2.4介电限域效应与宏观量子隧道效应.pptVIP

2.4 介电限域效应与宏观量子隧道效应 纳米微粒的介电域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响，因此，在分析纳米材料的光学现象时，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域有效应。 纳米微粒分散在异质中由于界面引起的体系介电增强的现象通常称为介电限域效应。主要来源于： ——微粒表面和内部局域场的增强。 （1）介电限域效应 （1）单一颗粒的Brus公式，颗粒的介电常数连续 第二项是体相带隙 第二项是电子一空穴量子限域能，导致蓝移（量子尺寸效应，是主要的） 第三项是电子一空穴库仑作用能，导致红移（小尺寸效应，是次要的） 第四项是有效里德伯能 蓝移 随着r的减小，量子限域能的增大超过库仑能的增大而成为主要项，因而最低激发态能量向高能端移动，能级出现量子化→量子尺寸效应→蓝移 （2）介电复合材料：半导体纳米颗粒中的激子除了量子尺寸效应作用以外，还受介电限域效应的作用。 第二项是电子一空穴空间限域能，导致蓝移（量子尺寸效应） 第三项是电子一空穴库仑作用能，导致红移（小尺寸效应） 第四项是介电限域效应后表面极化能，导致红移 第五项是其它因素 (如与振动态的偶合和微粒的表面结构变化等)的能量修正项 Takagahara采用有效质量近似法，把不同介质中的纳米微粒系统的能量近似表述为(以有效里德伯能量为单位)（Phys,Rev.B.1993,47:4569) 红移 例：介电限域效应对SnO2纳米微粒光学特性的影响 ——《物理化学学报》 实验：将SnCl2加入甲苯中,再加入适量的表面活性剂:硬脂酸(ST,介电常数为1.2)、唬拍酸一2一己脂磺酸钠(AOT，介电常数为2.0)和十二烷基苯磺酸钠(DBS，介电常数为2.01)，然后加水水解，回流并除去HCI，便可制得3种表面包覆活性剂的SnO2纳米微拉，化学反应过程如下: 随着粒径减小，与体材料相比，红移项和蓝移项同时起作用，实际上是相互竟争的：当对半导体的纳米微拉表面进行化学修饰后，由于?半和?介相差较大，表面极化能增大；屏蔽效应减弱，电子-空穴库仑作用增强，从而使第三项和第四项成为影响SnO2能隙的重要因素，第二项（量子尺寸效应）变为影响能隙的次要因素。 ?半和?介差值越大，介电限制效应越强，红移越大。 核心：由于纳米微粒具有相对大的表面积，粒子周围的介质可以强烈地影响其光学性质。 纳米微粒的荧光光谱 ?-Fe2O3 超微粒表面包裹前后的紫外–可见光吸收光谱 ——A样品在小于280 nm的紫外光范围内具有较强的吸收，吸收边为520nm，在450 nm处出现吸收肩峰，说明?-Fe2O3超微粒存在双激子现象。 ——B样品在可见光范围内的吸收边为836nm。 Fe2O3体材料的禁带宽度Eg=2.2eV，?=565 nm ?-Fe2O3包裹在硬脂酸（?r=1.2）中 例：表面包裹?-Fe2O3超微粒的光谱特性研究 《电子元件与材料》 （2）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 微观的量子隧道效应可以在宏观物理量中例如微粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等表现出来，称为宏观量子隧道效应。（宏观量子所产生的隧道效应） 超导宏观量子隧道效应（超导约瑟夫逊效应：1962年约瑟夫逊22岁预言Cooper电子对有隧道效应，1973年诺贝尔物理奖） 用两个超导体(S1和S2)，中间隔着一层绝缘膜（约20埃），当电压施加于二超导体电极上时，超导的Cooper电子对可以通过隧道效应从S1移到S2，或相反，形成振荡电流 ，外加电场可控制振荡电流的大小。 宏观量子隧道效应会是未来微电子器件的基础，它既限制了微电子器件进一步微型化的极限，又限制了颗粒记录密度。 ——磁性颗粒太细时，小于临界尺寸，进入顺磁性。 ——磁性颗粒相距太近时，畴壁处的隧道效应使磁性记录强度不稳定。