介质层厚度无序对Bragg微腔模式的影响

介质层厚度无序对Bragg微腔模式的影响
介质层厚度无序对Bragg微腔模式的影响

Effects of Disorder on the Mode of Photonic Crystal Bragg

Cavity

ZHENG Gai-ge, SHI Lin-xing, WANG Hai-jiao, JIANG Li-yong, LI Xiang-yin Applied Physics Department, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094

Email: zgggyh1984@https://www.360docs.net/doc/169193259.html,

Abstract :Based on eigen-mode expansion method (EME) and perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition, the property of the mode of planar photonic crystal Bragg cavity which composed of and bilayers are investigated. The study of localization behavior

in a randomly layered medium is extended from normal to oblique incidence ,both TE and TM modes are considered. The effects of disorder and incident angle on the mode and the localization length of the cavity are studied in detail. The localization length is found to be very small in gaps and much larger in bands, the transmission decreases in bands while increases in gaps as the disordering degree increases .It is revealed that when light incident upon the system and the disordering degree is small, the localization length of the band is lager than the one in the gap, and their relationship with disordering degree is different. When the disordering degree is bigger, localization length is affected not only by disordering degree and photonic band gap, but also the material. Moreover, the localization length can be changed with period and incident angle, and it’s behaviors are very different for TE and TM modes.

2TiO 2SiO Keywords: Bragg micro-cavity; eigen-mode expansion method; perfectly matched layer absorbing boundary condition; random thickness

1 Introduction

During the past two decades, the characteristic of the photonic crystal micro-cavity has

attracted considerable interests of researchers [1-3]. By introducing a micro-cavity into the PBG

structures, it is possible to obtain highly localized cavity modes inside the photonic stop band, which is analogous to the impurity states inside the semiconductor band gap. Researchers have fabricated planar photonic crystal micro-cavity by using of the methods of PVD, MBE, CVD, MOCVD, or MOVPE [4-6], and so on. However, manufacture of photonic crystals is still a real challenge for the optical domain. In practical cases, disorder usually caused by randomly distributed material defaults or manufacture errors during production process is very common, this may lead to localization phenomenon, like the well-known Anderson localization of electron waves in disordered systems [7]

.

The localization length has been introduced in the study of random medium and is a length representative of the thickness of material necessary to localize light (stop light propagation). Very recently, some studies have dealt with extended defect in 2D and 3D disturbed photonic crystals or in a much simpler 1D model [8-16]. These studies have been presented using different numerical methods. However, depending on the problem tackled, not all methods are equivalent or suitable.

In this paper, we have extended the study from normal incidence to oblique incidence. Both TE and TM waves are considered, the property of the mode of the one-dimensional (1D) photonic crystal micro-cavity which composed of and bilayers is studied by using of the

eigen-mode expansion method (EME) coupled with the perfectly matched layer (PML) boundary 2TiO 2SiO

conditions. Due to the existence of Brewster anomalies for the TM mode, the localization length behaviors are very different for TE and TM waves. These results can provide useful information for the study of multichannel systems in the strong scattering limit [17].

2 Outline of EME method

EME is a powerful method for calculation of electromagnetic propagation which has been well known amongst academic environments and also in microwave fields, representing the electromagnetic fields everywhere in terms of a basis set of local modes. It is at the same time a rigorous solution of Maxwell’s Equations and is able to deal with very long structures [18]. In addition, this algorithm is inherently bi-directional, all reflections are taken into account.

We identify a unit cell in the crystal oriented along a certain propagation direction, and subsequently divide this cell into layers in which the index profile does not change in the propagation direction. In each of these layers, we expand the field in the local eigenmodes of that particular layer [19]. Using mode matching

[20], we can eventually derive reflection and transmission matrices that completely describe the scattering behavior of the unit cell

Fig.1 Unit cell in a periodic structure.

1,22,121,22,112B t r F F r t 1B =??????????????????i (1)

121,21,1()i j d t diag e T β+?=i (2)

1,21,1r R += (3)

(4) 12122,11,1()(i j d j d r diag e R diag e β+?=i i )i β?) (5)

122,11,1(i j d t T diag e β+?=F and B are column vectors containing the expansion coefficients of the forward and backward propagating fields, respectively. T relates the transfer matrices of a structure . βis propagating constant , and d is the thickness of certain layer. As we know the scattering matrix of every unit, then we can calculate the matrix of the whole structure

(6) 1,11,111,11,111p p p p p p T R F F R T B B ++++++=???????????????i 1???p p p p +

(7) 11,1,1,1,11,()p p p p p p T t I R r T ?+++=?i i

(8) 11,1,1,1,1,11,1,()p p p p p p p p p p R t I R r R t r ?+++++=?+i i i

(9) 11,1,1,1,1,11,1,()p p p p p p p p R T I r R r T R ?+++=?+i i i i (10) 11,1,1,1,11,()p p p p p p T T I r R t ?++=?i i i Choosing the right boundary conditions is crucially important for the accuracy and efficiency of the EME method. The boundary at 0X imposes a certain relation between forward and

backward-propagating waves [21]:

(11) 0000F r B ?=On right side, we impose a similar boundary condition: (12) 0N N N F r B ?=3 Numerical results and discussions

The system contains N units, each unit is composed by two layers with refractive index and 2a 2.4()n TiO =O 21.45()b n Si =respectively.

The defect is , and it’s thickness is 100nm. To introduce disorder, we choose the width of

the layers to be random variable 2TiO 0(1)n n d d υη=+,where ,n a b =,052a d nm =,, and 058b d nm =(01)υυ≤≤ describes the strength of randomness and η is a random number between (.

0.5,0.5)

?

Fig.2. A schematic diagram of photonic crystal micro-cavity.

When the plane wave propagates in such a system, the transmission and reflection can be tackled in a manner by the TMM method [22,23]. But here we take use of the EME method coupled with the perfectly matched layer (PML) boundary conditions, and compared with the other methods. The localization length (ξ) of wave transmitting through such a finite disorder system can be obtained as

2ln La T ξ=??? (13) Where is the thickness of the the slab of the disordered photonic crystal, represents the logarithmic average of the transmission over different Configurations for the disordered sample. Here, the distribution of T is obtained from the results of 100 configurations.

La ln T ??3.1 The effect of the disordering degree on the defect mode of the cavity.

The unit of the localization length is the same as Λ(a b Λ=+, is the spatial period ) , the relationship between localization length and incident wavelength when light is incident upon the system is shown in Fig.3.

When the thickness of is random, if , the localization length in the super-edge is larger than the sub-edge’s. 2TiO 0.4υ<ξ is decreasing with the disordering degree in the band, but increasing with disordering degree in the gap. In other words, the transmissivity of the band is increasing with disordering degree while the transmissivity of the gap is decreasing. As the thickness of is random, we can get the similar conclusion. If 2SiO 0.4υ>,the localization length in the super-edge is smaller than the sub-edge’s, and it’s value is much smaller than the one corresponding to small υ. But when the thickness of is random, if , the result is

2SiO 0.4υ>

opposite, as seen in Fig.3(d).

3.2 The effect of the incident angle and period on the defect mode of the cavity.

Both TE and TM modes must be considered when oblique incidence is taken into account. The localization length behaviors are very different for TE and TM modes. When 0.3υ=, for TM mode, the localization length in the down band is larger than the one in the upper band obviously as seen in Fig.4(a). The value of ξin the gap doesn’t show any orderliness. For TE mode, the value of ξ is less than the one corresponding to TM mode. We also find that the smallest value is coming towards the short wavelength as the incident angle is increasing. This is the result of contributions of Bragg reflection and photon localization.

When both of the layers’ widths are random, the condition is similar as the conclusion we get as above. We also investigate the relationship between the periods and ξ as seen in Fig.5.

Fig.3 The relation between the localization length and wavelength as normal incident . (a),

(b) ,(c) ,(d) corresponding to the disordering degree of is small, the disordering degree of is small,

the disordering degree of is big, the disordering degree of is big respectively .

For the same υ, the bigger the periods, the larger the localization length is. This is because if the periods are more, L becomes larger . When the number of the periods is 20, the localization length corresponding to0.591m Λ.

μis 1220

Fig.4 The effect of incident angle on localization length when 0.3υ=. (a)、(b) is TM and TE mode respectively.

Fig.5.The relationship between periods and localization length.

3 conclusion

In summary , we have analytically extend the effects of random thickness of the layers on the transmission and localization length,which have been confirmed by numerical simulations. We find out that localization length is very small in gaps and much larger in bands, the transmission decreases in bands while increases in gaps as the disordering degree increases. the localization length can be changed with period of the structure and the incident angle, and it’s behaviors are very different for TE and TM modes. The results we get by using of the EME method, is the same as the conclusions in some literature [24,25], and is expected to be useful in understanding the general intrinsic nature of randomly perturbed PCs.

EME method not only is suitable for the structure that composed of multi-layers, but also can be used to solve the two and three dimensional problems, associated with other theories, it is expected to be a powerful and exact solution. In the future, some works should be made in order to analyze the sensitivity to disorder of the very peculiar properties of photonic crystals such as the superprism phenomenon, the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability. References

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纳米尺寸效应

纳米尺寸效应 纳米是长度单位,原称毫微米,就是10^-9米(10亿分之一米)。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的三大效应:表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10^-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。 (1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 (2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064C℃,当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时,则降低27℃,2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1~

静电微泵致动特性及其尺寸效应分析

静电微泵致动特性及其尺寸效应分析1 刘迎伟1,刘凯1,韩光平1,2 1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安(710048) 2.郑州航空工业管理学院,郑州(450052) E-mail:kliu@https://www.360docs.net/doc/169193259.html, 摘要:分析静电吸合现象,给出吸合电压的计算公式,以圆形泵膜为例,研究吸合电压的尺寸效应及泵膜几何尺寸对吸合电压的影响,得到静电间隙与泵膜厚度对吸合电压呈现正尺寸效应,其中吸合电压对静电间隙的灵敏度较大;泵膜半径则呈现负尺寸效应。这为静电致动器的精确控制与设计提供依据。 关键词:静电微泵;静电吸合;尺寸效应;等效电路 静电致动微泵工作过程式是一个静电场和机械结构相耦合的过程,通过静电场的变化引起微泵结构的响应[1]。因此,微泵的结构特征与静电致动特性是影响微泵工作的两个最主要的因素。本文研究静电致动特性及其尺寸效应。 1.振膜式静电微泵的结构及其工作原理 静电力作为MEMS的主要驱动力,由于其响应时间短,可靠性极好,能耗很低,制作也相对简单,被广泛地用于许多微型器件上。静电致动只有做到电极间间隙足够小,且所加电压比较高时才能产生足够大的致动力,这样必须防止两电极的接触。而且致动力的非线性性质给精确控制增加了一定难度。应用较为成功的一类静电致动器就是静电致动式微泵。其基本结构主要由三部分组成:致动单元,微型单向阀单元和泵室。致动单元包括:固定电极(上电极对),绝缘层,泵膜片(下电极对)。微型单向阀单元包括上阀体和下阀体或扩散口和喷嘴。结构如图1和图2所式。 静电致动器原理很简单,由一个薄膜作为可动电极和一个固定电极组成,在两个电极间施加交变电压,利用两个电极之间的电荷吸引作用,使薄膜产生周期性变形,使腔体内的压力交替变化,从而驱动流体流动。静电产生的压力与电极施加的电压的平方成正比,与电极间的距离的平方成反比。静电驱动方式一般通过调节驱动电压大小来间接控制机构的运动。压力的提高受到致动器的位移量(行程)的限制。 图1 有阀静电微泵 1本课题得到了教育部高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20060700002)的资助。

拉强度及其尺寸效应的细观数值研究

万方数据

第12期屈彦玲,等:碾压混凝土劈裂抗拉强度及其尺寸效应的细观数值研究81在碾压混凝土细观数值试验方面的研究工作刚刚开 始,国内则还很少见…。采用混凝土随机骨料生成技术及有限元数值模拟技术研究碾压混凝土的细观损伤断裂机理、强度特性及其尺寸效应与宏观力学性能的关系,可以为碾压混凝土力学性能的数值模拟开辟新途径。 采用混凝土随机骨料模拟技术[2’3]及有限元数值分析技术,在细观层次上重点研究了碾压混凝土的劈裂抗拉强度及其破坏机理,并对其尺寸效应进行了研究。 1计算模型 1.1随机骨料模型 把混凝土视为由粗骨料、水泥砂浆及两者界面粘结带组成的复合材料。骨料分成细骨料和粗骨料,骨料的大小可用颗粒分配曲线表示。假定其颗粒为球状,可借助于富勒(Fuller)抛物线确定骨料颗粒的三维级配曲线,由该级配浇注的混凝土可产生优化的结构密度和强度。 采用试件截面为16.7cnl×16.7cm的三级配混凝土,将小于5mln的细骨料计人砂浆匀质体,计算得出的各级骨料颗粒数:6cm粒径的骨料2粒,3cm粒径的骨料6粒,1.2(3111粒径的骨料50粒。按各种粗骨料在截面上不相萤叠的条件,借助蒙特卡罗方法【4J,在试件截面上随机确定骨料的位置、形状和尺寸,产生出随机骨料模型。在试件中部设置一层1cnl厚的水泥砂浆层以模拟碾压混凝土层面连接,据此生成碾压混凝土随机骨料模型。考虑到骨料随机分布的影响,本文对14种不同骨料分布的试件进行了模拟计算,取劈裂抗拉强度的统计平均值作为计算值。这样计算出的结果就更具有代表性,更能接近实验室的实际情况。该尺寸试件的一种随机分布骨料模型如图l所示。 1.2有限元模型 利用自编的有限元分析程序,对碾压混凝土层面劈裂抗拉试件作仿真模拟分析。根据Delaunay【5叫三角剖分的原理,通过引进程序来实现对随机骨料颗粒分布区域的全自动剖分,对不同单元分配不同的材料特性。以上材料类型的判断通过编程由计算机实现。图1中碾压混凝土层面劈裂抗拉试件的有限元计算网格如图2所示。 1.3材料参数 综合文献[8~10]及有关试验资料[111后,随机骨料模型材料性能的取值见表1。 羹鬻小/,O 图1随机颗粒分布图 №.1Distributionofrandom aggregates 图2有限元网格剖分图 rig.2Finiteelement咖d8 表1随机骨料模型材料性能 Tab.1Materialpropertiesofrandomaggregatemodel 2劈裂抗拉数值模拟 2.1劈裂抗拉强度数值模拟计算 劈裂抗拉强度按式(1)计算: p Rpl=0.637},(1) .rio 式中,尺d为试样的劈裂抗拉强度;P为破坏荷载;A。为劈裂面积。 对河北省桃林口水库碾压混凝土试件进行了劈裂抗拉强度试验[1¨。劈裂抗拉强度试样36个,最大值3.84MPa,最小值1.26MPa,平均值为2.71MPa。模拟计算结果与试验结果的对比列于表2。计算结果与试验结果基本吻合。 表2计算劈裂抗拉强度与试验强度的对比 Tab.2Contrastofsplit-temile曲陀ngI}lBof computationandexperiment 2.2劈裂抗拉破坏机理 模拟试件劈拉破坏时的裂纹分布图如图3所示。 从破坏裂纹分布图3可以看出,带层面碾压混凝土试件受劈裂抗拉时,因粘结带的强度比硬化水泥砂浆的强度低,所以靠近层面的粘结带单元先破坏,随后裂缝沿碾压混凝土的层面扩展开来,直到破坏。同时可以看出裂纹起源于荷载作用点处,然后沿着荷载作用面传播;破坏先是在粘结带进行,在其大部破 坏以后,破坏区转移到层面,最后直到粘结带和层面   万方数据

纳米材料四大效应

1.小尺寸效应:当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及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,对于晶体其周期性的边界条件将被破坏,对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小,这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化,这称为小尺寸效应 我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。 2.表面效应:是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。 其实质就是小尺寸效应。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 3. 量子尺寸效应:当粒子尺寸降低到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 可否直接说连续的能带变成能级。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应。 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。因为表面原子数目增多,比表面积大,原子配位不足,表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键,表面能高,因而导致这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化,同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料由此具有了较高的化学活性,使得纳米材料的扩散系数大,大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸附气体等等。(2)小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性,可以高效率地将

(赵国藩)尺寸效应

混凝土作为一种脆性工程材料表现出了明显的尺寸效应(size Effect)。准确地说,它的混凝土尺寸效应现象表现在两个方面:一是试件尺寸对确定参数的影响,二是在进行数值模拟时,数值计算得到的结果显著的依赖于有限元网格尺寸大小。例如混凝土梁的弯曲强度随梁高度的增加而降低。L’Herrnite的研究则表明,由三点弯曲梁测得的混凝土平均抗拉强度随试件体积的增加而降低。Kadlecek等指出,由三点弯曲梁和四点弯曲梁试验、计算所得的混凝土平均抗拉强度与直接拉伸试件所得混凝土抗拉强度值有显著差别。Bazant等对混凝土缺口梁的试验研究表明,名义抗拉强度和抗剪强度对试件尺寸有明显的依赖性。上述研究实质上表明:1.由弹性分析或极限分析反映的水泥基复合材料的抗拉强度是试件体积和结构内部应力场的函数。这种试件尺寸效应与结构内部原始缺陷有一定的关系。也就是说材料内部的原始缺陷数量是材料体积的函数,原始缺陷在结构中的拓朴分布必定与施加于这些微缺陷的应力场有关。文献[17]的研究指出:这种试件尺寸效应可以用初始损伤发展的概率方法来分析。2.由混凝土缺口试件测得的混凝土断裂韧度有明显的尺寸效应,试件的破坏往往是断裂过程区中微裂缝发展的结果。断裂过程区的大小往往与材料中骨料粒径大小有直接关系,对于混凝土I型断裂而言,断裂过程区的宽度是最大骨料粒径D max的3倍,而其长度约是D max的5至6倍。然而断裂过程区的体积并不随结构的尺寸变化。因而对尺寸较小的试件来说,在断裂过程区和结构的其余部分之间进行的应力和能量重分布是非常重要的。而对于大试件来说,由于断裂过程区的大小与试件尺寸相比可忽略不计,其损伤可视为集中在裂缝尖端的一个相对小的区域。这种试件尺寸效应与结构破坏前的损伤发展有关而与材料中原始缺陷无关。上述两个方面实则指出了两种类型的试件尺寸效应现象,一种与结构的原始缺陷的数量和分布有关,一种与结构在应力作用下的损伤发展有关。对于有缺口试件而言,预制切口可视为结构内部的最大原始缺陷。 对混凝土这种典型的非均质材料来说,对其力学行为的模拟往往有两种方法:一种是视混凝土为均质材料,采用连续介质力学方法。定义局部应变和应力,利用一种适当的方法来分析当材料受荷时,应力和应变的变化。另一种是不再认为混凝土为均质材料,而认为其组份是随机分布,运用概率的方法来研究混凝土的力学行为,这就是通常所说的随机方法(Stochastic Approach)。已有许多学者运用这种随机方法建立了许多混凝土分析模型。

复合材料中的尺寸效应

复合材料中的尺寸效应 复合材料本身就是一种广义的结构,这种结构的破坏问题与结构的尺寸效应有 着必然的联系,复合材料中很多都属于准脆性材料,因此尺寸效应显得尤其重要, 从尺度律和尺寸效应角度研究强度问题是个重要的观点,比如一个长细杠件它的稳定性能一定较差,这也是一种较常见的尺寸效应问题。强度随机性引起的尺寸效应,能量释放的尺寸效应和微裂纹和断裂的分形特性产生的尺寸效应都对复合材料结构的强度的影响有着重要意义。 目前,固体力学中有三种有关尺寸效应的基本理论 : (1)随机强度统计理论 ; (2)长裂纹引起的应力重新分布和断裂能量释放理论 (3)裂纹分形理论,它可分为两大类 : (a) 裂纹表面的侵入式分形特性理论(即表面粗糙度的分形属性) (b) 间隙分形特性理论(代表着微裂纹的分形分布)

这些基本理论概括表现为材料的四种尺寸效应: (l)边界层效应:它是由材料的非均匀性和泊松效应造成的.前者可以混凝土之类的材料为例,由于各种骨料不能穿透表面而使表面层具有不同的成分;而泊松效应指的是,在试样内部可能存在平面应变的状态,它们发生在与试件表面平行的平面上 ,但不是发生在试样的表面,而是发生在试件的中心部位 . (2)表面与裂纹边缘连接处存在三维应力的奇异性: 这也是由于泊松效应引起的.这就造成了断裂扩展区域靠近表面的那一部分的力学行为不同于试样内部 的力学行为 . (3)由扩散现象引起的时间相关的尺寸效应, 所谓扩散可以是多孔介质中热的输运或湿气和化学物质的输运,这一点已在收缩和干燥蠕变现象的尺寸效应中显示出来,原因是半干燥期依赖于尺寸,以及这种尺寸效应对收缩致裂的影响。 (4)材料本构关系的时间相关性 ,特别是材料应变软化的粘性特征

钢疲劳极限的-缺口尺寸效应(翻译一)

钢疲劳极限的缺口尺寸效应 摘要 在这篇论文中,表面有沟槽的试样的疲劳行为已经被研究过。它显示有两种与槽口相关的尺寸效应:统计的尺寸效应和几何的尺寸效应。统计的尺寸效应是基于试样在变应力区域的起始裂纹的最大深度的分布而计算的,几何尺寸效应则是依靠应力梯度并且能够在线弹性力学的帮助下被估计。在钝的刻痕上的尺寸效应可以用着两种要素来解释。当裂纹变更剧烈时,在特定的极限之后,张力的塑形部分的大小开始在疲劳裂纹开裂上起重要作用,并且它的疲劳极限低于统计和几何尺寸效应的预测。另外的估算方法可以被用在那种缺口。 1.介绍 被用在机器上的大多数部件都有缺口,例如肩部和小孔。这种样本的疲劳极限高于缺口根部的最大应力,并将显示。已经进行了很多尝试评估这一现象,这被称为缺口尺寸效应。它的目的在于建立一个方程式,一些常用的方法在参考【1】中,刻痕尺寸效应的大小取决于材料,这可以用那种被称作材料的缺口灵敏度来解释。现如今用来描述这种现象的公式包括材料因素,但是没有物理背景的公式来描述这一现象。当应用与不同的材料时,所有的公式显示出相当大的分散。 这篇论文的目的是来显示缺口尺寸效应可以用这两种因素来解释:统计尺寸效应和一种被称作几何尺寸效应的应力梯度的影响。统计尺寸效应可以进行如下描述:当一个组件遭受交变载荷时,在它的体积上将产生大量微裂隙,样本越大,起始裂缝也就越大。因此,对

于大样本来说,更有可能出现大的起始裂纹和更小的疲劳极限。Makkonen [1,2]显示平板尺寸效应仅由统计尺寸效应引起。几何尺寸效应得到切口试样的图片,在细槽、肩部和其他间断点的附近的应力分布变成非线性并且出现一个高的应力峰值。应力梯度在小并成某种形状的试样上变得更加陡峭,如果同样大小的裂缝出现在应力峰值区域,在裂缝上的应力强度因子高于大尺寸试样。这篇论文的另外的一个目的是展示一种通过比较裂纹发起的两种情况:实际峰值应力分布和线性压力来估算几何尺寸效应的方法。 2.统计方法 专业术语 a0 initated crack depth 起始裂纹深度 a crack depth 裂纹深度 c crack length 裂纹长度 d diameter 直径 d n notch depth 缺口深度 e constant 常量 f(x) probability density function 概率密度函数 fXn:n(x) probability density function of the maximum value of sample 样本最大值的概率密度函数 k g geometric size factor 几何尺寸因子 l0 material constant 材料常数 n sample size 样本尺寸 n cyclic hardening exponent 循环硬化指数 r radius 半径 sx standard deviation of a random variable 随机变量的标准偏差 x random variable, co-ordinate 随机变量坐标 x m mean value of a random variable 随机变量平均值 y co-ordinate y坐标 z co-ordinate z坐标 A surface area 表面积 Ai surface area of i th part of the surface 表面部分表面积 A eff effective stress area 有效压力区域 D diameter 直径

纳米材料的小尺寸效应

纳米材料的小尺寸效应 吴顺康四川大学生命科学学院 2016 级生命科学拔尖班 小尺寸现象产生的原因: 纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时,微粒内包含的原子数仅为 100?10000 个,其中有 50 %左右为界原子,纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。 小尺寸效应导致的性质(以及部分应用) 由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小,光在纳米材料中传播的周期性被破坏,其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如,金属由于光反射显现各种颜色,而金属纳米微粒都呈黑色,说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质,可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材 料,可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外,金属超微颗粒的光反射率极低,可低于1%, 大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性,高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后,纳米材料的熔点显著降低,犹在颗粒直径为 10 纳米时较为明显,例如金(Au)常规熔点在1064度;然而在颗粒尺寸减少到 2纳米时仅为327度;由此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉,可以使膜厚均匀,覆盖面积大,省料而质量高。 纳米小尺寸效应的应用: 纳米材料作为功能材料与产业技术的结合,具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同,在颗粒尺寸下降到 0.02 微米以下之后,其矫顽力可增加 1000 倍,若进一步

减小尺寸,其矫顽力反而可以降到0,呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的

纳米材料小尺寸效应的应用

纳米材料小尺寸效应的应用 引言:提起“纳米”这个词,可能很多人都听说过,但什么是纳米,什么是纳米材料,可能很多人并不一定清楚,本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介,相信随着科学技术的发展,会有越来越多的纳米材料走进人们的生活,为人类造福。纳米技术具有极大的理论和应用价值,纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。 关键词:纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景 一、纳米材料及其性质 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散,其比表面高,具有耐高温的惰性,高活性,属活性氧化铝;多孔性;硬度高、尺寸稳定性好,具有较强的表面酸性和一定的表面碱性,被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧,特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用,尤其是在小尺寸方面的应用。 二、纳米科技的发展现状 著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点,会是一次技术革命,而且还会是一次产业革命”。随着世界发达国家对纳米研究的深入,我国对纳米材料和技术也非常重视,为推动我国纳米技术成果产业化.国家通过财政投资并带动社会投资.希望通过5—10年的努力.造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。已先后安排了许多纳米科技的研究项目,并取得显著成绩,纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。

微电子机械系统尺寸效应的泛函分析

微电子机械系统尺寸效应的泛函分析 韩光平1,2,刘凯1,褚金奎2 (1.西安理工大学,陕西西安 710048;2.郑州航空工业管理学院,河南郑州 450052) 摘要:尺寸效应涉及微电子机械系统研究领域的各个方面,在分析归纳微器件或系统中尺寸对其特性影响的基础上,提出从纯尺寸因素和非尺寸因素综合考虑尺寸效应,建立了一个尺寸效应的基本数学模型,并从尺寸泛函的绝对值、相对值和对尺寸的灵敏度三个方面对该数学模型进行泛函分析,总结出一些尺寸效应的发生规律。 关键词:微电子机械系统(M EM S);尺寸效应;泛函分析;灵敏度;微器件 中图分类号:T H112 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2004)02-0017-03 微电子机械系统(M EM S)技术基于微电子和微机械的有机集成,涉及微电子学、微机械学、微材料学、微摩擦学、微电磁学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、自动控制、物理、化学及生物医学等多个学科的研究领域[1],集约了各学科前沿领域研究的新技术、新成果,和纳米科学技术(N ST)一起被列为21世纪关键技术之首。自20世纪60年代问世以来,M EM S逐步成为人们在微观领域认识和改造客观物质世界的一种高新技术和重要手段,将人类带入信息时代。由于其应用的广泛性和迫切性,国内外投入到该研究领域的人力、物力日益增加,考虑到实用性,人们更加关注可以即时应用的各种微器件的研究开发,特别是经过近十年的迅猛发展,国内外在硅微细加工、光刻、L IGA和准L IGA技术、高能束刻蚀技术、牺牲层技术、外延技术、准分子激光微细加工技术等各种微制造工艺方面取得了显著的成就,设计制造出多种微传感器、微执行器等微器件,如M EM S力传感器、微加速度传感器、微显示器芯片、微惯性传感器、微机械血液测试仪[2]、微阀、微泵、微齿轮及微马达等。但是,各种微器件有机结合成真正意义上的M EM S,还有相当的难度,如何建立M EM S等效机构的失效模型这一问题尚未得到有效解决[3]。究其原因,人们对微观条件下M EM S器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为缺乏充分的认识,没有形成基于一定理论基础之上的M EM S设计理论方法[4],只能靠传统方法进行试探性研究。目前,M EM S基础理论研究远远不能满足人们的需要,成为整个微电子机械系统进一步发展的 瓶颈 ,因此,对M EM S设计中的基础理论进行系统性研究已刻不容缓。 1 研究尺寸效应的意义 随着纳米材料、微器件、微结构和微系统的深入发展及其应用,与微尺度效应有关的理论和技术成为当前的研究热点,推动着微尺度理论的形成和发展[5]。微电子机械系统不仅是指以微小尺寸和工作空间为特征,更重要的是,微器件中的物理量和机械量等在微观状态下呈现出大大异于传统机械的特有规律,因此,M EM S具有自身独特的理论基础。对于M EM S 的基础理论范畴,大量的专著和论文报道均有详尽的描述,其中有把M EM S涉及到的各学科作为基础理论研究范畴,这种观点使得M EM S基础理论研究内容全面,但没有突出其重点;有的研究人员挑选出应用更为广泛的部分学科,如文献[4]把微机构学、微构件材料力学和微摩擦学作为现阶段M EM S基础研究的主要内容,这种观点重点突出,没有包括应有的其它学科的理论基础。无论如何划分,M EM S理论基础的研究领域都包含有一个共同的特征 微 ,这说明尺度因素才是微电子机械系统设计中最为重要的主导因素。以尺寸效应作为M EM S 理论基础的主要研究内容,既可以突出研究重点 构件的微型化,又给出了M EM S所涉及各学科之间的联系,即微型化的构件产生的效应使其具有自身独特的性能,导致在各学科领域产生新的问题。 在微观领域中,微器件的显著特征就是呈现出尺寸效应和表面效应,而表面效应也是由于尺寸的减小引起表面作用的增强。当物体的尺寸改变时,与尺寸相关的各种物理量、机械量发生相应的变化,从而产生尺寸效应。尺寸效应及其引起的变化(如表面缺陷数、晶格层错、介质不连续及量子效应等)导致了微观领域的许多物理现象与宏观领域相比较有显著差异,甚至相悖,从而出现新的研究领域,对经典理论提出挑战。因此,研究M EM S的基础理论,必须研究尺寸效应。已有关于尺寸效应的研究仅仅局限于某一个具体量,如弹性模量、拉伸强度、失效强度及形状记忆合金的回复力[6]等,而且数据是在不同的工艺条件和测试环境下获得的,缺乏通用性和权威性。在此对具有普遍性意义的尺寸效应,建立了基本的数学模型,对纯尺寸因素进行了泛函分析,并综合考虑尺寸效应引发的非尺寸因素变化。 2 尺寸效应的基本数学模型 2.1 尺寸泛函 在尺寸效应中,特征尺寸L是基本参量,尺寸的变化首先 第21卷第2期2004年2月 机 械 设 计 JOU RNA L OF MA CHIN E DESIGN V ol.21 No.2 Feb. 2004 收稿日期:2003-04-07;修订日期:2003-08-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50135040) 作者简介:韩光平(1971-),男,河南郑州人,西安理工大学博士生,郑州航空工业管理学院讲师,主要研究方向:微电子机械系统(M EM S)微尺度及系统仿真。

(完整)量子尺寸效应

(完整)量子尺寸效应 编辑整理: 尊敬的读者朋友们: 这里是精品文档编辑中心,本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的,发布之前我们对文中内容进行仔细校对,但是难免会有疏漏的地方,但是任然希望((完整)量子尺寸效应)的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈,这将是我们进步的源泉,前进的动力。 本文可编辑可修改,如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅,最后祝您生活愉快业绩进步,以下为(完整)量子尺寸效应的全部内容。

1.1.1量子尺寸效应 所谓的量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散的现象,纳米半导体粒子存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未 被占据的分子轨道能级,能隙变宽,由此导致纳米微粒的光、电、磁、热、催化和超导性等 特性与宏观性存在着显著的差异。如金属纳米材料的电阻随着尺寸下降而增大,电阻温度 系数下降甚至变成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10~ 25nm的铁磁金属微粒矫顽力比同种宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫顽力 变为零,表现为超顺磁性。 1。1。2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及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,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面 层附近原子密度减小,导致声、光、电、滋、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应.例如: 光吸收显著增加,吸收峰的等离子共振频移,磁有序态向磁无序态转变,超导相向正常相 的转变,声子谱发生改变等,这种现象称为小尺寸效应。 1。1.3表面与界面效应 纳米材料的另一个重要特性是表面与界面效应.由于表面原子与内部原子所处的环境 不同,当粒子直径比原子直径大时(如大于0。01时),表面原子可以忽略,但当粒子直径 逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不能忽略,而且这时粒子的比表面积、表 面能和表面结合能都发生很大变化.人们把由此引起的种种特殊效应统称表面效应[8,9]。 随着粒径的减小,比表面迅速增大.当粒径为5nm时,表面原子数比例达到约50%以上,当 粒径为2nm时,表面原子数达到80%,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面.庞大的表面原 子的存在导致键态严重失配,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学键,产生许多活性中心,从而导致纳米微粒的化学活性大大增强,主要表现在:(1)熔点降低.就熔点来说,纳 米颗粒中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅 较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时 纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。如金的常规熔 点是1064℃当颗粒尺寸减小到10nm时,降低了270℃,当金纳米粒子尺寸为2 nm时,熔点 仅为327℃;银的常规熔点为961℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃等。(2)比热增大。粒径越小,比热越大.(3)化学活性增加,有利于催化反应等。 1.1。4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,如超微 粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应,利 用它可以解释纳米镍粒子在低温下继续保持超顺磁性的现象。宏观量子隧道效应的研究对 基础研究及实用都具有重要的意义,它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,是未来 微电子器件的基础. 上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与 纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质,出现一 些“反常现象”。例如金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大,电阻温度系数下降甚至变 成负值;相反,原是绝缘体的氧化物达到纳米级时,电阻反而下降;10nm-25nm的铁磁金属

(完整版)纳米材料四大效应及相关解释

纳米材料四大效应及相关解释 四大效应基本释义及内容: 量子尺寸效应:是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 小尺寸效应:当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及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,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。 表面效应:球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小,比表面积将会显著地增加,颗粒表面原子数相对增多,从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定,致使颗粒表现出不一样的特性,这就是表面效应。 宏观量子隧道效应:当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。 四大效应相关解释及应用: 表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径下降到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级,不仅引起表面原子数的迅速增加,而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱

纳米材料的基本效应及应用

纳米材料的特异效应及应用 摘要:介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应,这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用,叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用,并说明了它还将有更广阔的应用前景。 关键词:纳米材料;基本效应;应用 Nanostructured material’s special effects and its applications Abstract:The particular small size effect,surface effect,quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects,nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ,optics ,electronics ,and sensitivity,ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ,sensitivity ,magnetics,food ,cosmetics and biomedicine,and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated. Key words:nanometer materials ;basic effect ;application 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料,同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议,使纳米材料成为世界性的热点之一;1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议,标志着纳米科技的正式诞生;1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。 纳米材料是指由纳米粒子构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm,在通常情况下,应不超过l0nm。即这种材料是指其基本颗粒在l~100nm 范围内的材料。纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域,是一种典型的介观系统,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质

量子尺寸效应

量子尺寸效应 1简介编辑 英文名称:The quantum size effect 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 2公式 当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。早在20世纪60年代,久保(Kubo)采用一电子模型求得金属纳米晶粒的能级间距δ为:δ=4Ef/3N 式中:Ef为费米势能,N为粒子中的总电子数。该式指出能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比。能带理论表明,金属

费米能级附近电子能级一般是连续的,这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说,低温下能级是离散的,对于宏观物质包含无限个原子(即导电电子数N→∞),由上式可得能级间距δ→0,即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零;而对纳米粒子,所包含原子数有限,N值很小,这就导致δ有一定的值,即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时,必须考虑量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。同时处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质,如高的光学非线性,特异的催化和光催化性、强氧化性和还原性等。 根据金属能带单电子近似理论,对于三维情况,若将电子看成是完全自由的,则能带密度N(E)正比于体积V。一般情况下由于体积V 很大,能带密度N(E)很高,故可以认为能级是准连续的。但是,对于纳米粒子,粒径很小,所以能带密度小,能级不能看成是准连续。同时,能带理论的出发点是共有化电子,即该电子为导带电子,所以说是费米能级附近的电子能级发生分裂。

纳米材料的表面效应

纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1nm--100nm)调制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团蔟(几十个原子的聚集体)和纳米微粒;一维调制的纳米多层膜;二维调制的纳米微粒膜(涂层);以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体,也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构,是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此,一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构,使之产生四大效应,即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应),从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能,表现出独特的光、电、磁和化学特性。 (1)表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸

附气体等等。 (2)小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能,此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 (3)量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,会出现纳米材料的量子效应,从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如,有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强,在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子,水就会变得完全不透明。 (4)宏观量子隧道效应

纳米材料的定义

纳米材料的定义 指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米技术 1)至少有一维处于0.1~100nm; (2)因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。 .5 自然界的纳米技术 ★人体和兽类的牙齿 ★海洋中的生命粒子 ★蜜蜂的“罗盘”-腹部的磁性纳米粒子 ★螃蟹的横行-磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 ★海龟在大西洋的巡航-头部磁性粒子的导航 ★荷花出污泥而不染等 二、纳米材料性能 纳米材料的微粒特性 纳米微粒具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加, 小尺寸效应,表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子,这就使得它具有广阔应用前景。 2、量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低末被占据的分子轨道能级,这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 3、小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长、德布罗意波长以及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将会被破坏;非晶态纳米粒子表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。 4、表面界面效应 纳米颗粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。随尺寸减小,表面原子数迅速增加:表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合,例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。 5、宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称隧道效应。 §2.2.1 热学性能 纳米材料是指晶粒尺寸在纳米数量级的多晶体材料,具有很高比例的内界面(包括晶界、相界、畴界等)。 由于界面原子的振动焓、熵和组态焓、熵明显不同于点阵原子,使纳米材料表现出一系列与普通多晶体材料明显不同的热学特性,如比热容升高、热膨胀系数增大、熔点降低等。 纳米材料的这些热学性质与其晶粒尺寸直接相关。 熔点下降的原因: 由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大(为原子运动提供动力),纳米粒子熔化时所需增加的内能小,这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

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