纳米材料与制备15.pdf

第四章纳米材料的性能与应用 4.1 纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应 4.2 纳米材料的物理特性 4.3 纳米材料的应用 4.1 纳米材料的基本效应 44.11.11 量子尺寸效应量子尺寸效应 4.1.2 库库仑堵堵塞与量子隧穿效应与量子隧穿效应 4.1.3 表面效应 4.1.4 小尺寸效应 4.1.1 量子尺寸效应 (1)(1) 固体能带理论固体能带理论 ((2)) 纳米颗粒的能带性质纳米颗粒的能带性质 (3) 量子尺寸效应 (1) 固体能带理论 原子中电子的运动轨道可分为原子中电子的运动轨道可分为11s22s22p33s33p3d3d等等，这些运动这些运动 轨道对应于不同的电子能级，孤立原子的每一个能级是分 立的。但当这些孤立原子逐渐靠近形成晶体时，各个原子 的外层电子会发生不同程度的交叠的外层电子会发生不同程度的交叠。使电子的运动不再局使电子的运动不再局 限于某一个原子，而是转移到相邻原子乃至整个晶体，形 成电子的共有化运动，此时孤立原子的能级扩展成为能带。 能带形成示意图能带形成示意图—— 以金属以金属NNa 3S3S能级为例能级为例 能带理论((Energygy band theoryy )) 是讨论晶体((包括金属、 绝缘体和半导体的晶体) 中电子的状态及其运动的一种重 要的近似理论要的近似理论。它把晶体看成它把晶体看成一个大分子个大分子，这个分子由晶这个分子由晶 体中所有原子按照分子轨道理论组合而成。 能带理论可以解释许多实验规律和现象，如固体材料有 导体导体、半导体和绝缘体之分半导体和绝缘体之分，他们的导电性能为何不同他们的导电性能为何不同。 满带满带、导带导带、价带价带、禁带禁带 满带满带：电子从低能量到高能量填满电子从低能量到高能量填满一系列的能带系列的能带，在能量低在能量低 的能带中都填满了电子，这些能带称为满带； 导带：能量最高的能带往往是全空或半空的，电子没有填满， 称为导带称为导带； 价带：在导带下的那个满带，其电子有可能跃迁至导带，称 为价带； 禁带：两者之间没有电子存在的区域称为禁带，禁带宽带E 。 g 碱金属碱金属 碱土金属碱土金属 导体导体能导电的根本原因在于能导电的根本原因在于，导体中存在未填满的能带导体中存在未填满的能带(( 由由 于电子未充满或能带重叠) ，也可以认为导体的导带和价带 是重合的，中间没有禁带。因此只需很少量的能量，满带中 的电子就能跃入未满带的空分子轨道中的电子就能跃入未满带的空分子轨道中，，使导体具有导电性使导体具有导电性。。 绝缘体绝缘体的特征是价电子都处于满带中的特征是价电子都处于满带中，导带是空的导带是空的，没有没有 自由电子，而且禁带宽带很宽，通常E 大于5.0 Ev ，价带 g 的电子难以跃迁到导带，所以绝缘体不导电。 半导体半导体的能带与绝缘体的相似的能带与绝缘体的相似，虽然价带中虽然价带中一般也没有自般也没有自 由电子，但禁带宽度较窄，在0.5-3.0 eV 。在一定条件下， 价带的电子可以跃迁到导带，因此可以导电。 (2) 纳米颗粒的能带性质 根据能带理论，在金属块体中，相邻的两分子轨道的能量差 非常小，而且由于能级分裂，使得能级之间的间隔更小，因 此金属块体中的能级可以看成是连续的。 但当金属材料的尺寸减小的但当金属材料的尺寸减小的一定程度时定程度时，能带理论就不适用能带理论就不适用 了。在金属纳米材料中原子个数是有限的，此时能级之间的 间隔就不容忽视间隔就不容忽视，也就是说纳米材料的电子能级不是连续的也就是说纳米材料的电子能级不是连续的， 而是离散的。 电子能级间隙与微粒尺寸之间的关系电子能级间隙与微粒尺寸之间的关系——久保理论久保理论 N:N: 一个微粒中总导电电子数个微粒中总导电电子数，V:V: 微粒体积微粒体积，EE :: 费米能级费米能级 F 费