北京大学化学学院：《化学纳米材料》第二章 纳米材料（纳米粒子）的特性

三、纳米材料(纳米粒子)的特性 1.尺寸效应—Kubo理论 2.表面效应 3.库仑阻塞和量子隧穿 4.个电限域效应

二、纳米材料 (纳米粒子 )的特性 1. 尺寸效应—Kubo 理论 2. 表面效应 3. 库仑阻塞和量子隧穿 4. 介电限域效应

1.尺寸效应 1)量子尺寸效应(Kub公式): 6-(4/3E/N)∝V1 δ,相临电子能级间距;N,粒子内总导电电子数; EF,费米能级;V,粒子体积 当粒子为球形肘,δ∝1/d3 金属能级的不连续和芊导体能级间隙变宽

1. 尺寸效应 1) 量子尺寸效应(Kubo公式)： δ=(4/3)(EF/N) ∝ V-1 δ, 相临电子能级间距；N，粒子内总导电电子数； EF ，费米能级；V，粒子体积 当粒子为球形时， δ ∝ 1/d3 金属能级的不连续和半导体能级间隙变宽

2)小尺寸效应 粒子尺寸与光的波长、单硫筹临界尺寸、超导态的相干 长度相当或更小时,引起的相关物理性质的变化。 光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移; 磁有序态向磁无序态过渡; 超导相向正常相转变; 纳米粒子熔点的改变:金:熔点1337K,2nm粒子为600K

2) 小尺寸效应： 粒子尺寸与光的波长、单磁筹临界尺寸、超导态的相干 长度相当或更小时，引起的相关物理性质的变化。 ¾ 光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移； ¾ 磁有序态向磁无序态过渡； ¾ 超导相向正常相转变； ¾纳米粒子熔点的改变：金：熔点1337K，2nm粒子为600K

表面效应 纳米微粒尺寸与表面原子数的关糸 纳米微粒尺寸 包含总原子数表面原子所占比例 d/ nm 4×103 5×102 80 99

2. 表面效应 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 20 40 80 99 3×104 4×103 2.5×102 30 10 4 2 1 表面原子所占比例 % 纳米微粒尺寸 包含总原子数 d/nm

。)33。 )coo a 0)0a。a。 。。000· 00060 图2.4将采取单一立方晶格结构的原 子尽可能以接近回(或球)形进行配置的 超微粒模式图

3.庳仑堵塞与量子隧穿 Ec=e2/2C 充入一个电子所需要的能量 也称库仓堵塞能 这种小体糸中单电子输运行为称 为库心堵塞效应。 Number of electrons

3. 库仑堵塞与量子隧穿 Ec= e2/2C 充入一个电子所需要的能量 也称库仑堵塞能 这种小体系中单电子输运行为称 为库仑堵塞效应。 V Number of Electrons

STM tp E nnn Ca 1t02m 20 nm 1 555 Au(111) 012 Bias voltage(V) Coulomb Staircase at room temperature in a self-assembled molecular nanostructure Science. v272. 1323-1325

“Coulomb Staircase” at room temperature in a self-assembled molecular nanostructure, Science, V272, 1323-1325

electron 在第一个量子点上所加的电压必须克服EC,电子才能隧穿 v>e/c 通常,庳公堵塞和量子隧穿都是在低温下才能观察到 条件是(e2/2C)>kbT。如果粒子特别小,一般在1nm左右时 就可以在室温下观察到

electron V 在第一个量子点上所加的电压必须克服Ec，电子才能隧穿， V>e/C 通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在低温下才能观察到， 条件是( e2/2C)>kbT。如果粒子特别小，一般在1nm左右时 就可以在室温下观察到

4.个电限域效应 纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体糸介电 增强的现象。 介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等性质都有 影响

4. 介电限域效应 纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电 增强的现象。 介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等性质都有 影响

三、纳米材料的制备 分类:物理方法和化学方法 物理方法:物理粉碎法、激光蒸发法、 喷雾法、分子東外延法 化学方法:沉淀法、溶胶凝胶法、微反应器法 水热及溶剂热法、化学气相沉积法

三、纳米材料的制备 1. 分类：物理方法和化学方法 物理方法：物理粉碎法、激光蒸发法、 喷雾法、 分子束外延法 … 化学方法：沉淀法、溶胶 -凝胶法、微反应器法、 水热及溶剂热法、化学气相沉积法 …