纳米材料光科.ppt

纳米材料光科第1页，共27页。

（优选）纳米材料光科第2页，共27页。

Kubo理论，金属相邻电子能级间距和颗粒直径的关系为?纳米微粒的基本理论－－量子尺寸效应δ为能级间距，??N为总传导电子数，EF为费米能级对于宏观物体，包含无限个原子数，N→∞，则δ→0，即能级为准连续；对于纳米颗粒，N值很小，则δ有一定值，相邻能级有一定的间隔，即电子能级为分立的能级。d?,δ?3第3页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－量子尺寸效应导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d?,δ?，电子移动困难，电阻率增大磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关光谱线会产生向短波长方向的移动催化活性与原子数目有奇妙的联系4第4页，共27页。

?纳米微粒的基本理论当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。小尺寸效应5第5页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－小尺寸效应光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变声子谱发生改变纳米颗粒的熔点降低6第6页，共27页。

?纳米微粒的基本理论表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。表面效应表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性，因而极易与其他原子反应，具有很高的化学反应活性。7第7页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－表面效应金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸(炸药、火箭）一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应（储氢材料）很大的比表面，加快化学反应过程（高效催化剂）8第8页，共27页。

?纳米微粒的基本理论隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应9第9页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。10第10页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－库仑堵塞效应当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，（e为一个电子的电荷，C为小体系的电容）体系越小，C越小，能量Ec越大。这个能量称为库仑堵塞能。库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输．通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。11第11页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－库仑堵塞与量子隧穿若两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿．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必须克服Ec，即V＞e/C。通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温度情况下观察到的，条件是（e2/2C）＞kBT。利用库仑堵塞和量子隧穿效应可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。12第12页，共27页。

?纳米微粒的基本理论－－介电限域效应介电限域是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。当介质的折射率与微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增强称为介电限域。一般说来，过渡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对光吸收边、光化学、光学非线性等会有重要的影响。因此，在分析材料光学现象时，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应。13第13页，共27页。

热学性能光学性能磁学性能力学性能电学性能化学性能光催化性能第三章纳米材料的优异性能14第14页，共27页。

?纳米材料的优异性能光学性能宽频带强吸收蓝移和红移现象纳米微粒分散体系的光学性质量子限域效应引起的光学性质表面效应引起的光学性质变化15第15页，共27页。

?纳米材料的优异性能－－光学性能红外吸收带的宽化纳米粒子大的比表面导致平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，存在一个放宽的键振动模的分布，在红外光场作用下对红外