纳米材料基本效应.ppt

尺寸不同的纳米粒子对光的散射和吸收不同，导致其颜色的改变特殊的光学性质小尺寸效应宽频带强吸收性当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色，尺寸越小，颜色愈黑。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中各种波长的光的反射和吸收能力不同。小尺寸效应由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用（当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，）纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这也就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。小尺寸效应美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机1991年春的海湾战争，美国F－117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。小尺寸效应四、宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。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，称之为宏观量子隧道效应。古典力学与量子力学的鲜明对比量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。量子限域?激子吸收带激子是由电子和空穴的库仑相互吸引而形成的束缚态。激子形成后，电子和空穴作为一个整体在晶格中运动。在能带模型中的激子能级位于禁带内。当入射光的能量小于禁带宽度（ω<Eg）时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子-空穴对，称为激子。小尺寸效应当半导体纳米粒子的粒径r<aB时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围。因此空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高得多，颗粒尺寸越小，形成激子的概率越大，激子浓度就越高。这种效应称为量子限域。aB：激子玻尔半径，aB=h2?/e2(1/me-+1/mh+)由于量子限域效应，使得纳米半导体材料的能带结构中，靠近导带底形成一些激子能级，从而容易产生激子吸收带。右图曲线1和2分别为掺了粒径大于10nm和5nm的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。CdSexS1-x玻璃的光吸收谱六、库仑阻塞与单电子隧穿效应当颗粒的尺寸很小时（金属为几个nm，半导体为几十nm），其充放电过程是不连续的。充入一个电子所需的能量为EC=e2/2C,（C为体系的电容）。体系越小，C?,EC?。该能量称为库仑阻塞能。DoubleBarrierTunnelingJunction量子效应小尺寸效应若两极之间电位差为V，两板分别带等量异号的电荷Q，则此电容器所储存的电场能为：对于孤立导体，其电位差是指相对于地球的电势，若其电量为q，则距离r处的电场强度为:为空气中的电介质常数，r为距离。2.库仑堵塞效应当对一个小体系充电时，可知，C=4??R球体半径R越小，充相同电量的电，所需作功越大。充一个电子作功，对比久保理论中取出或放入一个电子的能量e2/d，二者结果相似。当导体尺度进入纳米尺度时，充放电过程很难进行，或充、放电过程变得不能连续进行，即体系变得电荷量子化。这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体运输，而是一个一个的单电子传输。通常把小体系这种单电子运输行为，称为库仑堵塞效应。这就是是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。参考久保理论电中性假设------对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的。小粒子取放电子做功增大的问题。3.库仑堵塞效应的观察条件如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过势垒到另一个量子点上的行为叫量子