纳米结构的电子性质介绍.ppt

纳米结构的电子性质;Review;单原子中的电子局域于原子自身;最高被占据的能带称为价带 未被完全占据的能态称为导带 分隔导带与价带的区间无轨道，电子不允许具有此区间的能量;金属自由电子理论 ;金属;以(kx,ky,kz)为坐标轴，构成 空间，k在 空间作均匀分布，而电子在 空间则呈球形分布，等能面是以原点为球心的球面;自由电子气模型的抛物线型能态密度曲线。(a) T＝0K； (b) T0K;半导体与绝缘体;有效质量;;激子;掺杂;p-n junction: Abrupt junction of n p material;当扩散电流A和漂移电流B处于动态平衡，无电流流动，耗尽层内的空间电荷产生了接触电势差FB;金属纳米粒子的量子尺寸效应：Kubo理论 （a） 尺寸的减小导致电子能级的明显分立 ;费米面附近态密度： g(eF)=(3/2)(n/eF);能级间隔展宽的直接效应：金属态→非金属态 费米能级处于最高占据态和空态之间的能隙中 实验观察前提：(1) 足够低温度，使kBTd (2) 电子在相应能级上有足够长的寿命t，使不确 定原理造成的能级展宽远小于能级间隔的大 小，即：;具体实例： 金属银： n=6×1022cm-1;（b) 电子能级的统计学和热力学 在微粒直径d很小时，由于增减一个电子引起的静电能的变化 ;金属纳米微粒中含电子数的奇偶性导致行为的差别;对于每个原子只含有一个导电电子的金属： 由于粒子尺寸的分布，可以设想一半纳米粒子含有偶数个电子，另一半含有奇数个电子。 对于每个原子含有偶数个导电电子的金属： 所有纳米粒子含有偶数个电子。;低温下，仅与基态相邻的电子态是重要的，可以只考虑图中所示的能级间隔分别为D和D’的三能级系统。 已知各许可态的能量ei;结果;比热c和磁化率c可从配分函数按下式计算：;对于零磁场的情形，可得：;为简单，在低温极限下，进一步简化到只涉及最低的激发态，则得：;实际的微粒系统，需要考虑统计分布。将比热、磁化率统一记为F(D)或F(D, D’)。考虑D和D’有一定的分布后，依赖于电子数的奇、偶，有：;则可得： ;纳米微粒的c和c与大块样品有很大的不同。 上述计算是根据费米面附近金属粒子的电子能级为分立的原则计算出来的，因此，纳米微粒的c与粒子所含电子的奇偶数有关就表明其费米面附近电子能级是不连续的。 纳米微粒的比热c∝Tn+1, 而块材的比热c∝T, 两者的大的差别也证实了纳米粒子费米面附近的能级是分立的。;2. 输运性质，特征长度，量子限制 (Quantum Confinement);对于简并电子系统，由费米能确定费米波长：;动力学输运中采用平均自由程：;若;量子点接触(Quantum point contact)是二维电子气中短而窄的收缩区，其长度L～宽度W，且均小于电子平均自由程l。 在量子点接触中是完全的弹道输运。其中最突出的是2W≧lF量子点接触系统的电导量子化现象。;每种材料具有特定的电导。导线的电导与其长度成反比。但另一方面，当导线的长度减小到电子的平均自由程，电子的输运性质由扩散式变为弹道式(Ballistic transport)。;当导线的宽度减小到费米波长的尺度，由纳米线所连接的电极间的电导按阶梯2e2/h(=(12.9kW)-1)。并且电导不再与导线的长度相关。 决定电子输运的因素： 动量限制：假定约束具有宽度W，约束于引线中的电子波的动量px和py为量子化。对应于整数n，动量由hn/2W给出。;金属量子点接触－Metal QPC(Quantum point contact)s： 用纳米细线连接电极，电极逐步分离，拉伸纳米线变细变长，最终断开。通过在恒定的偏压下测量通过电极的电流，可以测得电导台阶。;;Landauer-Büttiker公式 1957年，Landauer导出了计算电导系数的公式。 其基本思想：当测量一个样品的I－V曲线时，一定会在这个样品上至少连接两根导线，然后让电流通过器件。若将这两根导线视为理想导线，即假设其不含杂质，则可将它们看作电子波的理想波导管，而将被测器件视为一势垒。这样器件的电导系数就一定依赖于电子波的穿透系数T。 粗略地讲，穿透系数T越大，可期待的器件的电导系数也就越大。 对于一个一维体系，考虑了