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1、第二章 纳米微粒的基本理论2.1 电子能级的不连续性（需重新整理）2.2 量子尺寸效应定义：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和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应影响：当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量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2.3 小尺寸效应定义：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏
2、；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应人们曾用高倍率电子显微镜对超细金颗粒(2nm)的结构非稳定性进行观察，实时地记录颗粒形态在观察中的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间进行连续地转变，这与通常的熔化相变不同，并提出了准熔化相的概念纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域应用：1、例如，纳米尺度的强磁性颗粒(FeCo合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域2、纳米微粒的熔点可远低
3、于块状金属。例如2nm的金颗粒熔点为600K，随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺3、利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等2.4 表面效应纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸d（nm）包含原子总数表面原子所占比例（%）10421310441032.51023020408099纳米Cu微粒的粒径与比表面积，表面原子数比例，表面能和一个粒子中的原子数的关系粒径d（nm）Cu的比表面积/m2g-1表面原子一个粒子中的原子
4、数比表面能/Jmol-1全部原子1006.68.461075.910220101066208.461045.91035401.061042801660995.91042.5 宏观量子隧道效应1、定义：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。2、影响：宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义它限定了磁带，磁盘进行信息贮存的时间极限量子尺寸效应，隧道效应将会是未来微电子器件的基础，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细微化时，必须要考虑上述的量子效应
5、 上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”例如a、 金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；b、 一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；c、 铁磁性的物质进入纳米级(5nm)，由于由多畴变成单畴，于是显示极强倾磁效应；d、 当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻很小；e、 化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活
6、性极好的催化剂f、 金属由于光反射显现各种美丽的特征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著下降，通常可低于1，由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对光吸收表现极强能力；g、 纳米金属Cu比热是传统纯Cu的两倍；纳米固体Pd热膨胀提高一倍，纳米Ag晶体做为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30；h、 纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的l/22.6 库仑堵塞与量子隧穿库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一1、定义：库仑堵塞能：当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米)，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的
7、，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大我们把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，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输库仑堵塞效应：通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应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能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点上所加的电压(V/2)必须克服Ec，即veC通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温情况下观察到的，观察到的条件是
8、(e2/2C)kBT有人已作了估计，如果量子点的尺寸为1nm左右，我们可以在室温下观察到上述效应当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度下原因很容易理解，体系的尺寸越小，电容C越小，e2/2C越大，这就允许我们在较高温度下进行观察2、应用：利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等 由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线上升，而是在IV曲线上呈现锯齿形状的台阶2.7 介电限域效应定义：介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常称为介电限局，主要来源子微粒表面和内部局域强的增强当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增强称为介电限域。一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应影响：纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响我们在分析这一材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应2
