薄膜材料与薄膜技术 第六章 薄膜的应用（2）.ppt

的eg态。其次，考虑离子的库仑场作用导致的总自旋最大化原则（洪特定则），于是，一个Mn离子内的所有d电子的自旋取向必须平行。（见图）。实验发现，随着外磁场强度和温度的降低，Mn氧化物出现从顺磁到铁磁的相变（PM-FM），在相变温度Tc 附近伴随有绝缘体-金属相的转变（I-M），通常认为是自旋平行的Mn3+、Mn4+在洪特耦合壳层间的运动所致。这就是双交换作用（Double Exchange Interaction）。 按照Zener双交换模型，Mn3+中的eg电子，可以经过O2-的中介，跳转到Mn4+，从而产生金属导电。如果跳转电子的自旋与Mn4+的一致，根据泡利不相容原理，二者在空间回避，减小了在格点的库仑排斥，使跳转容易发生。因此，跳跃电导共存的磁有序相只能是Mn3+和 Mn4+磁矩平行取向的铁磁态。 研究表明，利用双交换作用模型，可以定性解释掺稀土锰氧化物材料的磁学性质和电阻率随掺杂浓度和温度变化的趋势。但对高温下的高电阻率行为及外磁场所导致的输运特性特变却无能为力。这是由于模型忽略了庞磁材料中普遍存在的John-Teller畸变。Millis认为，Mn离子的周围晶格中存在着强烈的电子-声子相互作用和自旋-晶格耦合，对锰氧化物独特的性质起了重要作用。 对John-Teller畸变的可能物理图象是（见图） ： JT效应使二重兼并的eg能级进一步分裂成能量较低的dz2态和能量较高的dx2-y2态。按照超交换理论，由于O2-的Pσ轨道与Eg中的dz2轨道正交，导致电子跳转被禁止，产生了JT畸变相伴的高电阻行为。当温度下降到铁磁有序温度Tc，JT畸变松弛，结果使电子跳转成为可能，使电阻率降低。 * * 薄膜材料与薄膜技术 第六章 薄膜材料及其应用（2） 主要内容 三、纳米薄膜 四、三族元素氮化物薄膜 五、磁性氮化铁薄膜 六、巨磁和庞磁薄膜 三、纳米薄膜 纳米薄膜材料是晶粒尺寸在几纳米到几十纳米量级的多晶体。它的性质与处于晶态和非晶态的同种材料有很大差异。它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。它有以下特点： 1. 表面效应 粒子直径减少到纳米级，引起表面原子数的迅速增加，从而纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。由于，固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。 随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 2. 体积效应 纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数个原子或分子组成的集体属性。当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是纳米材料的体积效应（也称小尺寸效应）。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域，例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降。利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造微波吸收纳米材料，用于隐形飞机等。 3. 量子尺寸效应 纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性，将直接导致纳米材料的一系列特殊性能，如高度的光学非线性，特异的化学催化和光催化性能等。 4. 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。它与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限。 纳米材料可分为三种类型： 某些维度减小到纳米尺度和某些尺度以纳米尺度颗粒、细线、薄膜出现的材料；这类材料的应用如催化剂、人工周期调制的光子晶体、量子阱、量子点等。 2. 纳米尺度的微结构只局限于体材料的薄的表面区域的材料；这类材料可以采用多种手段实现表面改性，达到提高体材料表面物理、化学性能的目的。另外，还可以利用光刻等手段在自由表面上形成薄的岛列，研制单电子晶体管、量子计算机等。 3. 由纳米材料微结构组成的大块体材料；这种材料兼具体材料和纳米材料的性能，通过纳米微结构，使体材料具有低熔点、可加工等特性。 纳米薄膜复合材料