納米材料專題
納米材料的光學(xué)特性
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美國著名物理學(xué)家，1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者R.PFeynman在1959年曾經(jīng)說過：“如果有一天能按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子和分子將會產(chǎn)生什么樣的奇跡”，納米科學(xué)技術(shù)的誕生將使這個(gè)美好的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。
納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。納米材料是指由極細(xì)晶粒組成，特征維度尺寸在納米量級（1~100nm）的固態(tài)材料。由于極細(xì)的晶粒，大量處于晶界和晶粒內(nèi)缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)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(xué)、磁性、力學(xué)等方面具有許多奇異的性能，因而成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。
納米材料的分類和結(jié)構(gòu)
根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，納米材料可分為四類，即：納米結(jié)構(gòu)晶體或三維納米結(jié)構(gòu)；二維納米結(jié)構(gòu)或纖維狀納米結(jié)構(gòu)；一維納米結(jié)構(gòu)或?qū)訝罴{米結(jié)構(gòu)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。
納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)晶態(tài)和非晶態(tài)材料有很大差別，突出地表現(xiàn)在小尺寸顆粒和龐大的體積百分?jǐn)?shù)的界面，界面原子排列和鍵的組態(tài)的較大無規(guī)則性。這就使納米材料的光學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了一些不同于常規(guī)材料的新現(xiàn)象。
納米材料的光學(xué)特性
納米材料的光學(xué)性質(zhì)研究之一為其線性光學(xué)性質(zhì)。納米材料的紅外吸收研究是近年來比較活躍的領(lǐng)域，主要集中在納米氧化物、氮化物和納米半導(dǎo)體材料上，如納米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均觀察到了異常紅外振動(dòng)吸收，納米晶粒構(gòu)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(xiàn)頻移的現(xiàn)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(qiáng)度強(qiáng)烈地依賴于退火溫度等現(xiàn)象。對于以上現(xiàn)象的解釋基于納米材料的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、晶場效應(yīng)、尺寸分布效應(yīng)和界面效應(yīng)。目前，納米材料拉曼光譜的研究也日益引起研究者的關(guān)注。
半導(dǎo)體硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，在通常情況下，發(fā)光效率很弱，但當(dāng)硅晶粒尺寸減小到5nm或更小時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，帶邊向高能態(tài)遷移，觀察到了很強(qiáng)的可見光發(fā)射。研究納米晶Ge的光致發(fā)光時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ge晶體的尺寸減小到4nm以下時(shí)，即可產(chǎn)生很強(qiáng)的可見光發(fā)射，并認(rèn)為納料晶的結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)的Ge不同，這些Ge納米晶可能具有直接光躍遷的性質(zhì)。Y.Masumato發(fā)現(xiàn)摻CuCl納米晶體的NaCl在高密度激光下能產(chǎn)生雙激子發(fā)光,并導(dǎo)致激光的產(chǎn)生,其光學(xué)增益比CuCl大晶體高得多。
不斷的研究發(fā)現(xiàn)另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，當(dāng)它們的晶粒尺寸減小到納米量級時(shí)，也同樣觀察到常規(guī)材料中根本沒有的發(fā)光觀象。納米材料的特有發(fā)光現(xiàn)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(fā)光現(xiàn)象的解釋主要基于電子躍遷的選擇定則，量子限域效應(yīng)，缺陷能級和雜質(zhì)能級等方面。
納米材料光學(xué)性質(zhì)研究的另一個(gè)方面為非線性光學(xué)效應(yīng)。納米材料由于自身的特性，光激發(fā)引發(fā)的吸收變化一般可分為兩大部分：由光激發(fā)引起的自由電子-空穴對所產(chǎn)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(jié)構(gòu)的變化，納米晶體中載流子的遷移、躍遷和復(fù)合過程均呈現(xiàn)與常規(guī)材料不同的規(guī)律，因而其具有不同的非線性光學(xué)效應(yīng)。
納米材料非線性光學(xué)效應(yīng)可分為共振光學(xué)非線性效應(yīng)和非共振非線性光學(xué)效應(yīng)。非共振非線性光學(xué)效應(yīng)是指用高于納米材料的光吸收邊的光照射樣品后導(dǎo)致的非線性效應(yīng)。共振光學(xué)非線性效應(yīng)是指用波長低于共振吸收區(qū)的光照射樣品而導(dǎo)致的光學(xué)非線性效應(yīng)，其來源于電子在不同電子能級的分布而引起電子結(jié)構(gòu)的非線性，電子結(jié)構(gòu)的非線性使納米材料的非線性響應(yīng)顯著增大。目前，主要采用Z-掃找（Z-SCAN）和DFWM技術(shù)來測量納米材料的光學(xué)非線性。
此外，納米晶體材料的光伏特性和磁場作用下的發(fā)光效應(yīng)也是納米材料光學(xué)性質(zhì)研究的熱點(diǎn)。通過以上兩種性質(zhì)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(xué)特性。已有的研究表明，利用納米材料的特殊光學(xué)性質(zhì)制成的光學(xué)材料將在日常生活和高科技領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。例如納米SiO2光學(xué)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(yè)上有很好的應(yīng)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(jié)果表明，作為光存儲材料時(shí)，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(xué)特性的研究已取得了不少進(jìn)展，對其光學(xué)特性的應(yīng)用也取得了一定的成績，但還有許多問題需要繼續(xù)深入系統(tǒng)地研究，如納米材料不同于體材料的吸收、拉曼、發(fā)光等特性產(chǎn)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(qiáng)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(xué)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(yīng)用研究還剛剛開始。總之，納米材料光學(xué)特性的研究及應(yīng)用仍然十分欠缺。
縱觀納米材料光學(xué)特性的研究概況，我們認(rèn)為納米材料光學(xué)特性研究的主要方向?yàn)椋和ㄟ^納米材料各種譜學(xué)方面的研究，探討和揭示納米材料結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，如不連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)能級等，建立模型，從理論上探討其光學(xué)特性產(chǎn)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(fù)合材料。
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