纳米材料基本效应.ppt

*3超微颗粒的能级对于介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中的连续的能带分裂为分立的能级，能级间的距离随颗粒尺寸减小而增大。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(HOMO)和最低未被占据的分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽现象，称为量子尺寸效应。第30页，课件共52页，创作于2023年2月*能隙展宽的原因：单个原子具有离散的能级，由数个原子构成半导体团簇的能级也是离散的，类似于分子的能级性质。随着团簇内原子数的增加，成键轨道（HOMO）和反键轨道（LUMO）能级不断增多，表现为HOMO和LUMO带的不断展宽，从而导致如图所示的HOMO和LUMO带间隔的不断缩小，即禁带宽度的减小。当原子数增加到非常多时，离散的能级变成实际上连续的能带，称为宏观的块体材料，此时两能带间的距离即块体材料的禁带宽度。LUMOHOMO第31页，课件共52页，创作于2023年2月*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。分析如下：第32页，课件共52页，创作于2023年2月*对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)。由久保公式：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。------能带第33页，课件共52页，创作于2023年2月*而对纳米微粒，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kBT、静磁能μ0μBH、静电能edE、光子能量hv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。第34页，课件共52页，创作于2023年2月*量子尺寸效应：由尺寸减小，超微颗粒的能级间距变为分立能级，如果热能，电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，超微颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如纳米微粒的比热、磁化率、催化性质与所含的电子奇偶性有关，导体变绝缘体等。不透明的物质变为透明（铜）；惰性材料变成催化剂（铂）；稳定的材料变得易燃（铝）；在室温下的固体变成液体（金）；绝缘体变成导体（硅）。第35页，课件共52页，创作于2023年2月*Ag微粒为例计算在1K时出现量子尺寸效应(导体—绝缘体)的临界粒径d0，Ag的电子密度n=6x1022/cm3，由久保公式得到?/kB=(1.45x10-18)/V(Kcm3)第36页，课件共52页，创作于2023年2月*如果取δ/kB=1K，微粒直径为d，代入上式，求得d0＝14nm。根据久保理论，只有δ＞kBT时才会产生能级分裂，从而出现量子尺寸效应，即?/kB=(1.45x10-18)/V1第37页，课件共52页，创作于2023年2月关于纳米材料基本效应*第1页，课件共52页，创作于2023年2月*§第一节表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。100纳米10纳米1纳米0.1纳米随着尺寸的减小，比表面积迅速增大第2页，课件共52页，创作于2023年2月*纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。1、比表面积的增加比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积(G代表质量，m2/g)(V代表颗粒的体积；m-1)第3页，课件共52页，创作于2023年2月*边长立方体数每面面积总表面积1cm10-5cm(100nm)10-6cm(10nm)10-7cm(1nm)11015101810211cm210-8cm210-12cm210-14cm26cm26×105cm26×106cm26×107cm2当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立