纳米材料基础-电学性质

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1、纳米材料的电学性质从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1〜100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代屮期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳米级结构材料简称为纳米材料（nanomatcrial）,是指其结构单元的尺寸介于1纳米〜100纳米范围Z间。由于它的

2、尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度己接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，I大I此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子（nanoparticle）组成。纳米粒了也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1〜100nm间的粒了,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典

3、型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量了隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块同休时相比将会有显著的不同。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。本文主要讲述纳米材料的电学性质。纳米材料的电学性质主要

4、从两个方面讲述：导电性，电荷载流子是电子和阴离子，阳离子，以及电子空穴。节点性，绝缘体（电介质），在外电场作用下内部电场不为零，正负电荷分布的屮心分离，产生点偶极矩，即发生电极化。载流了的物理特征：（1）霍尔效应，电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样X轴方向通入电流1（电流效应Jx）,Z轴方向加一磁场Hz,那么在y轴方向将产生一电场Ey,这一现象称为霍尔效应。利用霍尔效应可检查材料是否存在电子电导。（2）电解效应。离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着一定的质量变化，离了在电极附近发生电了得失，

5、产生新的物质，这就是电解现象。可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子。载流子的迁移率的物理意义为：载流子在单位电厂屮的迁移速度。电导率的一般表达式为：该式反映电导率的微观木质，即宏观电导率与微观载流子的浓度，每-•种载流子的电荷量以及每种载流子的迁移率的关系。将主要依据此式來讨论电导的性能。离了导电材料：固体电介质。阳离了导体：银离子、铜离子、钠离子、锂离子、氢离子等；阴离子导体：氟离子、氧离子。本文在此处引入快离子相的概念，固体从费传导态进入传导态有三种情况:（1）正常

6、熔化态。（2）非传导态经过一级相变进入导电态。相变前后均保持固态特性，仅结构发生变化。称这一特殊导电相为快离子相。其结构从冇序向无序转变或亚晶格熔融。（3）法拉第转变态，没有确切的相变温度，是-•个温度范围，在此范围内，电导率缓慢上升。离子导电的种类分为本征导电和溶质导电。本征导电一晶格点阵上的离子定向运动（热缺陷的运动）。弗仑克尔缺陷为填隙离子-空位对。肖特基缺陷为阳离了空位-阴离了空位对。溶质导电一溶质离了的定向运动，填隙离子或置换离子。电子导电按导电性能来分可分为：导体（包括超导体），半导体和绝缘

7、体。在这里捎带提一下能带理论：上世界30念叨初，布洛赫和布里渊等人研究了周期场屮运动的电子性质，为固体电子的能带理论萸定了基础。能带论是以单电子在周期性场屮运动的特征来表述品体屮电子的特征，是一个近似理论，但对固体中电了的状态做出了较为止确的物理描述。两种近似方法―近自由电子近似和紧朿缚近似。近自由电子近似理论：零级近似时，用势场平均值代替弱周期场（所谓弱周期场是指比较小的周期起伏做为微扰处理）。紧束缚理论：原子结合为晶体时，电子的状态发生了分本性的变化，电子从孤立原子的束缚态变为品体中的共有化状态。电

8、子状态变化的人小取决于电子在某原子附近所受该原了势场的作用与其它诸原了势场作用的和对大小。弱原了所处原了势场的作用较Z其它原子势场的作用要大得多，例如对于原子屮内层电子，或晶体间距比较大时，前而讨论的近自由电子近似就不适用，这时共冇化运动状态与束缚态Z间有直接联系，即紧束缚近似理论。紧束缚理论的实质是把原了间相互作用影响看成微扰的简并微扰方法，微扰后的状态是N个简并态的线性组合。磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。纳米粒子