基本理論ppt課件(編輯修改稿)
2025-05-31 22:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ? 由此式表明 ， 隨著 d值下降 ， W增加 ， 低溫下熱漲落很難改變超微粒子電中性 。 dkdedeWk BB5202 4????????? 在 EF處 ， 能級間距 δ， 一個能級有兩個自旋態(tài)即 ? 所以 ? 對比宏觀固體 ， N~1024, 趨于無窮大 ， 則 δ ~ 0。 ? 當(dāng)粒子為球形時 ， ? 明顯： 隨粒徑的減小 ， 能級間隔增大 。 ? ? ???? FENV2? ? NEVENFF 342 ???? ?FF EnEN23?? 久保及其合作者提出 相鄰電子能級間隔和顆粒直徑的關(guān)系 ， 如下圖所示 ? 3. 從宏觀到微觀的能態(tài)密度 ? 納米材料具有小的尺寸 ， 這直接影響著它們的能級結(jié)構(gòu) ， 也間接改變了相應(yīng)的原子結(jié)構(gòu) ， 這種影響通常被定義為 量子限域 。 ? 在納米晶體中 ， 塊狀晶體的平移對稱性和無限尺寸的假設(shè) 不再成立 ， 因此塊狀晶體的能級模型不能適用于納米晶 。 ? 如圖 ， 納米晶的能級是離散的 ， 與單個原子和小原子簇相比 ， 能級密度更大 ， 能級間距變??；與常規(guī)固體相比 ， 能級密度變小 ， 能級間距變大 。 ? 通常將具有離散能級的納米晶稱為量子點 。 能帶和帶隙的概念適用 。 ? 例如 ， 對于 金屬量子點 ， 在 Fermi能級附近的能級間距與 ~EF/Nc呈正比 ， Nc為量子點中的電子數(shù) 。 ? 假設(shè) N接近于 1個原子 ， EF為幾個 eV， 那么金屬量子點的禁帶可以 在非常低的溫度下 觀察到 。 ? 相反 ， 對于 半導(dǎo)體量子點 ， 禁帶非常寬 ， 在室溫下就可以觀察到 。 ? 例如 CdSe量子點在可見光范圍出現(xiàn)尺寸可調(diào)的熒光發(fā)射 。 Different samples of CdSe nanocrystals in toluene solution 可以進(jìn)行全波段發(fā)光。顏色由禁帶寬度決定。 ? Electrons in 3D system 塊體材料 ? 當(dāng) 一塊材料的三個維度的 尺寸大小都遠(yuǎn)比其電子系統(tǒng)的費米波長大很多 時，可以用 自由電子模型 來處理這個電子系統(tǒng)。 電子的能態(tài)密度 并不是均勻分布 的， 電子能量越高，能態(tài)密度就越大 。 ? Electrons in 2D system Quantum Well ? 1970年 江崎和朱兆祥 提出 量子阱和超晶格 。 z方向 維度小于自由載流子的 De Brogile波長 時 ， 就會有一個額外的能量來限制載流子在該方向上的運動 ， 電子在該方向上的運動變得量子化 ，在 x,y平面 自由運動的 準(zhǔn)連續(xù)能級 ， 這種體系稱為 二維電子氣 。 z方向 Δkz是離散的 x,y方向 Δk是連續(xù)的 ? Electrons in 1D system Quantum Wire ? 當(dāng)固體沿著 z和 y方向同時收縮 ， 那么電子僅僅在 x方向上才能自由運動 ， 在 y、 z兩個維度上的運動受到固體邊界的限制 ， 這種體系稱為 量子線 。 ? 也就是說 載流子在一個方向上可以自由運動 ，在其它兩個方向上的運動變得量子化 。 ? GaN納米線 ? 電子在 x方向上的自由運動 ， 應(yīng)用 周期性邊界條件 的概念可以得到 平行于 kx軸的態(tài)或能級的準(zhǔn)連續(xù)分布 。 ? 電子在 其它方向上受到限制 可以通過 定態(tài)薛定諤方程 得到 量子化的能級 ky和 kz。 ? 可以想像所有態(tài)都是平行于 kx軸的線 ， 這些線在 ky和 kz方向上是離散的 ， 但是在每一條線中kx態(tài)的分布是準(zhǔn)連續(xù)的 。 ? 如圖 ? Electrons in 0D system Quantum Dot ? 當(dāng)載流子在三維方向上的運動都受到限制 ， 這個體系稱為量子點 。 ? 但是這個定義不太嚴(yán)格 ， 例如包含幾個原子的團(tuán)簇不能認(rèn)為是量子點 。 雖然團(tuán)簇的尺寸小于De Broglie波長 ， 但 它們的性質(zhì)依賴于原子的具體數(shù)目 (幻數(shù)效應(yīng) )。 ? 大的團(tuán)簇具有非常確定的晶格 ， 而且性質(zhì)不再依賴于原子的具體數(shù)目 。 因此 ， 通常量子點是指這些尺寸比較大的團(tuán)簇 。 ? 在一個量子點中 ， 由于 電子在三個維度上的運動都受到限制 ， 在 k空間中只能存在離散的態(tài)(kx, ky, kz)， 相當(dāng)于倒空間中的一個點 。 最終 ，能帶 變成類似原子的能態(tài) ， 僅僅存在離散的能級 。 ? 如圖 ， 能帶會聚成類似原子的能態(tài) 。 ? 與體材料相比 ， 量子點的帶隙明顯變寬 ， 能量呈現(xiàn)量子化 ， 電子態(tài)向高能方向移動 。 ? 除了 能級離散外 ， 有限零點能量的發(fā)生也很重要 。 即使在基態(tài)的某一點 ， 導(dǎo)帶帶邊的電子能量高于體相電子 。 ? 總之，電子能態(tài)密度與尺度的關(guān)系為： 隨著尺度的降低，準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，在量子點出現(xiàn)完全分離的能級。 2－ D 量子阱 1－ D 量子線 0－ D 量子點 3－ D 大塊材料 **** 表面效應(yīng) ? 表面效應(yīng)是 指納米粒子的 表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比 隨著粒子 尺寸的減小 而大幅度的增加 ，粒子的 表面能及表面張力 也隨著增加 ， 從而引起納米粒子物理 、 化學(xué)性質(zhì)的變化 。 10納米 1納米 隨著尺寸的減小，表面積迅速增大 ? 納米粒子的 表面原子 所處的 晶體場環(huán)境及結(jié)合能 與 內(nèi)部原子 有所不同 ， 存在許多 懸空鍵 ， 具有 不飽和性質(zhì) ， 因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定 ， 具有很高的 化學(xué)活性
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