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纳米金属薄膜是指厚度在纳米量级的由金属晶粒(或颗粒)构成的薄膜。由于表面效应、体积效应和纳米尺寸效应(包括物质本构参数在纳米尺度范围的经典尺寸效应和量子尺寸效应),金属薄膜呈现出与金属块体材料不同的新特性,因而具有良好的应用前景。在电磁波领域,如紫外可见波段,金属表面等离子体共振由于其在生命检测上潜在的应用价值成为当前研究的热点;在无线电波和微波波段,当金属薄膜厚度远小于趋肤深度时,电磁波能很好的进入薄膜内部,而且薄膜对电磁波的色散和吸收作用较弱(相对于紫外波段的共振吸收),故有望在微波器件和吸波材料等方面得到应用。
本论文工作将研究铝膜沉积参数与薄膜表面形貌、薄膜电导率、微波反射率以及等效介电常数的关系。通过研究纳米金属薄膜生长过程中厚度和表面形貌,了解沉积参数与纳米金属薄膜导电性能,介电特性的关系;通过研究纳米金属薄膜与电磁波发生电磁响应的可能模式,力图建立结构参数与等效电磁参数之间的对应关系。在此基础上,提高纳米金属薄膜电磁特性的可控性、可调性,为实际应用提供理论和实验依据。
金属薄膜的本征电磁参数和吸收率实验结果表明:随着沉积时间和薄膜厚度的增加,金属薄膜表面粗糙度变化不大,但金属薄膜电导率会随着薄膜厚度的增加逐渐增加,直至趋近于固定值;在考虑表面散射、晶界散射后,利用电导率尺寸效应模型计算的结果与实验结果符合得很好。在铝膜和电介质层复合结构中,厚度在纳米量级的铝膜,对电磁波存在一定的吸收,且吸收率与铝膜电导率的尺寸效应对应相关;复合结构整体吸收率的大小与电介质层的厚度和介电常数、入射波角度和极化方式有关,其中,吸收峰的峰位由电介质层的厚度和介电常数决定,峰高由铝膜的厚度来确定。考虑铝膜电导率的尺寸效应后,微波吸收率峰高计算结果与实测结果符合得相当好,但吸收峰峰位与实验还存在一定差距,需要进一步的实验测定。
另外,为验证有关结果,利用有限元模拟软件Ansofts HFSSTM对铝膜/电介质复合结构的吸收特性进行了模拟,并根据S参数反演理论开发出一套薄膜等效电磁参数测试程序,由此得到了薄膜的等效介电常数和磁导率。模拟结果表明:在金属膜/电介质复合结构中,反射率会随着薄膜厚度的增加而增加,透射率则随之增加而减少;金属膜/电介质复合结构吸收率峰位只与电介质厚度和介电常数有关,与薄膜厚度的变化无关;等效介电常数和磁导率的S参数反演结果表明薄膜厚度的变化对等效介电常数实部和磁导率实部虚部影响都不大,但是对等效介电常数虚部影响显著。