第七章光子材料

1、7.5 7.5 光學透明導電材料光學透明導電材料 透明導電膜是既有高的導電性，又對可見光有很好透過性的薄膜材料，某些透明導電膜同時對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電薄膜、氧化物透明導電薄膜(TCO )、非氧化物透明導電薄膜及高分子透明導電薄膜。7.5.1 7.5.1 金屬透明導電薄膜金屬透明導電薄膜 常見的金屬透明導電膜有Au、Ag、Pt、Cu、AI、Cr、 Pd、Rh等。 金屬膜透光性不高，除了對光子的吸收外，表面反射也是重要原因，多數(shù)金屬膜對可見光反射較強，對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度較低，

2、其上面常要再鍍一層保護層如Si02或Ale 03等，以增加表面耐磨性和提高強度。但這層金屬氧化物膜導電性較差，又會導致超薄金屬膜的導電性降低。綜合其透光性、機械強度等不足，超薄金屬導電膜作為電機材料應用并不廣泛，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 金屬氧化透明導電膜 透明導電氧化物泛指具有透明導電性的氧化物、氮化物、氟化物。一般要求達到可見光區(qū)透光率80%以上，且電導率超過103.cm-1。各種TCO按其組成特點可分類為： 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電膜家族中，仍然是以ITO的性能最優(yōu)。 從導電性來看，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。就透光性來說，金屬氧化物原子之間的電子都被牢固束縛，對入射光子基本不產(chǎn)生吸收，故有可能透明。對于多

4、晶結構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構中存在或人為制造晶格缺陷，使得電子在外電場作用下有可能沿缺陷而發(fā)生定向遷移，形成導電性。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構的一種碳質(zhì)新材料，是一種新型二維晶體材料，它獨特的單原子層結構顯示出許多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)。石墨烯片厚度只有2- 3nm，平面尺寸大小可達5-15m。 石墨烯的電學性質(zhì)1.電子在石墨烯層片內(nèi)傳輸時受到的干擾很小, 不易發(fā)生散射, 遷移率可達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。石墨烯理想結構圖、電鏡照片、氧化石墨烯結構示意圖如下圖所示 石墨烯 石墨烯電鏡照片 氧化石墨烯7.6 非線性光學材料 非線性光學材料（NLO，nonlinear optical materials）是指一類受外部光場、電場或應變場的作用，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。 非線性光學材料分為無機非線性光學材料，有機非線性光學材料，聚合物非線性光學材料，其他非線性光學材料。無機非線性光學材料 無機非線性材料的一些結構規(guī)律：氧八面體或其他類似

6、的陰離子集團畸變越大，對產(chǎn)生大的非線性系數(shù)愈有利。當基團含有孤對電子時，該基團具有較大的二階極化率，如IO3-、SbF52-基團比不合孤對電子的PO43-、BO45-等基團的二階極化率要大得多.具有共扼軌道的無機平面基團將同樣能產(chǎn)生較大的非線性系數(shù)。典型的無機非線性光學材料包括磷酸二氫鉀KH2PO4類(簡稱KDP類)鈮酸鋰系列LiNb03 （LN）、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、半導體系列、硼酸鹽系列等。有機非線性光學材料有機非線性光學材料與無機材料相比有下列優(yōu)點。有機材料的光極化來源于高度離域的電子的極化，其極化比無機材料的離子極化容易，故其非線性光學系數(shù)比無機材料高1-2個數(shù)量級，可高達10esu量級。響應速度快，接近于飛秒。而無機材料只有皮秒。光學損傷閥值高，可高達GW/cm-2量級，而無機材料只能達MW/cm-2量級?？赏ㄟ^分子設計、合成等方法優(yōu)化分子性能。可通過聚集態(tài)設計控制材料性能，滿足器件需要?？蛇M行形態(tài)設計，加工成體材、薄膜和纖維。聚合物非線性光學材料 一類很有前途的非線性光學材料就是極化聚合物，把含生色團的聚合物薄膜加熱到一定的溫度，再加上很高的外電場使本來無規(guī)則取向的生色團分子沿電場方向取向，經(jīng)過一段時間的極化后把薄膜逐漸冷卻下來。這樣獲得的聚合物中生色團分子因為具有一定程度的取向而使薄膜呈現(xiàn)出很強的二階非線性光學性