第二章 纳米材料的基本理论-2016.pptVIP

2.1.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点上所加的电压(V／2)必须克服Ec，即Ve／C．通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温情况下观察到的， 观察到的条件是(e2／2C)kBT． 有人已作了估计，如果量子点的尺寸为1 nm左右，我们可以在室温下观察到上述效应．当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度下． 通常，库仑堵塞和量子遂穿必须在极低的温度下观察： 即： 只有当热运动能KBT小于库仑堵塞能，才能观察到库仑堵塞效应和量子隧道效应（电子由一个粒子跃到另一个小导体）。 明显可以看出：体积尺寸越小， C越小， Ec(e2/2C)越大，允许观察的温度T就越高。 当粒子尺寸为1 nm时， kBT Ec可在室温时观察。而十几纳米的粒子观察必须在液氮温度。 1 nm时，Ec=2×10-19焦耳　 (代入ε0=8.85×10-12F/m; e=1.602×10-19库仑； kB=1.38×10-23J/K) 常温下：kBT =1.38×10-23×300=4×10-21焦耳 明显：kBT Ec， 热涨落很难改变超微粒子的电中性，即很难自发放电。 10 nm时，Ec=2×10-20焦耳 kBT 而100 nm时，Ec=2×10-21焦耳kBT 即在100 nm时，就不能在室温下观察库仑堵塞效应。 利用库仑堵塞效应和量子隧穿效应，可以设计下一代纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关(加电压，如下图)。 Double Barrier Tunneling Junction VD C1 C2 R1 R2 Coulomb Island I Coulomb Staircase V I e/C R1C1 /R2C2 or 1 Coulomb Blockade V R1C1? R2C2 e/C e/RC 可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等．  库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线上升，而是在I—V曲线上呈现锯齿形状的台阶． 2.1.5 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增强的现象，通常称为介电限局效应。 其主要来源于微粒表面和内部局域场的增强．当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强就是为介电限域。 一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应．纳米微粒的介电限域效应对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。 在分析材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应。 2.1.5 介电限域效应 布拉斯(Brus)公式： E(r) =Eg(r = ∞) + h2π2/2μr2 - 1.786e2／εr - 0.248ERy 式中E(r)为纳米微粒的吸收带隙，Eg(r = ∞)为体相的带隙，r为粒子半径，μ=[1/me +1/mh] 为粒子的折合质量，其中me和mh分别为电子和空穴的有效质量． 第二项为量子限域能(蓝移)，第三项表明，介电限域效应导致介电常数ε增加，同样引起红移．第四项为有效里德伯能。 过渡族金属氧化物，如Fe2O3，Co2O3，Cr2O3和Mn2O3等纳米粒子分散在十二烷基苯磺酸钠(DBS)中出现了光学三阶非线性增强效应．Fe2O3纳米粒子测量结果表明，三阶非线性系数χ(3)达到 90m2／V2，比在水中高两个数量级．这种三阶非线性增强现象归结于介电限域效应。 2.1.7 量子限域效应 半导体纳米微粒的粒径raR(aR)为激子玻尔半径)时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引起电子和空穴波函数的重叠，这就很容易产生激子吸收带,激子带的吸收系数随粒径下降而增加并蓝移，称作量子限域效应. 激子的振子强度 : m为电子质量，E为跃迁能量，μ为跃迁偶极矩． 1和2分别为掺了粒径大于10 nm和5 nm的GaSeSi的玻璃的光吸收谱 纳米材料基础与应用 * 纳米半导体微粒增强的量子限域效应使它的光学性能不同于常规半导体。 纳米材料界面中的空穴浓度比常规材料高得多。纳米材料的颗粒尺寸小，电子运动的平均自由程短，空穴约束电子形成激子的概率高，颗粒愈小，形成激子的概率越大，激子浓度愈高。 这种量子限域效应，使能隙中靠近导带底形成一些激子能级，产生激子发光带。激子发光带的强度随颗粒尺寸的减小而增加。 * * 纳米材料的基本理论 纳米材料基础与应用 *