1纳米效应教资优择

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1、第一章第一章纳米效应纳米效应 和和纳米材料的重要特性纳米材料的重要特性1基础课件前言：原子与固体的电子性质1. 孤立原子孤立原子2基础课件随随着着能能级级数数的的提提高高，能能级级间间距距逐逐渐渐变变小小，最最终终到到达达一一个个值值，即即真真空空能能级级(n=)，对对应应于于电电子子的的离离子子化化。电电离离一一个个孤孤立立氢氢原原子子的的临临界界能能量量为为13.61 eV，这个值称为这个值称为Rydberg常数。常数。原子原子核核+ e电子势能电子势能电子能量电子能量半径距离半径距离 rE1E2E3E43基础课件2. 原子间的键合原子间的键合当两个氢原子相距很远时，无相互作用，能级不发生

2、变化。此时，可允许能级由一个二二重重简简并并能能级级组成。当两原子接近到一定程度时，发生相互作用。由于受泡利不相容原理的限制，二个电子不能具有完全相同的能级，因此，二二重重简简并并能能级级分分裂裂为为两两个个能能级级。最后整个体系的能量降低，形成氢分子。即分子轨道理论分子轨道理论。4基础课件3. 宏观固体宏观固体当原子间相互靠近形成大块固体时，可以认为大多数电子仍然属于原来的原子，是定域的。外外层层电电子子可以与相邻的原子发生键合，成键后原子的能级图将发生改变。简单的说，原原子子外外层层电电子子与与其其它它原原子子的的外层电子重叠将形成能带外层电子重叠将形成能带。5基础课件如果N个原子集聚形成

3、晶体，则孤立原子的一个能级将分裂成N个能级。而能级分裂的宽度能级分裂的宽度E决定于原子间的距离原子间的距离；在晶体中原子间的距离是一定的，所以E与原子数N无关。6基础课件例如7个原子组成的系统原子能级分裂的情况示意图。图中看出，每一个原能级分裂为7个能级，高高能能能能级级在在原原子子间间距距较较大大时时就就开开始始分分裂裂，而而低低能能级级在原子进一步靠近时才分裂在原子进一步靠近时才分裂。原子间距离原子间距离 r电子能量电子能量 En = 1n = 2n = 3七重简并七重简并7基础课件金属块体材料，根据能带理论,在金属晶格中原子非常密集能组成许许多多分分子子轨轨道道, 而且相相邻邻的的两两分

4、分子子轨轨道道间间的的能能量量差差非非常常小小。原子相互靠得很近,原子间的相互作用使得能级发生分裂,从而能级之间的间隔更小,可以看成是连续的可以看成是连续的。？纳米颗粒电子能级是什么？纳米颗粒电子能级是什么？8基础课件1.1 电子能级的不连续性电子能级的不连续性纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，许多现象不能用含无限个原子的块块状状物物质质的的性性质质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体体积积效效应应。根根据据固固体体物物理理理理论论，在在温温度度T时时，只只有有EF附附近近大大致致为为kBT能能量量范范围围内内的的电电子子会会受受到到热热的的激激发发，激发能激发能kBT。实实际际上上，只只

5、有有费费米米能能级级附附近近的的能能级级对对物物理理性性质质起重要作用。起重要作用。9基础课件对对于于含含有有少少量量传传导导电电子子的的纳纳米米金金属属颗颗粒粒来来说说，低温下能级的离散性会凸现出来。低温下能级的离散性会凸现出来。热激发热激发k kB BT T波及范围波及范围 k kB BT T自由电子气能量示意图自由电子气能量示意图热运动能能级间隔10基础课件例如：宏观物体中自由电子数趋于无限多，则能级间距趋向于0，电子处于能级连续变化的能带上，表现在吸收光谱上为一表现在吸收光谱上为一连续的光谱带连续的光谱带；而纳米晶粒所含自由电子数较少，致使有一定确定值，电子处于分离的能级上，其其吸吸收

6、收光光谱是具有谱是具有分立结构的线状光谱分立结构的线状光谱。 11基础课件久保理论：久保理论：1962年，久久保保（Kubo）及其合作者提出了著名的久保理论。久保理论。久保理论是针对金金属属超超微微颗颗粒粒费费米米面面附附近近电电子子能能级级状状态态分分布布而提出来的，不同于大块材料费米面附近电子态能级分布电子态能级分布的传统理论。其其内内容容为为：当当微微粒粒尺尺寸寸进进人人到到纳纳米米级级时时，由由于于量量子子尺尺寸寸效效应应，原原大大块块金金属属的的准准连连续续能能级级产产生生离散现象。离散现象。久久保保模模型型可可以以较较好好地地解解释释低低温温下下超超微微粒粒子子的的物物理性能理性能

7、，优越于等能级间隔模型。，优越于等能级间隔模型。12基础课件例如：大块材料(bulk material)的比热和磁化率与所含电子的奇偶数奇偶数无关无关。纳米粒子低温下的比热(specific heat)和磁化率(Magnetic Susceptibility)与所含电子的奇奇偶偶数数有有关关。金属纳米粒子粒径减小，能能级级间间隔隔增增大大，费费米米能能级级附附近近的的电电子子移移动动困困难难，电电阻阻率率增增大大，从从而而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。 13基础课件 1.2 从宏观到微观的能态密度从宏观到微观的能态密度纳米材料具有小的尺寸，这直接影响着它们

8、的能级结构，也间接改变了相应的原子结构，这种影响通常被定义为量子限域量子限域。在纳米晶体中，块块状状晶晶体体的的平平移移对对称称性性和和无无限限尺尺寸寸的的假假设设不再成立，因此块状晶体的能级模型不能适用于纳米晶。14基础课件如图，纳纳米米晶晶的的能能级级是是离离散散的的，与与单单个个原原子子和和小小原原子子簇簇相相比比，能能级级密密度度更更大大，能能级级间间距距变变小小；与与常常规规固固体体相相比比，能能级级密密度度变变小小，能能级级间间距距变变大。大。15基础课件 1.3 表面效应表面效应表表面面效效应应是是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能

9、及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，表面积迅速增大随着尺寸的减小，表面积迅速增大16基础课件纳米粒子的表表面面原原子子所处的晶晶体体场场环环境境及及结结合合能能与内部原子有所不同，存在许多悬悬空空键键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性化学活性。1.比表面积的增加比表面积的增加 比比表表面面积积常用总总表表面面积积与与质质量量或或总总体体积积的的比比值值表示。质量比表面积、体积比表面积质量比表面积、体积比表面积当当颗颗粒粒细细化化时时，粒粒子子逐逐渐渐减减小小，总总表表面面积积急急剧

10、剧增大，比表面积相应的也急剧加大。增大，比表面积相应的也急剧加大。17基础课件边长立方体数每面面积总 表 面积1 cm10-5 cm (100 nm)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm26105cm26106cm26107cm2如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。例如，粒径为10 nm时，比表面积为90 m2/g，粒径为5 nm时，比表面积为180 m2/g，粒径下降到2 nm时，比表面积猛增到450 m2/g18基础课件2. 表面原子数的增加

11、表面原子数的增加 随着晶粒尺寸的降低，表表面面原原子子所所占占的的比比例例、比比表表面面积积急急剧剧提提高高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数平均配位数急剧下降。表给出了不不同同尺尺寸寸的的紧紧密密堆堆积积的的全全壳壳型型团团簇簇中中表表面面原原子子所所占占的的比比例例。全全壳壳型型团团簇簇是是由由六六边边形形或立方形紧密堆积的原子组成。或立方形紧密堆积的原子组成。它们是由一个中心原子和绕其紧密堆积的1、2、3、.层外壳构成。19基础课件表面原子数占全部原子数的表面原子数占全部原子数的比例比例和和粒径粒径之间的关系之间的关系20基础课件由于纳米晶体材料中含有大量的晶界，因而晶界上的原子

12、占有相当高的比例。例如对对于于直直径径为为5 nm的的晶晶粒粒，大约有50%的原子处于晶粒最表面的为晶界或相界晶界或相界。对对于于直直径径为为10nm的的晶晶粒粒大大约约有有25%的的原原子子位位于于晶界晶界；直径为50 nm的球形粒子的表面原子比例仅占总原子数的6%。 21基础课件3表面能表面能由于表层原子的状态与本体中不同。表面原子配位不足，因而具有表面原子配位不足，因而具有较高的表面能较高的表面能。如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸吸引引力力而对体系做功。22基础课件颗颗粒粒细细化化时时，表表面面积积增增大大，需需要要对对其其做做功功，所

13、所做做的的功功部部分分转转化化为为表表面面能能储储存存在在体系中体系中。因此，颗粒细化时，体系的表面能增加了。由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块体材料，必将使使纳纳米米材材料料的的自自由由能能增增加加，使使纳纳米米材材料料处处于于不不稳稳定定的的状状态态，如晶粒容易长大，同时使材料的宏观性能发生变化。23基础课件超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高分辨电子显微镜对金超微颗粒(直径为 2 nm)进行电视摄像，实实时时观观察察发发现现这这些些颗颗粒粒没没有有固固定定的的形形态态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立立方方八八

14、面面体体，十十面面体体，二二十十面面体体多多孪孪晶晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表表面面原原子子仿仿佛佛进进入入了了“沸沸腾腾”状状态态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微粒具有稳定的结构状态。 24基础课件由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧(可采用表面包覆或有意识控制氧化速率在表面形成薄而致密的氧化层)，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 C60具有良好的催化活性。25基础课件下面举例说明纳纳

15、米米粒粒子子表表面面活活性性高高的原因。图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假设颗颗粒粒为为圆圆形形，实实心心团团代代表表位位于于表表面面的的原原子子。空空心心圆圆代代表表内内部部原原子子，颗颗粒粒尺尺寸寸为为3nm，原原子子间距为约间距为约0.3nm。26基础课件很很明明显显，实实心心圆圆的的原原子子近近邻邻配配位位不不完完全全，存在缺少一个近邻的“E”原子，缺少两个近邻的“B”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，“A”这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B”位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性的原因就是活性的原因。这这种种表表面面原原子子的的活活性性不不

16、但但引引起起纳纳米米粒粒子子表表面面原原子子输输运运和和构构型型的的变变化化，同同时时也也引引起起表表面面电电子子自自旋构像和电子能谱旋构像和电子能谱的变化的变化。思考：直径较小的纳米粒子多为球形，为什么？27基础课件4、表面效应及其结果、表面效应及其结果纳米粒子的表面原子所处的位位场场环环境境及及结结合合能能与内部原子有所不同。存在许多悬悬空空键键，配配位位严严重重不不足足，具具有有不不饱饱和和性质性质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定。所以具有很高的化学活性。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。28基础课件表（界）面效应的主要影响：表（界）面效应的

17、主要影响：1、表面化学反应表面化学反应活性活性(可参与反应可参与反应)。2、催化活性。、催化活性。3、纳米材料的（不）稳定性。、纳米材料的（不）稳定性。4、铁磁质的居里温度降低。、铁磁质的居里温度降低。5、熔点降低。、熔点降低。6、烧结温度降低。、烧结温度降低。7、晶化温度降低。、晶化温度降低。8、纳米材料的超塑性和超延展性。、纳米材料的超塑性和超延展性。9、介电材料的高介电常数（界面极化）。、介电材料的高介电常数（界面极化）。10、吸收光谱的红移现象。、吸收光谱的红移现象。29基础课件应用：催化剂催化剂，化学活性。Cu, Pd/Al2O3吸吸附附剂剂（储氢材料、碳纤维、碳管、合金等载体）。导

18、致粒子导致粒子球形化球形化形状形状。 金属纳米粒子金属纳米粒子自燃自燃。需钝化处理。*30基础课件1.4 量子尺寸效应量子尺寸效应1. 原子分立能级原子分立能级量量子子化化：量子力学中，某一物理量的变化不是连续的，称为量子化。如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠原子分立的光谱线。31基础课件氢原子能级：r1=0.53*10-10 m,n=1 -13.6 eVn=2 -3.4 eVn=3 -1.51 eVn=4 -0.85 eVn=5 -0.54 eVn= 032基础课件可见：En+1-En=h，用高温，电火花，电弧作用使电子跃迁，可以发光。 E3-E2 对应656.5 nm 红色光

19、 E4-E2 对应 486.1 nm 蓝绿光 E6-E2 对应410.2 nm 紫光作用: 原子光谱，可鉴别外来天体中的元素。对于分子对于分子：分子轨道理论 共价键理论33基础课件2. 固体的能级固体的能级当大量原子构成固体时，单个分子的能级就构成能带。(金属)由于电子数目很多，能带中能能级的间距很小级的间距很小，因此形成连续的能带能带。从能带理论出发成功的解释了大块金属，半导体，绝缘体之间的联系和区别。34基础课件3. 超微颗粒的能级超微颗粒的能级小尺寸系统的量量子子尺尺寸寸效效应应是指电子的能量被量子化，形成分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米

20、能级附近的电子能级由由准准连连续续变变为为离离散散能能级级的的现现象象和能隙变宽现象，称为量子尺寸效应量子尺寸效应。35基础课件能带理论表明：能带理论表明：金金属属费费米米能能级级附附近近电电子子能能级级一一般般是是连连续续的的，这这一点只有一点只有在高温或宏观尺寸情况下在高温或宏观尺寸情况下才成立。才成立。对对于于只只有有有有限限个个导导电电电电子子的的超超微微粒粒子子来来说说，低低温下能级是离散的温下能级是离散的。36基础课件当能级间距大于热能kBT、静磁能0BH、静电能eE、光子能量hv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

21、性有着显著的不同。37基础课件从从性性质质上上来来讲讲：由由于于尺尺寸寸减减小小，超超微微颗颗粒粒的的能能级级间间距距变变为为分分立立能能级级，如如果果热热能能，电电场场能能或或磁磁场场能能比比平平均均的的能能级级间间距距还还小小时时，超超微微颗颗粒粒就就会会呈呈现现一一系系列列与与宏宏观观物物体体截截然然不不同同的的反反常常特特性性，称之为量子尺寸效应。称之为量子尺寸效应。例如上节中提到的纳米微粒的比热、磁化率与所含的电子奇偶性电子奇偶性有关，催化性质也与所含的电电子子奇奇偶偶性性有关，导体变绝缘体(银)，光谱线的频移(蓝移)等。 38基础课件“金属绝缘体”转化现象。 2008年3月美国La

22、ndman等人在物理评论快报报道，金纳米线在有氧条件下被拉伸时首次发现纳米尺度下的“金属绝缘体金属绝缘体”转化现象转化现象。假如嵌入的是氧原子，金纳米线中的金原子能和旁边的氧原子之间形成磁矩，出现磁性出现磁性。假假如如嵌嵌入入的的是是氧氧分分子子，金金纳纳米米线线能能被被拉拉伸伸得得比比正正常常情情况况下下更更长长。在在一一定定长长度度内内，被被拉拉伸伸的的氧氧化化的的金金纳纳米米线线仍仍能能像像纯纯金金纳纳米米线线一一样样导导电电，但但超超过过这这一一长长度度它它就就会会变变成成绝绝缘缘体体。氧化的金纳米线轻微收缩后，又能恢复导电性。39基础课件4。 纳纳米米微微粒粒表表现现出出与与宏宏观观

23、块块体体材材料料不不同同的的的的微观特性和宏观性质。微观特性和宏观性质。A 导导电电的的金金属属在在制制成成超超微微粒粒子子时时就就可可以以变变成成半半导体或绝缘体导体或绝缘体 。B 磁磁化化率率的的大大小小与与颗颗粒粒中中电电子子是是奇奇数数还还是是偶偶数数有关有关 。C 比比热热亦亦会会发发生生反反常常变变化化，与与颗颗粒粒中中电电子子是是奇奇数还是偶数有关数还是偶数有关 。D 光谱线会产生向光谱线会产生向短波长方向短波长方向的移动的移动 。E 催催化化活活性性与与原原子子数数目目有有奇奇数数的的联联系系，多多一一个个原子活性高，少一个原子活性很低。原子活性高，少一个原子活性很低。*40基

24、础课件1.5 小尺寸效应小尺寸效应一、定义一、定义当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非非晶晶态态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象-小尺寸效应小尺寸效应。41基础课件例如：光学例如：光学当当黄黄金金被被细细分分到到小小于于光光波波波波长长的的尺尺寸寸时时，即即失失去去了了原原有有的的富富贵贵光光泽泽而而呈呈黑黑色色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺尺寸寸越越小小，颜颜色色愈愈黑黑，银银白白色色的的铂铂(白白金金)变变成成铂铂黑黑，金金属属铬铬

25、变变成铬黑。成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l %，大约几微米的厚度就能完全消光。利利用用这这个个特特性性可可以以作作为为高高效效率率的的光光热热、光光电电等等转转换换材材料料，可可以以高高效效率率地地将将太太阳阳能能转转变变为为热热能能、电电能，还可能应用与红外敏感元件和红外隐身技术。能，还可能应用与红外敏感元件和红外隐身技术。 42基础课件热学：热学：固固态态物物质质在在其其形形态态为为大大尺尺寸寸时时，其其熔熔点点是是固固定定的；的；超超细细微微化化后后却却发发现现其其熔熔点点将将显显著著降降低低，当当颗颗粒粒小于小于10纳米量级时尤为显著。纳米量级时尤为显著。

26、例如，块状金的常规熔点为1064 ，当颗粒尺寸减小到10 nm尺寸时，则降低27，2 nm尺寸时的熔点仅为327左右。 43基础课件二二、纳纳米米相相材材料料在在电电子子输输运运过过程程中中的的小小尺寸效应：尺寸效应：纳米相材料存在大量的晶界，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围，对电子散射非常强电子散射非常强。1.晶界原子排排列列越越混混乱乱，晶晶界界厚厚度度越大，对电子散射能力散射能力就越强。2.界面具有高能垒导致纳米相材料的电阻升高。44基础课件对电子的散射分为颗粒(晶内)散射和界面(晶界)散射贡献两个部分。当当颗颗粒粒尺尺寸寸与与电电子子的的平平均均自自由由程程相相当当时时，界面对电子的

27、散射有明显的作用。当当大大于于电电子子平平均均自自由由程程时时，晶晶内内散散射射贡献逐渐占优势。尺尺寸寸越越大大，电电阻阻和和电电阻阻温温度度系系数数越越接接近常规粗晶材料近常规粗晶材料。当当小小于于电电子子平平均均自自由由程程时时，界界面面散散射射起起主主导导作作用用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。例如，电阻温度系数变负值。45基础课件三、传统集成电路小型化的技术障碍三、传统集成电路小型化的技术障碍1. 强电场问题强电场问题由于尺寸小，在短距离内加偏置电压，器件会产生强电场，载流子在强电场作用下碰撞后，使大量电子具有高能量，出现载流子热化现

28、象，会引起“雪崩击穿”，电流增大，器件破坏。2. 热损耗问题热损耗问题器器件件尺尺度度减减小小和和集集成成电电路路密密度度提高，散热问题会越来越重。46基础课件3. 体材料特性消失和小尺度半导体掺杂非均匀体材料特性消失和小尺度半导体掺杂非均匀性性MOSFET栅长为50 nm，宽度为100 nm为例，如果沟道中电子数目为2 1012/cm2，在沟道中平均大约有100个电子，如果存在单个杂质涨落，受载流子相位干涉控制，电导的变化将不是1%，而是e2/h，大约为40S。如果器件的电导为1S，涨落可达40%。造成器件稳定性变差。造成器件稳定性变差。解决方法解决方法：一、完全不掺杂；二、使掺杂原子形成规

29、则阵列。47基础课件4. 耗尽区减小耗尽区减小当器件处于“关”的状态，由于耗尽区太薄，不能阻止从源极到漏极的电子量子力学隧穿量子力学隧穿。5. 氧化层厚度减小和非均匀性氧化层厚度减小和非均匀性当氧化层薄到一定尺度就不能阻止电子从栅极漏出到达漏极。氧化层不均匀时氧化层不均匀时，通过薄的地方漏电流会很大。总的漏电流达到一定程度就会影响器件的功能。48基础课件6. 载流子输运形式改变载流子输运形式改变欧姆定律：扩散输运（晶格、杂质、缺陷）；当尺寸小于电子平均自由程，电子输运过程中可能不会受到散射而通过样品，称为弹弹道道(ballistic)输运输运。看上去，电阻应为0；实验表明：纳纳米米材材料料的的

30、电电导导不不会会无无限限大大，而而是是趋于一个极限值趋于一个极限值。电阻来源于不不同同材材料料的的界界面面或或不不同同几几何何区区域域的的边界边界。在界面上，由于界面势垒的存在，一部分电子被反射回来，另一部分以隧穿方式穿过势垒。49基础课件四、小尺寸效应的主要影响：四、小尺寸效应的主要影响：1、金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象 （电子平均自由程）2、宽频带强吸收性质 （光波波长）3、激子增强吸收现象 （激子半径）4、磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性） （磁各向异性能）5、超导相向正常相的转变 （超导相干长度）6、磁性纳米颗粒的高矫顽力 （单畴临界尺寸）*50基础课件1.6 库伦堵塞与量

31、子隧道效应库伦堵塞与量子隧道效应1. 孤立小导体能带的电场论孤立小导体能带的电场论常见的电电容容器器由两个导体组成，如两个平板导体，中间有电介质。电容器的电电容容量量与导体的形状、尺寸、相互位置及两者之间的电介质有关。E+dq+_51基础课件若两极之间电位差为电位差为V，两板分别带等量异号的电荷电荷Q，则此电容器所储存的电场能为电场能为：对于孤立导体，其电电位位差差是指相对于地球的电势，若其电量为电量为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。52基础课件(根据电压与电场强度的关系 )球球形形导导体体的的电电位位(相对于地球)为：（R为球体半径） 孤立小导体电容：则把它充电

32、时，需作功： （单位：焦耳） 53基础课件2. 库仑阻塞效应库仑阻塞效应 当对一个小体系充电时，由公式 可知，球体半径R越小，充相同电量的电，所需作功越大。充一个电子所做的功为：54基础课件上上式式可可知知：颗颗粒粒尺尺寸寸减减小小，充充一一个个电电子子所所做做的的功越大。功越大。当当导导体体尺尺度度进进入入纳纳米米尺尺度度时时，充充放放电电过过程程很很难难进进行行，或或充充、放放电电过过程程变变得得不不能能连连续续进进行行，即即体体系系变变得得电电荷荷量量子子化化。这这个个能能量量称称为为库库仑仑阻阻塞塞能能。换句话说，库仑阻塞能是库仑阻塞能是前一个电子对后一个前一个电子对后一个电子的库仑排

33、斥能电子的库仑排斥能。这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子电子不能集体运输，不能集体运输，而是一个一个的单电子传输。而是一个一个的单电子传输。55基础课件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(欧姆定律)，而是在IV曲线上呈现锯齿形状的台阶锯齿形状的台阶。(见下图)56基础课件通通常常把把小小体体系系这这种种单单电电子子运运输输行行为为，称称为为库库仑仑阻塞效应阻塞效应。这就是是20世纪80年代介介观观领领域域所所发发现现的的极极其其重要的物理现象之一重要的物理现象之一。57基础课件3. 库仑阻塞效应的观察条件库仑阻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

34、量子点上的单单个个电电子子穿过势垒到另一个量子点上的行为叫量子隧穿量子隧穿。为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点所加的电压必须克服Ec, 即Ve/C。58基础课件通常，库仑阻阻塞塞和和量量子子遂遂穿穿必须在极低的温度下观察：即：只有当热运动能KBT小于库仑堵塞能，才能观察到库仑堵塞效应和量子隧道效应(电子由一个粒子跃到另一个小导体)。明显可以看出：体体积积尺尺寸寸越越小小，C越越小小， Ec(e2/2C)越大，允许观察的温度越大，允许观察的温度T就越高。就越高。59基础课件当粒子尺寸为1 nm时， kBT Ec可在室温时观察；而十几纳米的粒子观察必须在液氮温度。1 nm时，

35、Ec=210-19焦耳焦耳(代入0=8.8510-12F/m; e=1.60210-19库仑； kB=1.3810-23J/K)常温下：kBT =1.3810-23300=410-21焦耳焦耳 明显：kBT kBT100 nm时，Ec=210-21焦耳焦耳kBT即即在在100 nm时时，就就不不能能在在室室温温下下观观察察库库仑仑阻阻塞塞效应。效应。利用库仑阻塞效应和量子隧穿效应，可以设计下一代纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关。4. 单电子器件 用一层极薄的绝缘体将两个电极隔开，形成一个电电荷荷位位垒垒隧隧道道，相当于电容器，电容为C，如图。 61基础课件62基础课件图a表示两电极都未带

36、电荷，图b表示有一个电子从一电极到了另一电极，此时两电极分别带一个正电荷、一个负电荷，系统能量增加了。若没有能量提供，从a到b的状态是不可能的，不可能有一电荷从一电极穿过隧道结到另一电极，即库库仑仑堵塞现象堵塞现象。如果改变系统原始状态如图c，两电极分别各带+e/2、-e/2的电荷，此时若有一个电子通过隧道结从一个电极到另一个电极，系统就变换到图d中的状态，两电极各带+e/2、-e/2的电荷，系统能量没有变化，隧道效应就能够发生隧道效应就能够发生。63基础课件按照图c的思路可以设计一个装置，如图在在两两个个电电极极中中间间的的绝绝缘缘层层的的中中间间再再做做一一个个电电极极II，使使之之带带半

37、半个个电电荷荷，两两边边电电极极就就会会各各感感应应半半个个符符号号相相反反的的电电荷荷。系统就成为两个如图c的状态，因此可以通过改变电极II上上的的电电压压的变化来控制隧隧穿效应穿效应的发生。64基础课件下图为单电子晶体管的结构和等效电路示意图单电子晶体管的结构和等效电路示意图。在图a中，源源极极、漏漏极极和和栅栅极极都都是是由由金金属属材材料料制制成成，岛岛区区材材料料通通常常是是导导体体或或半半导导体体材材料料，两个金属电极之间一个极薄的绝缘层，称隧隧道道结结。栅栅极极绝绝缘缘层层和和隧隧道道结结是是由由绝绝缘缘材材料料或或禁禁带带很很宽宽的的半半导导体体材材料料制制成成，两两隧隧道道结

38、结用用的的材材料料一一致致。隧道结、岛区和栅极的绝缘层的尺寸分别为约1 nm、10 nm和和10 nm。图b为a的等效电路，其中Vg为栅极电压，Cg为栅极绝缘层电容，CJ、RT分别为隧道结的电容和电阻。65基础课件单电子晶体管和等效电路示意图 VgCgCJ1RT1CJ2RT2VdsIds66基础课件STM工作原理。*67基础课件1.7 宏观量子现象及宏观量子隧道效应宏观量子现象及宏观量子隧道效应一、超导现象一、超导现象 1908年，荷兰物理学家昂昂内内斯斯成功地获得了液氦；1913年诺贝尔物理奖。三年之后，他发现水银的电阻在4.2K温度突然下降为零，这种现象称为超导电性超导电性。1956年库伯

39、库伯认为超导电流超导电流是由库伯对库伯对产生的。1976年诺贝尔物理奖68基础课件库伯对库伯对：两个电子形成库伯对。一对自自旋旋动动量量相相反反的电电子子通过晶晶格格相相互互作作用用(声声子子)结成对，如果胜过排斥的库仑作用，则为吸引作用，两两电电子子的的能能量量差差越越小小，这这个个吸吸引引作作用用越越强强，在费米能级附近，大于或等于声子能量范围的那些能级上的电子通过声声子子作作用用而相互吸引，束缚在一起，像双子星运动一样，称之为库伯对库伯对。拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场都能使之拆开而由超导态进入正常态。69基础课件二、磁通量子二、磁通量子磁通量磁通量也是量子化的。三、宏观量子现

40、象三、宏观量子现象 为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应宏观量子效应。因超导电流是由库伯对产生的，因此其电流是2e的整数倍，因此是宏观量子现象宏观量子现象。磁磁通通量量子子也是一种宏观的量子现象，可直接观察到，区别于基本磁量子磁量子。70基础课件宏观的量子效应宏观的量子效应可可以以理理解解为为微观粒子彼此结成对，形成高度有序，长程相干的状态。大量粒子的整体运动，就如同其中一个粒子的运动一样。因为一个粒子的运动是量子化的，则这些大量粒子的运动可表现为宏观的量子效应宏观的量子效应。71基础课件四、宏观量子隧道效应四、宏观量子隧道效应微观粒子

41、具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微微观观的的量量子子隧隧道道效效应应可以在宏观物理量中例如微粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等表现出来，称为宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应。(宏观量子所产生的隧道效应)1962年约瑟夫逊(22岁)预言库伯对有隧道效应。1973年度诺贝尔奖金物理学奖72基础课件超超导导宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应(超导约瑟夫逊效应)用约瑟夫逊效应制成高高灵灵敏敏度度磁磁强强计计，灵敏度达10-11高斯，可测量人人体体心心脏脏跳跳动动和和人人脑脑内内部部的磁场变化，作出“心心磁磁图图”和和“脑磁图脑磁图”。73基础课件宏宏观观量量子

42、子隧隧道道效效应应会是未来微电子器件的基础，它既限制了微电子器件进一步微微型型化的极限化的极限，又限制了颗粒记录密度颗粒记录密度。例如，在制造半导体集成电路时，当当电电路路的的尺尺寸寸接接近近电电子子波波长长时时，电子就通过隧隧道道效效应应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米微米。*74基础课件讨论：1. 纳米粒子的熔点、比热变化及烧结特性。2. 纳米材料的电阻变化。3. 纳米材料的矫顽力变化和超顺磁性的出现。4. 纳米材料的超塑性的出现。5. 纳米粒子光谱的蓝移和红移现象。6. 纳米半导体带隙变宽的原因。7. 磁性粒子用作存储材料是不是粒径越小越好。8.单电子晶体管的工作原理是什么。9.纳米粒子用作催化剂有哪些优势。10. STM的工作原理是否与纳米效应相关。75基础课件