纳米材料的电学性能.ppt

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1、3.2纳米材料的电学性能3.2.1纳米晶金属的电导纳米晶金属电导的尺寸效应纳米金属块体材料的电导纳米金属丝的电导量子化及特征电导波动及巨电导振荡3.2.2单电子效应及其应用单电子效应的基础知识单电子效应的应用3.2.3纳米材料的介电性能介电常数和介电损耗纳米BaTiO3基材料的介电性能3.2.1纳米晶金属的电导在一般电场情况下，金属和半导体的导电均服从欧姆定律。稳定电流密度j与外加电场成正比：式中，σ为电导率，单位为s∙m-1，其倒数为电阻率。纳米晶金属电导的尺寸效应稳定电流密度的条件:电子在材料内部受到的

2、阻力正好与电场力平衡电阻与晶体结构的关系由固体物理可知，在完整晶体中，电子是在周期性势场中运动，电子的稳定状态是布洛赫波描述的状态，这时不存在产生阻力的微观结构。对于不完整晶体，晶体中的杂质、缺陷、晶面等结构上的不完整性以及晶体原子因热振动而偏离平衡位置都会导致电子偏离周期性势场。这种偏离使电子波受到散射，这就是经典理论中阻力的来源。这种阻力可用电阻率来表示：式中，表示晶格振动散射的影响，与温度相关。表示杂质与缺陷的影响，与温度无关，它是温度趋近于绝对零度时的电阻值，称为剩余电阻。杂质、缺陷可以改变金属电阻

3、的阻值，但不改变电阻的温度系数。为什么？？纳米晶金属电导的尺寸效应对于粗晶金属，在杂质含量一定的情况下，由于晶界的体积分数很小，晶界对于电子的散射是相对稳定的。因此普通的粗晶和微米晶金属的电导可以认为和晶粒大小无关。由于纳米晶材料中含有大量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大幅度上升，此时，纳米材料的界面效应对剩余电阻的影响是不能忽略的。因此，纳米材料的电导具有尺寸效应，特别是晶粒小于某一临界尺寸时，量子限制将使电导量子化（ConductanceQuantization）。因此纳米材料的电导将显示出

4、许多不同于普通粗晶材料电导的性能，例如：纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小。电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、非线性的I-V曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。纳米金属块体材料的电导纳米金属块体材料的电导随着晶粒尺寸的减小而减小而且具有负的电阻温度系数，已被实验所证实。电阻率与晶粒尺寸和温度的关系晶粒尺寸和温度对纳米Pd块体电阻率的影响晶粒越细电阻率越高，温度越高电阻率越高。左图为Gleiter等

5、人对纳米Pd块体的比电阻的测量结果，表明纳米Pd块体的比电阻均高于普通晶粒Pd的比电阻，晶粒越细，比电阻越高。且电阻率随温度的上升而增大。温度为150K时，晶粒尺寸为10nm的Pd的电阻率比微米级的粗晶Pd电阻率高将近8倍。纳米晶Pd块体的直流电阻温度系数和晶粒尺寸的关系晶粒尺寸减小，电阻温度系数降低。纳米Pd块体的直流电阻温度系数左图是Gleiter等人测量得到的纳米晶Pd块体的直流电阻温度系数与晶粒直径的关系。可知，随着晶粒尺寸的减小，电阻温度系数显著下降，当晶粒尺寸小于某一临界值时，电阻温度系数就可能

6、变为负值。纳米Ag块体的电阻温度系数与晶粒尺寸的关系粒度对电阻的影响（a）粒度为11nm（b）粒度为18nm（c）粒度为20nm左图是纳米晶Ag块体的组成粒度和晶粒度对电阻温度系数的影响。当Ag块体的组成粒度小于18nm时，在50～250K的温度范围内电阻温度系数就由正值变为负值，即电阻随温度的升高而降低。当Ag粒度由20nm降为11nm时，样品的电阻发生了1～3个数量级的变化。这是由于在临界尺寸附近，Ag费米面附近导电电子的能级发生了变化，电子能级由准连续变为离散，出现能级间隙，量子效应导致电阻急剧上升。

7、根据久保理论可计算出Ag出现量子效应的临界尺寸为20nm。1、电阻温度系数由正变负2、电阻急剧增大纳米金属丝的电导量子化及特征金纳米丝的电导呈现台阶型的变化，台阶高度为电导量子＝7.75×10－5－1，电导量子可由测不准原理求得。根据电导定义，为电位差，电流为单位时间通过的电量。由于量子限制，对于一个单通道的电荷为，电化学位差为，由此可得出：根据测不准原则≥，得到：≤式中因子2来自于电子的自旋。因此，每个通道的最大电导不能大于。纳米金属丝电导的测量方法主要包括：扫描隧道显微镜（STM）机械可控劈裂结（MC

8、BJ）STM方法测量金属丝电导的基本工作原理示意图STM测量Au纳米丝电导(a)用STM形成金纳米颗粒联接及分离过程示意图(b)对应的金纳米丝联接形成及分离过程中电导呈台阶式变化（T≈4.2K）图(a)中上部三个图表示STM针尖接近样品表面过程中形成纳米丝连接，下部三个图表明针尖分离时同样形成纳米丝。图中向上箭头及灰色线a表明形成纳米丝接触时电导呈台阶式的上升，向下的箭头及黑线b表示形成的纳米丝连接分离式电导呈现