第三章-纳米材料基本的物理效应.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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。,（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。,（,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,。,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35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。,粒径(nm),2 nm,5nm,10nm,100nm,原子总数,350,4000,30000,310,6,表面原子百分数,86,40,20,2,比表面积(m,2,/g),450,180,90,9,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空气中会吸附气体,并与气体进行反应。,三、,量子尺寸效应,当粒子尺寸下降到某一值时,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定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。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,原子、大块晶体、和纳米晶的能态,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,:,正比于V,-1,(1/d,3,),对于宏观物体包含无限个原子：,导电电子数N,，,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。,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。,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,e,2,/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,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,e,2,/2C,越大,(e,2,/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,.,由于库仑堵塞效应的存在,电流随电压的上升不再是直线上升,而是在,I-V,曲线上呈现锯齿形状的台阶,.,六、,介电限域效应,介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象。,主要,来源于微粒表面和内部局域场强的增强,。,当介质的折射率比微粒的折射率差很大时，产生了折射率边界,这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加,这种局域场强的增强称为介电限域.,一般来说,过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。,纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。,