稱KDP類)鈮酸鋰系列LiNb03 （LN）、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、半導(dǎo)體系列、硼酸鹽系列等。有機(jī)非線性光學(xué)材料有機(jī)非線性光學(xué)材料與無(wú)機(jī)材料相比有下列優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)材料的光極化來(lái)源于高度離域的電子的極化，其極化比無(wú)機(jī)材料的離子極化容易，故其非線性光學(xué)系數(shù)比無(wú)機(jī)材料高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，可高達(dá)10esu量級(jí)。響應(yīng)速度快，接近于飛秒。而無(wú)機(jī)材料只有皮秒。光學(xué)損傷閥值高，可高達(dá)GW/cm-2量級(jí)，而無(wú)機(jī)材料只能達(dá)MW/cm-2量級(jí)?？赏ㄟ^分子設(shè)計(jì)、合成等方法優(yōu)化分子性能?？赏ㄟ^聚集態(tài)設(shè)計(jì)控制材料性能，滿足器件需要?？蛇M(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)，加工成體材、薄膜和纖維。聚合物非線性光學(xué)材料 一類很有前途的非線性光學(xué)材料就是極化聚合物，把含生色團(tuán)的聚合物薄膜加熱到一定的溫度，再加上很高的外電場(chǎng)使本來(lái)無(wú)規(guī)則取向的生色團(tuán)分子沿電場(chǎng)方向取向，經(jīng)過一段時(shí)間的極化后把薄膜逐漸冷卻下來(lái)。這樣獲得的聚合物中生色團(tuán)分子因?yàn)榫哂幸欢ǔ潭鹊娜∠蚨贡∧こ尸F(xiàn)出很強(qiáng)的二階非線性光學(xué)性