纳米技术及其应用-第三章.ppt

《纳米技术及其应用-第三章.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第3章纳米微粒的基本理论久保公式四大效应回答问题（作业）：1、久保公式及含义2、试用久保理论解释“量子尺寸效应”中当微粒尺寸小到纳米量级时能级产生分裂的现象。3、纳米微粒主要有哪几个基本效应？它们可以使纳米微粒的哪些性能发生改变？第3章第3章久保理论是关于金属粒子电子性质的理论，它是针对金属超微粒子费米面附近电子能级状态分布而提出来的，当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应原大块金属的准连续能级产生离散现象。能带理论表明，在高温或者宏观的情况下，金属费米能级附近的电子能级是准连续的（常称为能带），但是

2、，当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应原大块金属的准连续能级会产生离散的现象。久保理论第3章久保对小颗粒的大集合体的电子能态做了两点主要假设：假设1：简并费米液体假设久保把超微粒子靠近费米面附近的电子状态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连续能级，准粒子之间交互作用忽略不计。当kBT<<δ（相邻二能级间平均能级间隔）时，这种体系靠近费米面的电子能级分布服从Poisson分布。假设2：超微粒子电中性假设久保认为，在低温对于一个超微粒于取走或放入一个电子都是十分因难的。他

3、提出电中性公式：第3章相邻电子能级间距和颗粒直径的关系久保公式久保公式其中：δ是相邻二能级间平均能级间隔；EF是费米能级；N是超微粒所包含的总的原子数；V是超微粒体积久保公式对久保公式的讨论两种情形：（1）宏观物质（大块粒子）：因为：N→∞所以：δ→0（2）纳米微粒因为：N很小所以：δ有一定的值例：Na，EF大约是3.1eV，内部原子间距是0.372nm，边长为10nm的立方体包含约2.5×104个原子，所以δ约为1.5×10-4eV（可见发生了能级分裂）。因此，在拥有104个电子的超微粒子中，超出或者

4、缺少（excessordeficit）一个电子都是不可能的。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导性与宏观特性有着显著不同。举例：Ag的导体绝缘体转变（SIMIT）纳米Si的发光现象注意：物质不同，物质的性质不同，其性质变化所需的δ也就不同。因此，不同物质、不同性质其发生性能突变时具有不同的临界尺寸。换句话说，并不是凡处在纳米尺寸范围内（0.1nm-100nm）的所有物质的所有性质都显示量子尺寸效应，不同的物质或不同的性质都会具有

5、不同的临界尺寸限值。量子尺寸效应当颗粒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分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。1）量子尺寸效应引起电导性能的突变（导体绝缘体转变）导电性最好的Ag，在1K条件下，当其尺寸小于20nm时就成为绝缘体了。根据久保公式：，得到：结合：假设：则T=1K时，可以推导出d=20nm。因此，当其尺寸小于20nm时就成为绝缘体了。2）铁电体转变为顺电体如PbTiO3、BaTiO3等

6、典型的铁电体在其临界尺寸分别会转变成顺电体，从而其室温下以立方相存在。3）不发光的物质转变为发光物质粗晶状态Si、Ge是间接带隙半导体，不发光；纳米量级的硅锗，具有明显的可见光发光现象，而且粒径越小发光越强，发光光谱逐渐蓝移。4）磁学性能的改变铁磁体可以变成超顺磁状态（α-Fe，5nm时转变为顺磁体；Fe3O4，16nm；α-Fe2O3，20nm；Ni，15nm）；抗磁性物质可以转变为顺磁性物质；非磁性或者顺磁性的物质还可以转变为铁磁性的物质。小尺寸效应当超微颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态

7、的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或者更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；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。熔点：金纳米微粒的粒径与熔点的关系图粒径增加，熔点上升；粒径减小，熔点下降。磁性：纳米尺度的强磁性颗粒（Fe-Co合金，氧化铁等)，随着颗粒尺寸减小磁性呈现一定的规律。当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力。可制成磁件信用卡、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

8、域。纳米微粒由于具有量子尺寸效应和小尺寸效应，所以才表现出：（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的电学性质（4）特殊的磁学性质（5）特殊的力学性质表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，表面原子数增多。由于表面原子数增多，原子配位不足及其高的表面能，使得这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其它的原子结合。Table表面原子数占全部原子数之间的比例和粒径之间的关系（此模型：球形颗粒尺寸3nm，原子间距0.3nm）源于表面效应