第一章 纳米材料的基本效应及其物理化学性质.ppt

纳米材料的物理化学性质 量子光电和介电特性： 对一些纳米材料来说，由于其界面存在大量的悬挂键，导致界面电荷分布发生变化发生变化，形成局域电偶极矩。在受外加压力作用下，偶极矩的取向分布等状况发生变化，宏观上产生电荷积累，产生强烈的压电效应。而同样材料若颗粒尺寸过大（超出纳米数量级），其界面急剧减小，从而导致压电效应消失。 纳米半导体材料的介电常数随工作频率的减少，表现出明显上升的趋势，而相应的非纳米材料的介电常数较低，在低频范围内上升趋势远低于纳米材料。在低频范围，纳米材料粒径很小时，介电常数较低，但随着粒径增大，介电常数明显增加，在某一临界尺寸呈极大值。 * 由于纳米粒子的尺寸、体积很小，所包含的原子、电子数目很少，因此许多现象不能用通常含有无数个原子的大块物质的性质加以说明。随着纳米颗粒尺寸不断减小的量变，在一定条件下将引起颗粒性质的质变。 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。银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 * * * * 一个典型利用磁性纳米微粒导航 * 矫顽力：使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度降为零所必须施加的磁场强度。或磁体保持永磁的能力。用材料磁饱和的磁感应强度降到零时所需的反向磁场强度来度量。 磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”，其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被就是所谓超顺磁效应 * 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。 对直径大于100nm的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于100nm时，其表面原子百分数激剧增长，这时的表面效应将不容忽略。 * 由于纳米颗粒易迅速氧化而燃烧、甚至爆炸，这为其收集、存储和使用带来了一定的困难。 * * 费米能级：就一个由费米子（电子、质子、中子）组成的微观体系而言，每个费米子都处在各自的量子能态上。如果把所有的费米子从这些量子态上移开。之后再把这些费米子按照一定的规则（例如泡利原理等）填充在各个可供占据的量子能态上，并且这种填充过程中每个费米子都占据最低的可供占据的量子态。最后一个费米子占据着的量子态即可粗略理解为费米能级。简单说费米能级是绝对零度时电子的最高能级（化学势）。 物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）提出费米能。 * 该式指出能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比。 能带理论表明，金属费米能级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， * 半导体：材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。 常规大块半导体的能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，导带和价带过渡为分立的能级，使半导体中的能隙变宽、吸收光谱阈值向短波方向移动，此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。 对比硅纳米晶粒的EL和PL光谱发现，电流激发发光可能会与光激发发光等效。 * 假设有一金属微粒与其周围外界在电学上是绝缘的，只有在特定的条件下电子才可能从外面隧穿进入该金属微粒。当金属微粒的尺寸足够小时，它与周围外界之间的电容C可小到10?16F的量级。在这种条件下每当单个电子从外面隧穿进入金属微粒时，它给库仑岛附加的充电能 e2/2C( e为电子电荷)可以远远大于低温下的热运动能量kT(k为玻耳兹曼常数，T是绝对温度)。这样就会出现一种十分有趣的现象：一旦某个电子隧穿进入了金属微粒，它将阻止随后的第二个电子再进入同一金属微粒。因为这样的过程将导致系统总能的增加，所以是不允许发生的过程。这就是库仑阻塞现象。很显然，只有等待某个电子离开库仑岛以后，岛外的另一个电子才有可能再进入。这样利用库仑阻塞效应就有可能使电子逐个隧穿进出库仑岛，实现单电子隧穿过程。 * 在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是如电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的几率穿过位势障壁。 * 为了使单电子从一个金属纳米颗粒隧穿到另一个金属纳米颗粒，这个电子的能量必须克服纳米颗粒的库仑阻塞能。 量子点（库仑岛）体积非常小，它与周围产生的分布电荷非常小（10-16F） 周围环境温度非常低，减少热涨落，消除干扰电子的运动。 ΔE充电电荷引入的静电势变化。 * * * 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常