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2025-05-10 22:05本頁(yè)面
【正文】 ? 由于納米晶體材料中含有大量的晶界 ， 因而晶界上的原子占有相當(dāng)高的比例 。 ? 它們是由一個(gè)中心原子和繞其緊密堆積的 … ..層外殼構(gòu)成 。 ? 表給出了 不同尺寸的緊密堆積的全殼型團(tuán)簇中表面原子所占的比例 。 邊長(zhǎng) 立方體數(shù) 每面面積 總表面積 1 cm 105 cm (100 nm) 106 cm (10 nm) 107 cm (1 nm) 1 1015 1018 1021 1 cm2 108 cm2 1012 cm2 1014 cm2 6 cm2 6 105cm2 6 106cm2 6 107cm2 ?如：把邊長(zhǎng)為 1cm的立方體逐漸分割減小的立方體 ， 總表面積將明顯增加 。 ? ? 比表面積 常用 總表面積與質(zhì)量或總體積的比值表示 。 2－ D 量子阱 1－ D 量子線 0－ D 量子點(diǎn) 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 。 即使在基態(tài)的某一點(diǎn) ， 導(dǎo)帶帶邊的電子能量高于體相電子 。 ? 與體材料相比 ， 量子點(diǎn)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(dòng) 。 最終 ，能帶 變成類似原子的能態(tài) ， 僅僅存在離散的能級(jí) 。 因此 ， 通常量子點(diǎn)是指這些尺寸比較大的團(tuán)簇 。 雖然團(tuán)簇的尺寸小于De Broglie波長(zhǎng) ， 但 它們的性質(zhì)依賴于原子的具體數(shù)目 (幻數(shù)效應(yīng) )。 ? 如圖 ? Electrons in 0D system Quantum Dot ? 當(dāng)載流子在三維方向上的運(yùn)動(dòng)都受到限制 ， 這個(gè)體系稱為量子點(diǎn) 。 ? 電子在 其它方向上受到限制 可以通過(guò) 定態(tài)薛定諤方程 得到 量子化的能級(jí) ky和 kz。 ? 也就是說(shuō) 載流子在一個(gè)方向上可以自由運(yùn)動(dòng) ，在其它兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)變得量子化 。 z方向 維度小于自由載流子的 De Brogile波長(zhǎng) 時(shí) ， 就會(huì)有一個(gè)額外的能量來(lái)限制載流子在該方向上的運(yùn)動(dòng) ， 電子在該方向上的運(yùn)動(dòng)變得量子化 ，在 x,y平面 自由運(yùn)動(dòng)的 準(zhǔn)連續(xù)能級(jí) ， 這種體系稱為 二維電子氣 。 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 。顏色由禁帶寬度決定。 ? 例如 CdSe量子點(diǎn)在可見光范圍出現(xiàn)尺寸可調(diào)的熒光發(fā)射 。 ? 假設(shè) N接近于 1個(gè)原子 ， EF為幾個(gè) eV， 那么金屬量子點(diǎn)的禁帶可以 在非常低的溫度下 觀察到 。 能帶和帶隙的概念適用 。 ? 如圖 ， 納米晶的能級(jí)是離散的 ， 與單個(gè)原子和小原子簇相比 ， 能級(jí)密度更大 ， 能級(jí)間距變小；與常規(guī)固體相比 ， 能級(jí)密度變小 ， 能級(jí)間距變大 。 ? ? ???? FENV2? ? NEVENFF 342 ???? ?FF EnEN23?? 久保及其合作者提出 相鄰電子能級(jí)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(jí)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 。 dkdedeWk BB5202 4????????? 在 EF處 ， 能級(jí)間距 δ， 一個(gè)能級(jí)有兩個(gè)自旋態(tài)即 ? 所以 ? 對(duì)比宏觀固體 ， N~1024, 趨于無(wú)窮大 ， 則 δ ~ 0。 ? 對(duì)于氫原子 ， r=， W=；外推法 r=，W=；室溫下 ， kBT=。 ? (ii)超微粒子電中性假設(shè) ： ? 久保認(rèn)為： 對(duì)于一個(gè)超微粒子取走或放入一個(gè)電子都是十分困難的 。 ? 其內(nèi)容為：當(dāng)微粒尺寸進(jìn)人到納米級(jí)時(shí) ， 由于量子尺寸效應(yīng) ， 原大塊金屬的 準(zhǔn)連續(xù)能級(jí) 產(chǎn)生離散現(xiàn)象 。 ? 久保理論： ? 1962年 ， 久保 （ Kubo） 及其合作者及其合作者提出了著名的 久保理論 。 原子相互靠得很近 ,原子間的相互作用使得能級(jí)發(fā)生分裂 ,從而能級(jí)之間的間隔更小 ,可以看成是連續(xù)的 。 固體能帶區(qū)分絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體 Au 宏觀金屬材料電子以 能帶 的形式 存在 ， ?《 kBT。 ? 當(dāng)格點(diǎn)位置為 x=a, 2a, 3a… 時(shí) ， 前進(jìn)波和后退波之間的重疊會(huì)產(chǎn)生駐波 ， 對(duì)應(yīng)著波峰或波谷 。 金屬中的電子能量分布可以看作是準(zhǔn)連續(xù)的 ， 形成能帶 如圖 。 ? En和 k之間符合拋物線關(guān)系 。 ? 金屬固體可以認(rèn)為是 密集排列的金屬陽(yáng)離子被由價(jià)電子形成的電子云所包圍 。 ? 自由電子模型和能帶理論 ? 固體的電子結(jié)構(gòu) 可以認(rèn)為是在周期性勢(shì)場(chǎng)中的電子波 。 禁帶的形成 可以認(rèn)為 來(lái)源于孤立原子不同原子軌道之間的能隙 。 ?當(dāng)原子間距接近原子間的平衡距離時(shí)， 該能帶再次分裂為兩個(gè)能帶 。 這些 能級(jí)匯集成 帶狀結(jié)構(gòu) ， 即能帶 。 ? N個(gè)硅原子匯集形成晶體硅的情況： ? Si14 —— 1S22S22P63S23P2 ? 孤立的硅原子彼此接近形成 金剛石結(jié)構(gòu)晶體 。 圖中看出 ， 每一個(gè)原能級(jí)分裂為 7個(gè)能級(jí) ， 高能能級(jí)在原子間距較大時(shí)就開始分裂 ， 而低能級(jí)在原子進(jìn)一步靠近時(shí)才分裂 。 ? 這種 能級(jí)分裂的寬度 決定于 兩個(gè)原子中原來(lái)能
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