納米材料的光學(xué)特性
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美國(guó)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(shuō)過(guò)：“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(huì)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(jí)（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(wú)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(wú)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(lái)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(duì)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(chǎng)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(jiàn)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(jiàn)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(jí)時(shí)，也同樣觀察到常規(guī)材料中根本沒(méi)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(duì)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(jí)和雜質(zhì)能級(jí)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(duì)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(lái)源于電子在不同電子能級(jí)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(lái)測(cè)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(chǎng)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(guò)以上兩種性質(zhì)的研究，可以獲得其他光譜手段無(wú)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(duì)波長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(chǔ)材料時(shí)，納米材料的存儲(chǔ)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(duì)其光學(xué)特性的應(yīng)用也取得了一定的成績(jī)，但還有許多問(wèn)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(guò)表面修飾來(lái)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?？傊{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^(guò)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(jí)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(shí)，利用諸如表面修飾手段，通過(guò)人工合成，以獲得具有特殊性能和用途的納米復(fù)合材料。