第三章 纳米材料基本的物理效应_PPT课件

• 如果两个量子点通过一个“结”连接起来, 一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一 个量子点上的行为称作量子隧穿。
electron
• 有人估计,如果量子点的尺寸为1nm左右, 我们可 以在室温下观察到上述效应.当量子点尺寸在十几 纳米范围, 观察上述效应必须在液氮温度下.原因 很容易理解, 体系的尺寸越小,电容C越小,e2/2C越 大,[(e2/2C)>kT] 这就允许我们在较高温度下进行 观察.利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一 代的纳米结构器件, 如单电子晶体管和量子开关 等.
四、宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因 此存在隧道效应。隧道效应是基本的量 子现象之一，即当微观粒子的总能量小 于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势 垒。近年来，人们发现一些宏观物理量， 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为 宏观的量子隧道效应。
• 宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重 要意义。 它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极 限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件 的基础, 或者它确立了现存微电子器 件进一步微型化 的极限。当微电子器件进一步细微化时 , 必须要考虑 上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时， 当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应 而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限 尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体 管就是利用量子效应制成的新一代器件。
• 一、小尺寸效应 • 二、表面效应 • 三、量子尺寸效应 • 四、宏观量子隧道效应 • 五、库仑堵塞与量子隧穿 • 六、介电限域效应
一、小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件 下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺 寸变小所引起的宏观物理性质的变化称 为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸 变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生如下一系列新奇的性质。
空气中会吸附气体 , 并 与气体进行反值时 , 金属费米 能级附近的电子能级由准连续变为离散 能级的现象以及纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据分子轨道和最低未被 占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象 均称为量子尺寸效应。
各种 元 素 的 原 子 具 有特 原子、大块晶体、和纳米晶的能态 定的光谱线，如钠原子
δ正比于V-1(1/d3)
对于宏观物体包含无限个原子： 导电电子数N →∞， δ →0 即 对于大粒子或宏观物体能级间距几乎为0
对于纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导 致为一定的值，即能级间距发生分裂。
当能级间距大于热能、电场能或者磁场能 时，这时必须考虑量子尺寸效应，且会导 致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导 性与宏观物体截然不同的反常特性。例如， 导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体， 光谱线会产生向短波长方向的移动。
（1） 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有 的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小， 颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属 铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反 射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就 能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光 热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转 变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感 元件、红外隐身技术等。
具有黄色的光谱线。由
无数的原子构成固体时，
单独原子的能级就并合
成能带，由于电子数目
很多，能带中能级的间
距很小，因此可以看作
是连续的，从能带理论
出发成功地解释了大块
金属、半导体、绝缘体
之间的联系与区别。
原子
固体 固体能级填充 纳米晶
能带理论表明，金属费米面附近电子能级一般是连续的， 这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有 有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的， 根据久保提到能级间距与费米能级和金属颗粒直径的关 系:
粒径(nm)
2 nm 5nm 10nm 100nm
原子总数Ｎ
350 4000 30000 3×106
表面原子百分数 86 40 20
2
比表面积(m2/g) 450 180 90
9
表 100
面
原 80
子比 数例
60
相（ 对
%
40
总）
原 20
子 数0
0 10 20 30 40 50
• 由于表面原子数增多 , 原子配位不足及高的表 面能 , 使这些表面原子 具有高的活性 , 极不稳 定 , 很容易与其他原子 结合。例如金属的纳米 粒子在空气中会燃烧 , 无机的纳米粒子暴露在
研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是 由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料，其 应用前景十分宽广。
二、表面效应
• 纳米微粒尺寸小 , 表面能高 , 位于表面的原子占相当大的比 例。随着粒径减小 , 表面原子 数迅速增加。这是由于粒径 小 , 表面积急 剧变大所致。
五、库仑堵塞与量子隧穿
• 库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重 要的物理现象之一。
• 当体系的尺度进入到纳米级 (一般金属粒子为几个纳米 , 半导体粒子为几十纳米 ), 体系是电荷 “量子化 ” 的 , 即 充电和放电过程是不连续的, 充入一个电子所需的能量 Ec 为 e2/2C,e 为一个电子的电荷,C为小体系的电容, 体系越 小,C 越小, 能量Ec 越大.我们把这个能量称为库仑堵塞能 . 换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑 排斥能, 这就导致了对一个小体系的充放电过程, 电子不能 集体传输, 而是一个一个单电子的传 输.通常把小体系这种 单电子输运行为称库仑堵塞效应
（4）特殊的力学性质
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材 料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其 强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的 毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大， 12级台风有也吹不掉它。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而 由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一 样具有良好的韧性。