纳米 第二章.ppt

第二章 纳米微粒的基本理论 2.1 电子能级的不连续性 2．1．1 久保理论 是关于金属粒子电子性质的理论,当颗粒尺寸进入到纳米级时,由于量子尺寸效应,金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分布发生变化，原大块金属的准连续能级产生离散现象. 低温下单个小粒子的费米面附近电子能级看成等间隔的能级． C（T）＝kBexp(-δ/kBT） δ为能级间隔, kB为玻尔兹曼常量，T为绝对温度． 在高温下， kBT ＞＞δ ，温度与比热呈线性关系，这与大块金属的比热关系基本一致， 在低温下（T → 0）， kBT ＜＜δ ，则与大块金属完全不同， 2.1.2 电子能级的统计学和热力学 子系综（subensemble)：平均能级间隔处于δ~ δ + dδ范围内的小粒子的集合体。 电子能级分布：粒子的表面势、电子哈密顿量的基本对称性；当粒子表面势不同使得简并态消失时，就取决于哈密顿量的变换性质：外界磁场（μBH)、自旋-轨道交互作用Hso与δ相比较的强弱程度 概率密度: PaN1 a= 0, 1, 2, 4 (泊松分布、正交分布、么正分布、耦对分布） 设电子的整个能谱用能态间隔为：…, -△2 ‘，- △1 ’， △0， △1， △2， …. 当H = 0时，找到N1个电子能级的概率表示为： PaN1（…, -△2 ‘，- △1 ’， △0， △1， △2， ….） 电子能级分布的四种情况 纳米微粒的χ与粒子所含电子的奇偶数有关表明其费米面附近电子能级是不连续的． 2.2 量子尺寸效应 概念：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和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，能隙变宽现象 宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→ ∞））可得能级间距δ→ 0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致δ有一定的值，即能级间距发生分裂． 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同． 2.3 小尺寸效应 概念：当超细微粒的尺寸与光波波长、 德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应 光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变 声子谱发生改变 应用 准熔化相概念的提出 纳米尺度的强磁性颗粒（Fe－Co合金，氧化铁等）当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域． 纳米微粒的熔点可远低于块状金属．例如 2nm的金颗粒熔点为 600K，随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺 利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等． 2.4 表面效应 纳米Cu微粒的粒径与比表面积，表面原子数比例，表面能和一个粒子中的原子数的关系 表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化 2.5 宏观量子隧道效应macro quantum tunneling effect 隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力 宏观的量子隧道效应 ：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,通常称为宏观量子隧道效应.量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将是未来微电子、光电子器件的基础,或者可以说它指出了现有微电子器件进一步小型化的物理极限,当微电子器件进一步微型化时必须考虑上述的量子效应 宏观量子隧道效应由于电子具有波粒二象性因此存在隧道效应而纳米材料的一些宏观物理量也表现出隧道效应故称为宏观量子隧道效应 2.6 库仑堵塞与量子隧穿 库仑堵塞能：当体系的尺度进人到纳米级（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． 库仑堵塞效应：对一个小体系的充放电