《纳米学基本理论ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米学基本理论ppt课件（116页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章第四章 纳米科学的根本实际纳米科学的根本实际教学目的：讲授纳米微粒的根本实际教学目的：讲授纳米微粒的根本实际重点内容：重点内容：体积效应、久保实际、外表效应、量子尺寸体积效应、久保实际、外表效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、库伦堵塞效应、量子隧效应、小尺寸效应、库伦堵塞效应、量子隧道效应、宏观量子效应、宏观量子隧道效应。道效应、宏观量子效应、宏观量子隧道效应。难点内容：久保实际、量子尺寸效应、小尺难点内容：久保实际、量子尺寸效应、小尺寸效应、库伦堵塞效应。寸效应、库伦堵塞效应。熟习内容熟习内容:宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 、介电限域效应、介电限域效应 主要英文词汇主要英文词汇Kubo
2、 Theory, Quantum confinement effect, Quantum tunneling effect, dielectric confinement effect, Coulomb Blockade Effect 前言：原子与固体的电子性质1. 孤立原子原子构造是电子波粒二象性的直接结果，可以用de Broglie方程描画1929诺贝尔。RutherfordBohr model of the atomThe small central nucleus of the atom consists of positively charged protons and (neutr
3、al) neutrons.Electrons orbit the nucleus in stable orbits.轨道周长是电子的波长的整数倍。the circumference of the orbit:The Bohr shells in an atom are labelled according to the quantum number, n, and are given the spectroscopic labels K, L, M, N, etc. Each Bohr shell can contain 2n2 electrons. The energies of these
4、 levels En are then negative (i.e., the electrons are bound to the atom) and are proportional to 1/n2.更复杂的原子模型必需思索电子的动摇性。每个电子用波函数来描画。 2表示电子在某一点出现的能够性。需求解Schrodinger方程来获得电子的能量En和波函数n。电子的能量只能允许有一系列离散的值，每一个能量取值叫做一个能级。即电子的能量是量子化的。氢原子的能级图氢原子的能级图原子核原子核+ e电子势能电子势能电子能量电子能量半径间隔半径间隔 rE1E2E3E42 原子间的键合Molecular
5、 Orbital (MO) Theory.当原子相互接近时，原子的电子波函数重叠构成分子波函数，即分子轨道。通常主要是指价电子云之间的重叠。例如：The H2+ ion, interactions (both attractive and repulsive) between the single electron and two nuclei.类似于原子轨道角量子数angular momentum l 分为s, p, d, etc.,分子轨道分为,. ：平行于键轴方向上原子轨道重叠Very simply a MO is formed from the overlap of AOs paral
6、lel to the bond axis, ：垂直于键轴方向上原子轨道重叠whereas a MO results from the overlap of AOs perpendicular to the bond axis. For the H2+ ion, the two lowest-energy solutions are known as 1g 成键and 1u.反键3 宏观固体宏观固体当一个个孤立的原子集聚构成晶体时，当一个个孤立的原子集聚构成晶体时，在原子间逐渐接近的过程中，它们最外在原子间逐渐接近的过程中，它们最外轨道的电子的波函数将首先发生重叠。轨道的电子的波函数将首先发生重
7、叠。根据泡利不相容原理，在一个量子态上根据泡利不相容原理，在一个量子态上不允许有两个一样电子存在。不允许有两个一样电子存在。原来孤立原子中具有一样能量的电子，原来孤立原子中具有一样能量的电子，其能量将作调整，致使原来孤立形状下其能量将作调整，致使原来孤立形状下的原子能级发生分裂。的原子能级发生分裂。当两个氢原子相距很远时，无相互作用，能级不发生变化。此时，可允许能级由一个二重简并能级组成。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一样的能级，因此，二重简并能级分裂为两个能级。 最后整个体系的能量降低，构成氢分子。假设N个原子集聚构成晶体，那么孤立原
8、子的一个能级将分裂成N个能级。而能级分裂的宽度E决议于原子间的间隔；在晶体中原子间的间隔是一定的，所以E与原子数N无关。这种能级分裂的宽度决议于两个原子中原来能级的分布情况，以及二者波函数的重叠程度，即两个原子中心的间隔。例如7个原子组成的系统，随原子间间隔的变化，原子能级分裂的情况表示图。图中看出，每一个原能级分裂为7个能级，高能能级在原子间距较大时就开场分裂，而低能级在原子进一步接近时才分裂。原子间间隔原子间间隔 r电子能量电子能量 En = 1n = 2n = 3七重简并实践晶体中，践晶体中，N的数目非常大，一个能的数目非常大，一个能级分裂成分裂成的的N个能个能级的的间距非常小，可以以距
9、非常小，可以以为这N个能个能级构构成一个能量准延成一个能量准延续(quasi-continuous)的区域，的区域，这样的一个能量区域称的一个能量区域称为能能带。N个硅原子聚集构成晶体硅的情况：个硅原子聚集构成晶体硅的情况： Si14 1S22S22P63S23P2孤立的硅原子彼此接近构成金孤立的硅原子彼此接近构成金刚石构造晶体石构造晶体当N(很多)个硅原子相互接近构成固体时，随着原子间距的减小，其最外层3P和3S能级首先发生相互作用，导致能级分裂，构成N个不同的能级。这些能级聚集成带状构造，即能带。当原子间距进一步减少时，3S和3P能带失去其特性而合并成一个能带杂化。当原子间距接近原子间的平
10、衡间隔时，该能带再次分裂为两个能带。两个能带之间的没有能够的电子态的区域，称为禁带。在禁带上方的能带叫导带，下方的能带叫价带。固体能带区分绝缘体、半导体、导体固体能带区分绝缘体、半导体、导体纳米微粒从广义来说是属于准零维纳米资料范畴，尺寸的范围普通在1100 nm。资料的种类不同，出现纳米根本物理效应的尺度范围也不一样，金属纳米粒子普通尺度比较小。金属：费米波长或德布罗意波长半导体：激子波尔直径本章引见的纳米微粒的根本物理效应都是在金属纳米微粒根底上建立和开展起来的。这些根本物理效应和相应的实际，除了适宜纳米微粒外，也适宜团簇和亚微米超微粒子。AuAu宏观金属资料电子以能带的方式存在，宏观金属
11、资料电子以能带的方式存在， kBT，比比热与与温温度度无无关关，这与与大大块金属的比金属的比热关系根本一致；关系根本一致；然然而而在在低低温温下下(T0)，kBT，比比热0，那那么与大么与大块金属完全不同，金属完全不同，大大块金属：温度金属：温度(T3)与比与比热之之间为指数关系。指数关系。等等能能级近近似似模模型型可可以以推推导出出低低温温下下单个个超超微微粒粒子的比子的比热公式，但公式，但实践上无法用践上无法用实验证明。明。缘由由：只只能能对超超微微颗粒粒的的集集合合体体进展展实验；无无法法测到到单个的微粒。个的微粒。为理处理实际和实验相脱离的困难，久保对小颗粒大集合体的电子能态做了两点主
12、要假设：(i) 简并费米液体假设：久保把超微粒子接近费米面附近的电子形状看作是受尺寸限制的简并电子气，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不延续能级，而准粒子之间交互作用可忽略不计。当kBT 1由此得出，当粒径do14 nm，Ag纳米微粒变为绝缘体，假设温度高于1K，那么要求do /的条件。实验阐明，纳米Ag确实具有很高的电阻，类似于绝缘体，这就是说，纳米Ag满足上述两个条件。电子能态密度与尺度的关系电子能态密度与尺度的关系随着尺度的降低，准延续能带消逝，在量子点出随着尺度的降低，准延续能带消逝，在量子点出现完全分别的能级。现完全分别的能级。2D量子阱量子阱1D量子线量子线0D量子点量子点3D大
13、块资料大块资料4 纳纳米米微微粒粒表表现现出出与与宏宏观观块块体体资资料料不不同同的的的的微微观特性和宏观性质。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 。绝缘体氧化物相反。绝缘体氧化物相反。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 光谱线会产生向短波长方向的挪动光谱线会产生向短波长方向的挪动 。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
14、联联络络，多多一一个个原子活性高原子活性高,少一个原子活性很低。少一个原子活性很低。*4.5 小尺寸效小尺寸效应一、定一、定义当当纳米米粒粒子子的的尺尺寸寸与与光光波波波波长、德德布布罗意意波波长、超超导态的的相相关关长度度或或与与磁磁场穿穿透透深深度度相相当当或或更更小小时，晶晶体体周周期期性性边境境条条件件将将被被破破坏坏，非非晶晶态纳米米微微粒粒的的颗粒粒外外表表层附附近近的的原原子子密密度度减减小小，导致致声声、光光、电、磁磁、热力力学学等等特特性性出出现异常的景象异常的景象-小尺寸效小尺寸效应。二二、纳纳米米相相资资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：纳纳
15、米米相相资资料料存存在在大大量量的的晶晶界界，使使得得电电子子散射非常强。散射非常强。1晶晶界界原原子子陈陈列列越越混混乱乱，晶晶界界厚厚度度越越大大，对电子散射才干就越强。对电子散射才干就越强。2界界面面高高能能垒垒导导致致纳纳米米相相资资料料的的电电阻阻升高。升高。对电子的散射分为颗粒晶内散射和界面晶界散射奉献两个部分。当颗粒尺寸与电子的平均自在程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。当大于电子平均自在程时，晶内散射奉献逐渐占优势。尺寸越大，电阻和电阻温度系数越接近常规粗晶资料。当小于电子平均自在程时，界面散射起主导作用，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
16、出现反常景象。例如，电阻温度系数变负值。三、传统集成电路小型化的技术妨碍1 强电场问题由于尺寸小，在短间隔内加偏置电压，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，出现载流子热化景象，会引起“雪崩击穿，电流增大，器件破坏。2 热损耗问题器件尺度减小和集成电路密度提高，散热问题会越来越重。3. 体资料特性消逝和小尺度半导体掺杂非均匀性MOSFET栅长为50 nm，宽度为100 nm为例，假设沟道中电子数目为2 1012/cm2，在沟道中平均大约有100个电子，假设存在单个杂质涨落，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。假设器件的电导为1S
17、，涨落可达40%。器件稳定性变差。处理方法：一、完全不掺杂；二、使掺杂原子构成规那么阵列。4 耗尽区减小当器件处于“关的形状，由于耗尽区太薄，不能阻止从源到漏的电子量子力学隧穿。5 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，经过薄的地方漏电流会很大。总的漏电流到达一定程度就会影响器件的功能。6 载流子输运方式改动欧姆定律：分散输运晶格、杂质、缺陷当尺寸小于电子平均自在程，电子输运过程中能够不会遭到散射而经过样品，称为弹道(ballistic)输运。看上去，电阻应为0；实验阐明：纳米资料的电导不会无限大，而是趋于一个极限值。电阻来源于不同资料的
18、界面或不同几何区域的边境。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。四、小尺寸效应的主要影响：四、小尺寸效应的主要影响：1、金属纳米相资料的电阻增大与临界尺寸景象、金属纳米相资料的电阻增大与临界尺寸景象 电子平均自在程动量电子平均自在程动量2、宽频带强吸收性质、宽频带强吸收性质 光波波长光波波长3、激子加强吸收景象、激子加强吸收景象 激子半径激子半径4、磁有序态向磁无序态的转变超顺磁性、磁有序态向磁无序态的转变超顺磁性 各向异性能各向异性能5、超导相向正常相的转变、超导相向正常相的转变 超导相关长度超导相关长度6、磁性纳米颗粒的高矫顽力、磁性纳米颗粒的高矫
19、顽力 单畴临界尺寸单畴临界尺寸*4.6 库伦堵塞与量子隧道堵塞与量子隧道1. 孤立小导体能带的电场论孤立小导体能带的电场论常常见见的的电电容容器器由由两两个个导导体体组组成成，如如两两个个平平板板导导体，中间有电介质。体，中间有电介质。电电容容器器的的电电容容量量与与导导体体的的外外形形、尺尺寸寸、相相互互位位置及两者之间的电介质有关。置及两者之间的电介质有关。E+dq+_假设两极之间电位差为V，两板分别带等量异号的电荷Q，那么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，假设其电量为q，那么间隔r处的电场强度为: 为空气中的电介质常数，r为间隔。根据 球形导体的电位相
20、对于地球为：R为球体半径 孤立小导体电容：那么把它充电时，需作功： 单位：焦耳 2. 库仑堵塞效应库仑堵塞效应 当对一个小体系充电时，由当对一个小体系充电时，由 可知，可知，球球体体半半径径R越越小小，充充一一样样电电量量的的电电，所所需需作功越大。作功越大。充一个电子作功，充一个电子作功，对对比比久久保保实实际际中中取取出出或或放放入入一一个个电电子子的的能量能量e2/d，二者结果类似。，二者结果类似。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展展，或或充充、放放电电过过程程变变得得不不能能延延续续进进展展，即即体体系系变变得得电电荷荷量量子子化化。这
21、这个个能能量量称称为为库库仑仑堵堵塞塞能。能。换换句句话话说说，库库仑仑堵堵塞塞能能是是前前一一个个电电子子对对后后一一个个电子的库仑排斥能。电子的库仑排斥能。这这就就导导致致了了对对一一个个小小体体系系的的充充放放电电过过程程，电电子子不能集体运输，而是一个一个的单电子传输。不能集体运输，而是一个一个的单电子传输。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曲线上呈现锯齿外形的台阶。(见以下图)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，称称为为库库仑仑堵塞效应。堵塞效应。这这就就是是是是20世世纪纪80年年代代介介观观领领域域所所发发现现
22、的的极极其其重要的物理景象之一。重要的物理景象之一。参参考考久久保保实实际际电电中中性性假假设设-对对于于一一个个超超微微粒子取走或放入一个电子都是非常困难的。粒子取走或放入一个电子都是非常困难的。小粒子取放电子做功增大的问题。小粒子取放电子做功增大的问题。3. 库仑堵塞效堵塞效应的察看条件的察看条件假假设两两个个量量子子点点经过一一个个“结衔接接起起来来，一一个个量量子子点点上上的的单个个电子子穿穿过势垒到到另另一个量子点上的行一个量子点上的行为叫量子隧穿。叫量子隧穿。为了了使使单电子子从从一一个个量量子子点点隧隧穿穿到到另另一一个个量量子子点点，在在一一个个量量子子点点所所加加的的电压必必
23、需抑制需抑制Ec, 即即Ve/C。通常，库仑堵塞和量子遂穿必需在极低的温度下察看：即：只需当热运动能KBT小于库仑堵塞能，才干察看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：体积尺寸越小， C越小， Ec(e2/2C)越大，允许察看的温度T就越高。当粒子尺寸为1 nm时， kBT Ec可在室温时察看。而十几纳米的粒子察看必需在液氮温度。1 nm时，Ec=210-19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 明显：kBT kBT100 nm时
24、，Ec=210-21焦耳 or 1 Coulomb BlockadeVR1C1 R2C2e/Ce/RCSTM任务原理。*4.7 宏观量子景象及宏观量子隧道效应一、超导 1908年，荷兰物理学家昂内斯胜利地获得了液氦；三年之后，他发现水银的电阻在4.2K温度忽然下降为零，这种景象称为超导电性。1956年库伯以为超导电流是由库伯对产生的。库伯对：两个电子构成库伯对。库伯对：两个电子构成库伯对。一一对对自自旋旋动动量量相相反反的的电电子子经经过过晶晶格格相相互互作作用用(声声子子)结结成成对对，假假设设胜胜过过排排斥斥的的库库仑仑作作用用，那那么么为为吸吸引引作作用用，两两电电子子的的能能量量差差越
25、越小小，这这个个吸吸引引作作用用越越强强，在在费费米米能能级级附附近近，大大于于或或等等于于声声子子能能量量范范围围的的那那些些能能级级上上的的电电子子经经过过声声子子作作用用而而相相互互吸吸引引，束束缚缚在在一一同同，像像双双子子星星运运动动一一样样，称之为库伯对。称之为库伯对。拆拆开开它它们们是是需需求求能能量量的的，高高强强度度的的电电场场和和磁磁场场都能使之拆开而由超导态进入正常态。都能使之拆开而由超导态进入正常态。二、磁通量子磁力线的分布，用磁场作用于铁屑可直接察看，即磁通量也是量子化的。三、宏观量子景象 为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子景象，把宏观领域出现的量子效应
26、称为宏观量子效应。因超导电流是由库伯对产生的，因此其电流是2e的整数倍，因此是宏观量子景象。磁通量子也是一种宏观的量子景象，可直接察看到，区别于根本磁量子。宏观的量子效应宏观的量子效应可可以以了了解解为为微微观观粒粒子子彼彼此此结结成成对对，构构成成高高度度有有序序，长长程程相相关关的的形形状状。大大量量粒粒子子的的整整体体运运动动，就好像其中一个粒子的运动一样。就好像其中一个粒子的运动一样。由由于于一一个个粒粒子子的的运运动动是是量量子子化化的的，那那么么这这些些大大量粒子的运动可表现为宏观的量子效应。量粒子的运动可表现为宏观的量子效应。四、宏观量子隧道效应四、宏观量子隧道效应微观粒子具有贯
27、穿势垒的才干称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的才干称为隧道效应。微微观观的的量量子子隧隧道道效效应应可可以以在在宏宏观观物物理理量量中中例例如如微微粒粒的的磁磁化化强强度度，量量子子相相关关器器件件中中的的磁磁通通量量等等表表现现出出来来，称称为为宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应。宏宏观观量量子所产生的隧道效应子所产生的隧道效应1962年约瑟夫逊年约瑟夫逊(22岁岁)预言库伯对有隧道效应。预言库伯对有隧道效应。1973年度诺贝尔奖金物理学奖年度诺贝尔奖金物理学奖超超导导宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应超超导导约约瑟瑟夫夫逊逊效应效应用用两两个个超超导导体体(S1和和S2)，中中间间隔隔着着一
28、一层层绝绝缘缘膜膜约约20埃埃，当当电电压压施施加加于于二二超超导导体体电电极极上上时时，超超导导的的库库伯伯对对可可以以经经过过隧隧道道效效应应从从S1移移到到S2，或或相相反反，构构成成振振荡荡电电流流 ，外外加加电电场场可可控控制制振振荡荡电电流流的的大大小。小。可用于测脑电波，达可用于测脑电波，达10-11-10-13T分辨率。分辨率。结论：宏观量子隧道效应会是未来微电子器件的根底，它既限制了微电子器件进一步微型化的极限，又限制了颗粒记录密度。即磁性颗粒太细时，尺寸小于临界尺寸，进入顺磁性，磁化率很低，颗粒相距太近时，畴壁处的隧道效应使磁性记录强度不稳定。-Fe，Fe3O4和-Fe2O
29、3粒径铁磁体分别为5 nm，16 nm和20 nm时变成顺磁体。*4.8 介电限域效应 介介电电限限域域是是纳纳米米微微粒粒分分散散在在异异质质介介质质中中由由于于界界面面引引起起的的体体系系介介电电加加强强的的景景象象，主主要要来来源源于于微微粒外表和内部局域场的加强。粒外表和内部局域场的加强。当当介介质质的的折折射射率率比比微微粒粒的的折折射射率率相相差差很很大大时时，产产生生了了折折射射率率边边境境，这这就就导导致致微微粒粒外外表表和和内内部部的的场场强强比比入入射射场场强强明明显显添添加加，这这种种局局域域场场的的加加强称为介电限域。强称为介电限域。普通来说，过渡族金属氧化物和半导体微
30、粒都能够产生介电限域效应。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。介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以致于更高次项有关，这种关系称为非线性。我们在分析资料光学景象的时候，既要思索量子尺寸效应，又要思索介电限域效应。下面从布拉斯(Brus)公式分析介电限域对光吸收带边挪动(蓝移、红移)的影响。E(r) = Eg(r = ) + h22/2r2 - 1.786e2/r - 0.248ERy式中E(r)为纳米微粒的吸收带隙，Eg(r=)为体相的带隙，r为粒子半径，1/me-+1/mh+-1 为粒子的折合质量，其中me-和
31、mh+分别为电子和空穴的有效质量。第二项为量子限域能(蓝移)，第三项阐明，介电限域效应导致介电常数添加，同样引起红移。第四项为有效里德伯能。过渡族金属氧化物如Fe2O3, Co2O3, Cr2O3, Mn2O3等纳米粒子分散在十二烷基苯磺酸钠DBS中出现了光学三阶非线性加强效应。这种三阶非线性加强景象归结于介电限域效应。例如：Fe2O3纳米粒子在DBS中三阶非线性达90m2/V2,比在水中高两个数量级。纳米TiO2出现560nm的发光峰，是由于介电效应使粒子外表构造发生变化，原来的禁戒跃迁变成允许，构成外表激子。等离子共振频移与晶粒尺寸有关，可经过改动晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米资料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 *讨论：1. 纳米粒子的熔点、比热变化及烧结特性。2. 纳米资料的电阻变化。3. 纳米资料的矫顽力变化和超顺磁性的出现。4. 纳米资料的超塑性的出现。5. 纳米粒子光谱的蓝移和红移景象。6. 纳米半导体带隙变宽的缘由。7. 磁性粒子用作存储资料是不是粒径越小越好。8.单电子晶体管的任务原理是什么。9.举例阐明介电限域效应的运用。10.久保实际的两条假设与什么效应一致。11.纳米粒子用作催化剂有哪些优势。12. STM的任务原理能否与纳米效应相关。谢谢！
