§1.3 纳米薄膜
新型薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，是国际科技研究的热门学科之一.开展新型薄膜材料的研究，直接关系到信息技术、微电子技术、计算机科学等领域的发展方向和进程.目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新型薄膜材料的应用范围正在不断扩大.
薄膜在日常生活中随处可见，例如塑料薄膜、金属箔、涂漆形成的涂层膜等.在材料学中，薄膜材料既包括人眼可观察到厚度的薄膜，也包括人眼不可分辨（人眼对1 μm以下的尺寸是无法分辨的）厚度的薄膜，后者如照相用的胶卷上的感光薄膜层、光学镜头上的增透膜、半导体器件中的绝缘层等.薄膜厚度在1 μm以下时，该薄膜一般是不能独立存在的，而需要有一基底支撑这种薄膜，例如，胶卷是感光薄膜的基底，玻璃镜片是增透膜的基底.纳米薄膜由于膜层很薄，均需要有基底支撑，基底材料的选择应以对纳米薄膜本身的性能不产生负面影响为准.
薄膜材料是材料学领域的重要研究内容之一.它涉及物理、化学、电子、生物、冶金等各个学科，在电子器件、光学器件、航空航天、国防等各方面均有广泛应用，已形成独立的薄膜材料学.
1.3.1 纳米薄膜的分类
按照薄膜材料的成分，纳米薄膜大体上可以归纳为以下几种：
（1）金属薄膜、金属化合物薄膜、金属混合物薄膜，例如金属电阻薄膜、镀着闪亮反光的Cr薄膜等；
（2）半导体薄膜，例如超晶格薄膜、GaAs薄膜等；
（3）氧化物薄膜，例如ZnO薄膜、TiO2薄膜等；
（4）无机薄膜，例如起着绝缘层作用的SiO2薄膜、有导电性能的C薄膜等；
（5）有机薄膜，例如聚乙烯薄膜、LB（全称Langmuir-Blodgett）薄膜等；
（6）复合薄膜，例如金属与半导体的复合薄膜、无机物与有机物的复合薄膜等.
按照薄膜材料的结构，纳米薄膜大体上可以归纳为以下几种：
（1）单层薄膜，例如Ag-Cs2O薄膜；
（2）多层薄膜，例如带有周期多层结构的超晶格薄膜；
（3）纳米薄膜，例如金属纳米粒子埋藏于半导体的薄膜等.
按照薄膜材料的功能，纳米薄膜大体上可以归纳为以下几种：
（1）力学功能薄膜，例如硬质薄膜：金刚石薄膜、C3N4薄膜等；
（2）热学功能薄膜，例如热敏薄膜、阻热薄膜等；
（3）电学功能薄膜，例如导电薄膜、超导薄膜、电学双稳态薄膜等；
（4）光学功能薄膜，例如滤色薄膜、反光薄膜等；
（5）光电功能薄膜，例如光电发射薄膜、光电转换薄膜等；
（6）磁学功能薄膜，例如巨磁电阻薄膜、顺磁薄膜等；
（7）电磁功能薄膜，例如隐身飞机表面涂层薄膜等；
（8）声学功能薄膜，例如声表面波薄膜等；
（9）分子功能薄膜，例如气敏薄膜等.
1.3.2 纳米薄膜的功能
不同功能的薄膜都有着广泛的应用，以下举几种纳米功能薄膜加以说明.
硬质薄膜的研究在工业生产中提高运转部件表面耐磨性方面具有重要的应用背景.如何使硬度最高的金刚石形成好的薄膜，多年来一直是人们追求的目标.对于自由空间热丝法气相生长金刚石温度场和流场的模拟计算和实验研究，揭示了温度场不均匀性、热阻塞和热绕流现象是造成金刚石薄膜层质量波动和生长速率低的重要原因.对多种工作模式流场的模拟和对形核、生长及膜层质量的实验研究结果表明，通过合理选择反应器结构和生长条件，可以控制反应状态参数空间场，实现金刚石薄膜大面积高速生长.这为设计工业型气相生长金刚石反应器提供了依据，展示了生长金刚石薄膜的发展前景.
光信息存储是利用调制激光把要存储的数字信息记录在由非晶材料制成的记录介质上，这是“写入”过程.取出信息时，用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息，这是“读取”过程.这种在衬盘上沉积有记录光学信号薄膜的盘片叫做光盘.它比磁盘存储密度高1～2个数量级，有较高的数据读、写速率（可达Mb／s数量级）.因记录介质封入保护层中，激光的写入和读取都是无机械接触的过程，所以有很长的存储寿命.光盘的常用记录介质被制成三层消光反射结构：先在基底上沉积高反射Al膜，再沉积一层透明的SiO2层，最后沉积Te薄膜.Te层在较强激光束的作用下烧蚀成信息坑，用来记录信息.当SiO2层的厚度满足nλ／4时（λ为激光波长，n为正整数），可使在SiO2-Al界面反射后透出的光线与在Te-SiO2界面反射透出的光线相干抵消，这就在光盘无记录区实现“消反”；在记录区，由于坑孔的存在而解除消反，因而在播放光盘时信号的对比度得到提高.
当今，信息存储已被普遍应用，存储密度日新月异地快速提高，这在很大程度上有赖于磁性薄膜的研究成果.人们通过对铁磁金属/非磁金属多层膜和铁磁金属/非金属隧道结的层间耦合及巨磁电阻进行的理论研究和实验研究，提出了单带紧束缚电子模型，研究了温度关系并给出经验公式，提出了新的非共线层间耦合理论以及随层厚振荡的自洽理论，预言了电子自旋极化共振隧穿和高巨磁电阻现象.人们在Co/Cu多层膜中观察到耦合作用随缓冲层厚度的周期变化，并用Cu核磁共振方法在Fe/Cu多层膜中验证了层间耦合引起的自旋极化及其空间振荡分布.人们还研究了几种新型多层结构和自旋阀膜的磁性及巨磁电阻薄膜，观察到室温下巨磁电阻为正值（达15％），还获得了110%和38%的巨磁电感比和巨磁阻抗比，这类薄膜具有很大的应用价值.
自1986年稀土（rare earth，简称RE）元素氧化物高温超导材料被发现以来，曾掀起世界范围的超导研究热潮.除典型的稀土元素氧化物YBaCuO之外，还陆续发现了BiSrCaCuO和TiBaCuO的非稀土元素氧化物超导材料.超导体在电子学方面的美好应用前景鼓舞着人们更加重视超导薄膜的研究.例如，用超导薄膜可制成微波调制、检测器件，超高灵敏的电磁场探测器件，超高速开关存储器件.目前研究的重点是提高薄膜的超导参量，制备出结构和参量稳定的超导薄膜.在探讨高Tc（超导临界温度）相结构及其形成规律的同时，也在深入研究多晶薄膜的超导机理.
光电薄膜是重要的信息功能材料，它把光信号转变成电信号.红外材料在军事需求下迅速发展，如红外辐射材料、红外光学材料、红外探测材料、红外隐身材料等，其中红外探测材料是重要的研究课题.红外技术主要是指红外辐射探测技术，经过漫长的发展历程已形成比较完善的红外系统，一般包括四部分：用于收集红外辐射、扫描成像、光学编码等光学机械的装置；进行光电-电光转换的红外探测器；进行电信号放大处理的电子信号处理装置；用于记录显示和伺服的驱动装置等.先进的军用红外系统不断涌现，性能不断提高，应用范围日益扩大，地位显得越发重要.红外技术在军事应用中有诸多特点：一是具有更好的全天候性能，不分白天黑夜，均能使用，特别适合夜战需求；二是采用无源被动接收系统，比用无线电或可见光装置进行探测要安全、隐蔽，不易受干扰，保密性强；三是利用目标和背景红外辐射特性的差异便于目标识别、揭示出伪装目标；四是用于制导，体积小、造价低、命中率高，其目标显示分辨率比雷达高出1～2个数量级.因此，欧美各国相继发展并装备了多种型号的红外系统，尤其是美国在军事工业中极为重视红外探测器的应用和发展.
薄膜性能的优劣在很大程度上取决于制备薄膜的技术，现在国际上对新的成膜技术研究投入了很大力量.在新的成膜技术的研究中，人们利用激光分子束外延技术可生长出高质量的铁电薄膜、超导薄膜和多层膜，并探索制备了新型超晶格薄膜.结果表明，激光分子束外延薄膜的表面比普通激光沉积薄膜的光滑，无明显颗粒，薄膜质量有明显提高.研究并制备成功的LB膜仿生嗅乙醇传感器能在室温下工作，灵敏度高，可逆性好，响应快，能定量检测.利用紫外脉冲激光晶化技术在较低的基底温度下可获得完全钙钛矿结构的铁电膜，此技术有重要的应用价值.
LB膜是有机分子薄膜.如羧酸及其盐、脂肪酸烷基族、染料、蛋白质等构成的分子薄膜，其厚度可以是单分子层，也可以是由多分子层叠加而成.多层分子膜可以是同一材料组成的，也可以是多种材料的调制分子膜，后者也称为超分子结构薄膜.美国科学家朗缪尔（Langmuir）和他的学生Blodgett在水-气界面上将不溶解的分子加以紧密、有序排列，形成单分子膜，然后再转移到固体表面，建立起一种单分子膜制备技术.在第二次世界大战期间，Langmuir发展了单分子理论，之后Blodgett详细地描述了单分子层的相转换过程，从而开辟了LB分子膜的科学研究领域.由于单分子膜的自然取向特性和分子构造的可控性，使LB膜具有广泛的应用领域，如分子聚合、光合作用、磁学、微电子学、光电器件、激光技术、光学信息存储、声表面波器件、红外检测器件等.由于LB膜很容易制成多层分子膜，故可制成光学上的抗反射涂层、相干滤波器，用于集成光学中.在LB膜中加入金属，可以改变光的反射和吸收特性及电学特性.有些LB膜具有很好的导电特性，且往往是各向异性的，其垂直膜层和平行膜层方向的导电机制是不同的，例如，平行膜层的电流I与电压V满足I∝Vn（n＝1／4），而垂直膜层的电阻可能大得多.有些LB膜是很好的绝缘体，加在固体集成器件中可以大大地改进该器件的性能.LB膜也是有机分子器件的主要材料.
纳米薄膜材料的研究是纳米科学技术领域的重要内容，世界上的发达国家都把纳米薄膜材料的研究列入国家发展规划中.我国对纳米薄膜材料的研究也非常重视，国家自然科学基金在2002—2004年资助的相关项目就超过百项，涉及材料学部、化学学部、物理学部和信息学部.