第七章光子材料

1、7.5 7.5 光学透明导电材料光学透明导电材料 透明导电膜是既有高的导电性，又对可见光有很好透过性的薄膜材料，某些透明导电膜同时对红外光有较高反射性。根据材料的不同可将其分为金属透明导电薄膜、氧化物透明导电薄膜(TCO )、非氧化物透明导电薄膜及高分子透明导电薄膜。7.5.1 7.5.1 金属透明导电薄膜金属透明导电薄膜 常见的金属透明导电膜有Au、Ag、Pt、Cu、AI、Cr、 Pd、Rh等。 金属膜透光性不高，除了对光子的吸收外，表面反射也是重要原因，多数金属膜对可见光反射较强，对红外光的反射率也较高。为了制备平滑连续的膜，需要先镀一层氧化物做衬底，再镀金属膜。金属膜由于太薄而强度较低，

2、其上面常要再镀一层保护层如Si02或Ale 03等，以增加表面耐磨性和提高强度。但这层金属氧化物膜导电性较差，又会导致超薄金属膜的导电性降低。综合其透光性、机械强度等不足，超薄金属导电膜作为电机材料应用并不广泛，反倒是作为电磁屏蔽(EMI)材料而广泛使用，例如蒸镀与塑料薄膜面L的半透明铝膜或合金膜等。7.5.2 金属氧化透明导电膜 透明导电氧化物泛指具有透明导电性的氧化物、氮化物、氟化物。一般要求达到可见光区透光率80%以上，且电导率超过103.cm-1。各种TCO按其组成特点可分类为： 纯的金属氧(氮)化物In203、SnO2、 ZnO、CdO、TiN等; 掺杂金属氧化物In2 03:Sn

3、(ITO,锡掺杂的氧化铟)、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。 晶格掺杂是保持良好透光率，并降低电阻率的主流途径。尽管TCO衍生种类繁多，但到目前为止，在金属氧化物透明导电膜家族中，仍然是以ITO的性能最优。 从导电性来看，绝大多数的金属氧化物由于电子被牢固束缚于晶格离子周围，能量较低，难以迁移，故而一般属绝缘体。就透光性来说，金属氧化物原子之间的电子都被牢固束缚，对入射光子基本不产生吸收，故有可能透明。对于多

4、晶结构金属氧化物由于太多相界间的反射与折射，仍然可能不透明。但某些金属氧化物在晶格结构中存在或人为制造晶格缺陷，使得电子在外电场作用下有可能沿缺陷而发生定向迁移，形成导电性。7.5.4 石墨烯 石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是一种新型二维晶体材料，它独特的单原子层结构显示出许多优异的物理化学性质。石墨烯片厚度只有2- 3nm，平面尺寸大小可达5-15m。 石墨烯的电学性质1.电子在石墨烯层片内传输时受到的干扰很小, 不易发生散射, 迁移率可达2 105cm2/ ( Vs), 约为硅中电子迁移率的100倍。2.石墨烯还表现出了异常的量子霍尔

5、行为。3.Klein隧穿效应在室温下, 载流子在石墨烯的传输显示出超常的隧穿特性, 在微米尺度内是弹道式的。石墨烯理想结构图、电镜照片、氧化石墨烯结构示意图如下图所示 石墨烯 石墨烯电镜照片 氧化石墨烯7.6 非线性光学材料 非线性光学材料（NLO，nonlinear optical materials）是指一类受外部光场、电场或应变场的作用，光的频率、相位、振幅等参量发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等性能变化的材料。 非线性光学材料分为无机非线性光学材料，有机非线性光学材料，聚合物非线性光学材料，其他非线性光学材料。无机非线性光学材料 无机非线性材料的一些结构规律：氧八面体或其他类似

6、的阴离子集团畸变越大，对产生大的非线性系数愈有利。当基团含有孤对电子时，该基团具有较大的二阶极化率，如IO3-、SbF52-基团比不合孤对电子的PO43-、BO45-等基团的二阶极化率要大得多.具有共扼轨道的无机平面基团将同样能产生较大的非线性系数。典型的无机非线性光学材料包括磷酸二氢钾KH2PO4类(简称KDP类)铌酸锂系列LiNb03 （LN）、磷酸氧钛钾KTiOPO4 (KTP)、半导体系列、硼酸盐系列等。有机非线性光学材料有机非线性光学材料与无机材料相比有下列优点。有机材料的光极化来源于高度离域的电子的极化，其极化比无机材料的离子极化容易，故其非线性光学系数比无机材料高1-2个数量级，可高达10esu量级。响应速度快，接近于飞秒。而无机材料只有皮秒。光学损伤阀值高，可高达GW/cm-2量级，而无机材料只能达MW/cm-2量级。可通过分子设计、合成等方法优化分子性能。可通过聚集态设计控制材料性能，满足器件需要。可进行形态设计，加工成体材、薄膜和纤维。聚合物非线性光学材料 一类很有前途的非线性光学材料就是极化聚合物，把含生色团的聚合物薄膜加热到一定的温度，再加上很高的外电场使本来无规则取向的生色团分子沿电场方向取向，经过一段时间的极化后把薄膜逐渐冷却下来。这样获得的聚合物中生色团分子因为具有一定程度的取向而使薄膜呈现出很强的二阶非线性光学性