第一章-納米材料的基本效應(yīng)及其物理化學(xué)性質(zhì)(編輯修改稿)
2024-09-12 00:39 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 般是連續(xù)的，這一點(diǎn)只有在 高溫 或 宏觀尺寸 情況下才成立。對于宏觀物質(zhì)包含無限個(gè)原子（即導(dǎo)電電子數(shù) N→∞ ），由上式可得能級間距 δ→0 ，即對大粒子或宏觀物體能級間距幾乎為零；而對納米粒子，所包含原子數(shù)有限， N值很小，這就導(dǎo)致 δ有一定的值，即能級間距發(fā)生分裂。 當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，必須考慮量子尺寸效應(yīng)。 公式中： EF為費(fèi)米勢能， N為粒子中的總電子數(shù)。 久保（ Kubo）采用一電子模型求得金屬納米晶粒的能級間距 δ為： N3E4 F??量子尺寸效應(yīng) 宏觀狀態(tài)下的金屬 Ag是導(dǎo)電率最高的導(dǎo)體，但粒徑 d20nm的 Ag微粒在 1K的低溫下卻變成了絕緣體。 由于其電子能級 δ變大，低溫下的熱擾動(dòng)不足以使電子克服能隙的阻隔而移動(dòng)，電阻率增大，從而使金屬良導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體。 對半導(dǎo)體而言，在尺寸小于 100nm的納米尺度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體納米微粒隨著其粒徑的減小也會(huì)呈現(xiàn)量子化效應(yīng)，顯現(xiàn)出與常規(guī)塊體不同的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。 實(shí)例：當(dāng)硅納米晶粒的直徑低于 5 nm時(shí)，可在室溫下光致發(fā)光；當(dāng)硅晶粒的直徑超過 3 nm時(shí)發(fā)紅光，直徑為 2~3 nm時(shí)發(fā)綠光，直徑在 2 nm以下時(shí)發(fā)藍(lán)光，因此只要控制納米晶粒的大小，則在硅襯底上通過電致發(fā)光獲得發(fā)紅、綠、藍(lán)色的 LED（ 發(fā)光二極管）。 庫侖阻塞效應(yīng) 當(dāng)一個(gè)物理體系的尺寸達(dá)到納米量級時(shí)，電容也會(huì)小到一定程度，以至于該體系的 充電 和 放電 過程是不連續(xù)（即量子化）的，電子不能連續(xù)地集體傳輸，而只能一個(gè)一個(gè)單電子地傳輸，通常把這種在納米體系中電子的單個(gè)輸運(yùn)的特性稱為 庫侖阻塞效應(yīng) 。 充入一個(gè)電子所需的能量稱為 庫侖堵塞能，即前一個(gè)電子對后一個(gè)電子的庫侖排斥能： CeE 2C ?e為一個(gè)電子的電荷， C為小體系的電容。 此能量在室溫時(shí)與熱能相比非常小，而當(dāng)導(dǎo)體尺度極小時(shí)，C變得很小，能量 EC就會(huì)變得很大；尤其在低溫時(shí)，熱能也很小，庫侖阻塞能 ECkBT（熱擾動(dòng)能），就可以觀察到單電子輸運(yùn)行為使充放電過程不連續(xù)，就可開發(fā)作為單電子開關(guān)、單電子數(shù)字存儲(chǔ)器等器件應(yīng)用。 量子隧穿效應(yīng) 根據(jù)量子力學(xué)的基本理論，當(dāng)微觀粒子被高度和厚度均為有限的勢壘所限域時(shí)，即使該微觀粒子所具有的能量低于勢壘高度，微觀粒子仍有一定的概率出現(xiàn)在勢壘限域區(qū)之外。就像是微觀粒子在勢壘壁上打了個(gè)洞而跑出，這種現(xiàn)象就稱為微觀粒子的 隧穿效應(yīng) 。 量子力學(xué)的觀點(diǎn)來看，電子具有波動(dòng)性，其運(yùn)動(dòng)用波函數(shù)描述，而波函數(shù)遵循薛定諤方程，從薛定諤方程的解就可以知道電子在各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率密度，從而能進(jìn)一步得出電子穿過勢壘的概率。 量子隧穿效應(yīng) 在電學(xué)里，導(dǎo)電是電子在導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，如果在兩塊金屬（或半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）之間夾一層厚度約為 極薄絕緣層，構(gòu)成一個(gè)稱為“結(jié)”的元件。那么電子從一個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)顆粒就會(huì)像穿越隧道一樣；若電子的隧道穿越是一個(gè)一個(gè)地發(fā)生，則會(huì)在電壓 電流關(guān)系圖上表現(xiàn)出臺(tái)階曲線，這就是 量子隧穿效應(yīng) 。 I v R 庫侖島 利用庫侖阻塞效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)
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