纳米技术在光学领域的应用

纳米技术在光学领域的应用王蒙（长春工程学院理学院吉林省长春市邮编130026）摘要:随着科学技术的不断发展，纳米技术在日趋成熟。纳米技术在许多领域都发挥着重要的作用，如应用纳米科学技术可以引发光电子、微电子、环保等诸多领域的革命，推动社会经济的腾飞；而纳米电子学、纳米光电子学和纳米光子学将成为21世纪信息时代的关键技术。由于纳米半导体光电子材料蕴藏着许多新的物理信息和可资利用的独特功能而具有极其广阔的发展前景。它是半导体光电子材料的一颗新星。它的出现，意味着半导体光电子材料向低维化方向发展。关键词:纳米技术；光学；纳米材料；光电材料；半导体。引言半导体光电子材料经过几十年的发展，已经成为在国民经济和军事等领域得到广泛应用、充满生机的一类电子信息材料。在信息化时代加速了该材料的升级，使它更加异彩纷呈，引人瞩目。在20世纪90年代全球掀起的纳米科技浪潮推动下，纳米半导体光电子材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料和纳米生物材料等纳米材料应运而生。纳米材料是指尺寸为1～100nm的各种固体材料。纳米半导体光电子材料是纳米材料家族中的重要成员，它的崛起是光电子材料发展的一次新的飞跃，成为发展新特性、新效应、新原理和新器件的基础。当半导体光电子材料的尺寸减小到纳米量级时，其物理长度与电子自由程相当，载流子的输运将呈现量子力学特性，宏观固定的准连续能带消失而表现出分裂的能级，因而传统的理论和技术已不再实用。纳米半导体光电子材料技术是一种多学科交叉的科学和技术，该领域充满了巨大的创新机会和广阔的发展前景。1.关于纳米的概述1.1:纳米的概念纳米是一种长度度量单位，1纳米等于10亿分之一米(1nm=10-3μm=10-9m）相当于头发丝直径的10万分之一。1.2:纳米技术纳米技术是指在原子分子层次上对物质精细的观测识别与控制的研究与应用，它将对于21世纪的信息科学、生命科学、分子生物学、新材料科学和生态系统可持续发展科学提供一个新的技术基础，这将引起一场产业革命，其深远的意义堪与世纪的工业革命相媲美，它包括的领域甚为宽广。人们根据使用的目的不同而制造不同种类的材料，把纳米材料与光学材料的制造有机地结合起来，制造一类新的功能纳米光学材料是当今光学领域里科学工作者一项义不容辞的责任。1.3:纳米材料纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。其尺寸介于分子、原子与块状材料之间,通常泛指1~100nm范围内的微小固体粉末。纳米材料是一种既不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料,它是以组成纳米材料的结构单元——晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的。目前,国际上将处于1~100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体,以及由纳米微晶所构成的材料,统称之为纳米材料,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。它们是由2~106个原子、分子或者离子构成的相对稳定的集团,其物理和化学性质随着包含的粒子数目与种类而变化。纳米材料的颗粒尺寸是肉眼和一般显微镜下看不到的微小粒子,只能用高倍电子显微镜进行观察。1.4:纳米材料的性能实验与理论表明,纳米材料具有既不同于原子、分子、亦不同于宏观物体的特列性质,例如:所有的金属被细分到纳米微粒时,将失去绚丽的光彩而成为对太阳光几乎全吸收的黑体,利用此特性可进行高效光热转换,可作为微波、红外隐形材料、优良的催化剂等。无机非金属材料的光学性质亦随颗粒尺寸的减小而显著变化。例如硅片是不发光的,但纳米多孔硅却能发光。研究表明,鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及海龟等动物能识别方向的奥秘在于它们的体内含有纳米磁性微粒,依靠磁场而定向运动;金属、玻璃与氧化物、半导体等纳米颗粒构成复合材料时,可以显著地改变力学、电学以及光学等性质。物质到纳米级以后,具有常规粗晶粒材料不具备的奇异特性和反常特性,展现出引人注目的应用前景。如铜到纳米级就不导电;绝缘的二氧化硅、晶体等,在20nm时开始导电;高分子材料加入纳米材料制成的刀具,比金刚石制品还坚硬等。由于纳米材料特殊的结构特征,使它具有传统材料所不具有的物理和化学特性。纳米材料的主要特性表现在一下几方面：①表面效应:纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化：②尺寸效应:由于颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化称为尺寸效应：③体积效应:由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少。因此,许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同,就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应;④量子效应:介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒,将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级,能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体戳然不同的反常特性,即量子效应。除此之外，纳米材料和常规材料在理化性质方面还有许多不同的地方，如纳米材料有高强度、高韧性；高比热和热膨胀系数；异常电导率和扩散率等性质。2.纳米材料在光学领域的应用2.1:纳米半导体材料与器件硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应，从而使它呈现出诸多新颖性质，其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光，且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近，科学家已经利用硅纳米结构所呈现的这些新颖性质和效应，开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此，该类纳米材料展现出广阔的应用前景2.2:半导体复合纳米粒子半导体符合纳米粒子由于具有量子尺寸效应，表面效应和小尺寸效应而具有优异的光学性质（如非线性光学响应及室温光致发光），光电催化特性和光电转换特性。半导体纳米粒子复合后的性质并不是单个纳米粒子性质的简单加和，而是具有更优异的性能，可用于光电太阳能转换，废物处理及功能陶瓷的制备等。研究半导体复合纳米粒子，发展新型纳米半导体复合材料是纳米半导体领域研究的新热点。2.2.1:半导体复合纳米粒子的制备半导体复合纳米粒子的复合方式有核-壳结构、偶联结构（3）、固溶体和量子点量子阱。核-壳结构的复合纳米粒子制备时有一定的加料顺序，即先生成核，再在核外生成另一种半导体粒子对其进行包覆。偶联结构的复合粒子可分别制备然后混合或一次形成，这依赖于两种半导体粒子的属性、生成速率和溶度积的差别。固溶体的制备则必须在同一体系中同时完成。2.3:纳米光电材料的良好特性用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子化的效果。由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中,在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能级。因而有效带隙增大,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为尺寸量子效应。量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。这是因为随着颗粒粒径的减少,有效带隙增大,光生电子具有更负的电位,相应地具有更强的还原性,而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。表面效应是纳米光电子材料的另一个重要特性。纳米粒子表面原子所占的比例增大。当表面原子数增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。3..纳米光学材料的功能转化3.1:太阳能转换为化学能光解水产生氢气（5，6）　在CdS—ZnS体系中，不论是核-壳结构的CdS/ZnS还是ZnxCd1-xS固溶体，加入空穴俘获剂，连续光解，氢的产率远高于纯CdS粒子单独存在时的产率。入射波长λ>400nm时，连续光解10—12h，氢的产率随ZnS含量的增大而提高，Zn:Cd=1:1时，产率最高。3.2:太阳能转换为电能太阳能电池：太阳能电池的光电转换效率是四个因子的乘积：η=Kthr×Kst×Y×f×100%　(a)Kthr表征了由于半导体中光吸收的量子特性所引起的能量损耗，Kthr与半导体的禁带宽度有关。　(b)Kst表征能量储存的效率，即利用在光激发过程中产生的电子-空穴对的能量(≈Eg)作有用功的效率。光电太阳能电池中Kst=eφ0,cph/Eg　φ0,cph—开路光电势　　(c)Y是量子产率等于通过电池外电路传输的电子数与在光转换器表面的入射光量子数之比。Y=iph/eJ,在再生式电池中，iph=isp.c—电池的短路光电流。实际上，量子产率表征了光生电荷分离的效率。　(d)f是电流-电压特性曲线的填充因子，由于Ohm电压降以及通过电流时光化学电池的超电压所引起的能量损耗，对于再生式电池，4.纳米光电材料的在光学领域的一些其他应用4.1:一维纳米材料当一维半导体材料的直径与其德布罗意波长相当时，它的导带与夹带进一步分裂，其能隙会随着直径减小而变大。这样以来量子限制效应、非定域量子相干效应和非线性光学都会表现明显。定向耦合器(DC)是波分复用网络中最常用的基本元件之一。Yamada等人首次报道了一种基于纳米线波导的定向耦合器,两个耦合波导的横截面尺寸为0.3μm×0.3μm,间距仅为0.3μm。由于两个波导之间很强的耦合作用,定向耦合器的耦合长度仅为10μm,当耦合波导之间的间距减少时,波导长度还可以进一步缩短。由此可以制作出结构非常紧凑的3dB耦合器。在此基础之上,他们还制作了一种基于纳米线波导的Bragg反射型光上/下路复用器，它由两个在侧壁上刻有Bragg光栅的纳米线波导和两个基于纳米线波导的3dB耦合器构成。下路波长带宽不超过0.7nm,下路波长时输出端的消光比为8dB,其下路波长可以通过改变光栅参数来进行调节。将SOI纳米线引入到热光开关中,有助于器件尺寸和功耗的减小。Chu等人首次报道了基于纳米线波导的1×1、1×2和1×4的Mach2Zehnder干涉型热光开关。光开关中采用的纳米线波导的横截面尺寸为300nm×300nm,这些热光开关器件所占的面积分别为140μm×65μm、85μm×30μm和190μm×75μm,消光比超过30dB,开关功耗低于90mW,开关响应时间小于100μs。4.2:纳米硅薄膜纳米硅薄膜是由纳米尺寸的硅微晶粒构成的一种纳米固体材料,其晶粒所占的体积约为50%,另外50%则为晶粒之间的大量界面原子所占据。纳米硅薄膜由于独特的结构而具有一系列独特性质,如电导率高、光热稳定性好、光吸收能力强、光学能隙宽化、光致发光等,而且还具有明显的量子尺寸效应。近年来,已成功地研制了纳米硅异质结二极管，并正展开纳米硅薄膜（11）太阳电池的研制,展现了纳米硅薄膜器件的广阔前景。紫外光电探测器方面,O.M.Nayfeh等人制作了纳米Si薄膜紫外光电探测器。他们首先以电化学分解法在HF-H2O2混合液中制备了尺寸为1nm的纳米Si晶。然后开始器件的制作:在P型衬底上生长500nm的氧化层;接着用氢氟酸缓冲液在氧化层上刻蚀出器件图形;然后将硅片浸入纳米硅晶的酒精悬浊液中,用一种类似于金属电镀的电化学电镀方法,将纳米Si晶淀积到已刻蚀出的氧化层图形中,淀积厚度约500nm;最后,在纳米Si晶膜上淀积一层厚为4nm的半透明Au层,Au层之上和衬底背面分别淀积厚300nm的凹，凸点,作为器件的引出电极。器件对可见光有很好的过滤特性,而对紫外光有较好的响应。5.纳米材料在我们身边光学领域中的例子——光学树脂眼镜激光具有单色性、方向性、相干性及高亮度等特点，利用激光测距、目标指示或瞄准等在军事及民用领域应用相当广泛，但是受激光直射的眼睛和光电设备的传感器等可能被致伤或破坏。目前市售的激光防护镜多为无机玻璃片，安全性较差，有些公司采用纳米新材料，以全新的理念及技术制作屏蔽激光的光学树脂镜片，此类产品目前产量不多。这些多功能防激光特种光学树脂镜片具有如下技术特点：1）由于是把无机纳米材料均匀复合于有机树脂镜片中，因此镜片质轻、能抵御碎弹片冲击，保护人眼不受伤害。2）属于介观材料的纳米粒子具有奇异的光学特性，能提高镜片的增透能力使视觉清晰；并能多光源、多光区屏蔽激光射线。近年来，由于地球南北极上空出现的臭氧层空洞越来越大，紫外线直射地面，给人的眼睛和皮肤造成伤害，尤其是在高原地区高强度紫外线照射使许多老年人的眼睛患上白内障等眼科疾病。因此这些公司推出了可完全吸收波长280-400nm的紫外线，同时在可见光区具有高透过度的纳米复合光学树脂镜片。太阳光（相当于T=6000K）的峰值波长约在480nm左右，太阳辐射的大部分能量分布在可见区与紫外区。可见光最易透过人眼的屈光介质造成眼底损伤，紫外线则主要是损伤人眼的晶体，因此，夏日里利用太阳镜保护人们的眼睛是必须的。现在市售的太阳镜大部分是经染料染制而成，日久褪色，并且在可见光透率较低而影响人们的视线。这些公司推出的纳米复合树脂太阳镜具有优异的稳定性、瑰丽的色彩、奇异的光学特性、超凡的阳光阻隔能力。既能屏蔽紫外线，又能屏蔽部分近红外线，兼容太阳镜，树脂镜、水晶镜的特点，人们配戴这种眼镜后，视觉清晰，有种雨过天晴，尘埃落地、心旷神怡的感觉。随着人们生活质量的提高，配戴变色镜成为一种时尚，同时可以保护眼睛少受太阳光的伤害。本公司推出两种含纳米材料的光致变色树脂镜片：一种树脂镜片是在强烈阳光下变暗，阳光不足或回到室内立即恢复为原色的光致变色镜片；另一种树脂镜片在强烈阳光下变暗，回到室内约10小时后恢复为无色的镜片。综上所述，纳米材料与光学材料复合技术的研制成功，必将引起光学材料制造领域一场革命，它会赋予树脂镜片新的功能，造福人类。6.展望虽然现在对纳米技术的研究在不断深入，但总的来说对纳米技术的研究还不够透彻，对纳米技术的研究还有非常大的发展空间。现在人们在根据不同目的制造不同种类的材料，把纳米材料同光学材料有机的结合起来，制造一类新的功能光学纳米材料是当今光学领域科学工作者一项义不容辞的责任。我们也完全有理由相信会有越来越多的新型纳米光学新材料不断问世，不断推动科学的进步及社会的发展。纳米技术不仅在光学领域，也将会在其他如医药，军事等领域发挥其巨大作用，为全人类带来更好的生活。收稿日期：2012.12.11作者简介：王蒙理学院应化1041班1008411115参考文献：(1).波利斯科夫著，张天高译.《光电化学太阳能转换》.北京：科学出版社，1989年：59～63.(2).裴立宅，唐元洪，郭池，张勇，陈扬文．《一维硅纳米材料的光学特性》．《人工晶体学报》，2006．(3).徐学俊，余金中，陈少武．《SOI纳米线波导和相关器件研究进展[J]》．半导体光电，2007．(4).GleiterH.Nanostructuredmaterials:basicconceptsandmicrostructure[J].ActaMaterialia,2000,48:1-29(5).王梅生,杨燮龙;[J];自然杂志;1993年05期.(6).HuangM,MaoS,HenningF,etal.Roomtemperatureultravioletnanowirenanolasers[J].Science,2001,292:189721899.(7).刘吉平著<纳米与科学技术丛 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