纳米微粒的基本性质
合集下载
纳米微粒的物理特性
（2）原因
颗粒小; 表面能高、比表面原子数多; 表面原子近邻配位不全，活性大; 体积远小于大块材料; 纳米粒子熔化时所需增加的内能小得 多，纳米微粒熔点急剧下降。
2、开始烧结温度降低
（1）烧结温度：所谓烧结温度是指在低于熔点的温度 下使粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加 热温度。 （2）原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材 后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子 运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的 湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的 目的，即烧结温度降低。
2．蓝移现象 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。 例： 纳米SiC颗粒：峰值红外吸收频率是814cm-1 大块SiC固体：峰值红外吸收频率是794cm-l。 纳米氮化硅颗粒：峰值红外吸收频率是 949cm-l 大块Si3N4固体：峰值红外吸收频率是935cm-l
激子：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在 价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚 态，称为激子。 分类：通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦 克尔（Frenkel）激子。 万尼尔激子：电子和空穴分布在较大的空间范围，库 仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的 库仑静电势，这种激子主要是在半导体中； 弗伦克尔激子：电子和空穴束缚在体元胞范围内，库 仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。
隐身：就是把自己隐蔽起来，让别人看不见、测不到。 隐型飞机就是让雷达探测不到，它是在机身表面涂 上红外与微波吸收纳米材料来实现的，因为雷达是通 过发射电磁波再接收由飞机反射回来的电磁波来探测 飞机的。 例：1991年海湾战争中，美国F117A型飞机的隐身 材料就是含有多种纳米粒子对不同的电磁波有强烈的 吸收能力。在42天战斗中，执行任务的的飞机1270架 次，摧毁了伊拉克95%的军事设施而美国战机无一受 损。 科索沃战争中B2隐形轰炸机轰炸我南联盟大使馆
纳米颗粒的物理特性介绍
10
磁学性能
矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 出现高的矫顽力Hc。对于纳米微粒具有高矫 顽力的起源有两种解释： （1）一致转动模式（2）球链反转磁化模式
一致转动磁化模式基本内容是：当粒
子尺寸小到某一尺寸时．每个粒子就是一个单 磁畴，例如Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别 为12nm和40nm。
16
光学性能
宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽，表明它们对可 见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同， 而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都 呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳 米粒子的反射率为l%，金纳米粒子的反射率小于10 ％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变 黑。
22
光学性能
决定了材料的吸收系数，粒径越小， |U(0)|2越大， f微晶 /V也越大，则激子带的吸 收系数随粒径下降而增加，即出现激子增 强吸收并蓝移，这就称作量子限域效应。 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。
23
光学性能
纳米微粒的发光
当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波 长的光激发下发光。但对于发光原因的解释不尽统 一，且依据不同物质有所不同。如： • 硅纳米微粒发光，Tabagi 认为是载流子的量子限 域效应引起的；Brus则认为是硅粒径小到某一程度 时，结构的平移对称性消失，导致发光。 • 掺Cd SexS1-x纳米微粒玻璃在530nm波长光的激发 下会发射荧光，是因为半导体具有窄的直接跃迁的 带隙，在光激发下电子容易跃迁引起发光。
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说 法，归纳起来有两个方面：
一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙 变宽,这就导致光吸收带移向短波方向。Ball等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用。
磁学性能
矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 出现高的矫顽力Hc。对于纳米微粒具有高矫 顽力的起源有两种解释： （1）一致转动模式（2）球链反转磁化模式
一致转动磁化模式基本内容是：当粒
子尺寸小到某一尺寸时．每个粒子就是一个单 磁畴，例如Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别 为12nm和40nm。
16
光学性能
宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽，表明它们对可 见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同， 而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都 呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳 米粒子的反射率为l%，金纳米粒子的反射率小于10 ％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变 黑。
22
光学性能
决定了材料的吸收系数，粒径越小， |U(0)|2越大， f微晶 /V也越大，则激子带的吸 收系数随粒径下降而增加，即出现激子增 强吸收并蓝移，这就称作量子限域效应。 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。
23
光学性能
纳米微粒的发光
当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波 长的光激发下发光。但对于发光原因的解释不尽统 一，且依据不同物质有所不同。如： • 硅纳米微粒发光，Tabagi 认为是载流子的量子限 域效应引起的；Brus则认为是硅粒径小到某一程度 时，结构的平移对称性消失，导致发光。 • 掺Cd SexS1-x纳米微粒玻璃在530nm波长光的激发 下会发射荧光，是因为半导体具有窄的直接跃迁的 带隙，在光激发下电子容易跃迁引起发光。
对纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有几种说 法，归纳起来有两个方面：
一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙 变宽,这就导致光吸收带移向短波方向。Ball等 对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电 子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级 之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这 是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和 绝缘体都适用。
纳米材料的基本概念与性质
虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及 超导电性与宏观特性有着显著的不同。
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
对介于原子、分子与大块固体之间的纳米晶体，大块材料 中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒 尺寸减小而增大。
如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体；当温度为1K， Ag纳米粒子直径小于14nm，Ag纳米粒子变为绝缘体。
合成了一维氮化硅纳米 线体。
氮化硅纳米丝
31
1.2 纳米微粒的基本性质
1.电子能级的不连续性 - kubo理论 2. 量子尺寸效应 3. 小尺寸效应 4. 表面效应 5. 宏观量子隧道效应
1.2.1电子能级的不连续性 - kubo理论
久保(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理 论．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他 研究者进一步发展了这个理论．1986年Halperin对这一 理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子 的量子尺寸效应进行了深入分析。
碳纳米管的发现
❖ 饭岛澄男(Iilijima Sumio)分别在1991 和1993年发表论文
❖ “Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56 - 58 (07 November 1991) ”
❖ “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature 363, 603 - 605 (17 June 1993) ”。
制备C60常用的方法：
采用两个石墨碳棒在惰性气体（He，Ar）中进行直流 电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥 发物中除了有C60外，还含有C70，C20等其它碳团簇。可 以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C70。
纳米材料与技术-纳米微粒的基本特性
第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态：物质的第?态！区别于固、液、气态，也区别于“等离子体态”（物质第四态）、地球内部的超高温、超高压态（物质第五态），与“超导态”、“超流态”也不同。
纳米态的物质一般是球形的。
物质在球形的时候，在等体积的条件下，它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高，有着很好的强关联性。
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2nm）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。
纳米微粒一般为球形或类球形，可能还具有其他各种形状（与制备方法有关）。
纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同，内部的原子排列比较整齐，但有时也会出现很大的差别：高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。
二、纳米微粒的基本特性1. 纳米微粒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。
➢大块Pb的熔点为600K，而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。
➢ Ag的熔点：常规粗晶粒为960︒C；纳米Ag粉为100︒C ➢ Cu的熔点：粗晶粒为1053︒C；粒度40nm时为750︒C纳米微粒的熔点降低：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全、活性大，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多，使纳米微粒的熔点急剧下降。
✍应用：降低烧结温度。
纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
化学中的纳米颗粒研究
化学中的纳米颗粒研究纳米颗粒是近年来化学领域的一个研究热点。
随着人们对纳米材料的认识不断深入，纳米颗粒的应用也越来越广泛。
在本文中，我们将重点探讨纳米颗粒在化学中的研究进展。
一、纳米颗粒的基本性质首先，让我们来了解一下纳米颗粒的基本性质。
纳米颗粒是一种尺寸在1-100纳米之间的微粒，实际上这个尺寸范围只是参考值，国际标准组织将纳米定义为尺寸在1-1000纳米之间的物质。
纳米颗粒的异于传统颗粒的关键在于其尺寸。
由于纳米颗粒的尺寸很小，因此其表面积相对于体积来说非常大，其它的物理和化学性质也是因为这个原因产生了非常大的变化。
纳米颗粒的表面活性增强，与其它物质之间的相互作用更加复杂，具有一定的量子效应和容积效应。
二、纳米颗粒的制备方法纳米颗粒的制备方法非常多样化。
下面就介绍几种常用的制备方法。
1. 气相合成法：气相合成法又称为气相沉积法，是一种通过对金属、无机化合物、有机化合物等材料的热解生成气体和颗粒两种物质，再通过一定的装置将颗粒沉积在基体表面上的方法。
2. 溶剂热法：溶剂热法是通过在无水有机溶剂中混合金属盐，产生物化反应制备纳米颗粒，它的优点在于方法简单、操作方便，可以得到单分散的纳米颗粒。
3. 电化学合成法：电化学合成法是通过向溶液中加入离子并施加电压，促使阳极和阴极上的离子产生氧化还原反应，从而沉积纳米颗粒在目标材料或电极上的方法。
这种方法制备的纳米颗粒得到了广泛的应用。
三、纳米颗粒的应用目前，纳米颗粒在很多领域得到了广泛的应用。
下面简要介绍其主要应用领域：1. 生物医学领域：纳米颗粒的尺寸在细胞、DNA、蛋白质等生物体系的尺寸范围内，可以作为一种无毒、可靠的药物靶向载体，具有在癌症诊断和治疗方面的巨大潜力。
2. 新材料领域：纳米材料是新一代的先进材料。
纳米颗粒在材料界面处的大量存在，特定的物理化学性质使其在制备新材料过程中发挥重要作用。
3. 环境污染处理领域：纳米颗粒因其比表面积大、反应活性强等特性，在环境污染处理、水质净化、大气治理、土壤修复等领域也具有巨大的应用前景。
纳米微粒的物理特性
43
•TEOS + Cl3GeCH2CH2COOH → GeO2-SiO2 + H2 → Ge / SiO2 Temperature time Ge/Si Ge nanoparticles with various sizes
44
45
46
PL results from Ge clusters J. phys. Chem 2003, 107, 13319
例如：Pt纳米粒子的反射率为1%, Au纳米粒子的反射率小于10%。
23 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
b.红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽 频带强吸收谱。 这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数 下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不 同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在 一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下， 它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布， 这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。
如果蓝移的影响大于红移的影响，吸收
带蓝移。
反之红移。
33
随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致 吸收带的蓝移 但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加。 内应力 p = 2γ/r
r为粒子半径，γ为表面张力
34
这种内应力的增加，会导致能带结构的变 化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 带间距变窄， 这就导致电子由低能级向高能级，即半导 体电子由价带到导带跃迁，引起的光吸收 带和吸收边也发生红移。 纳米NiO 中出现的光吸收带的红移时由于 粒径减小是红移因素大于蓝移因素所至。
47
掺CdSexS1-x纳米微粒的波动在530nm波长光的激
•TEOS + Cl3GeCH2CH2COOH → GeO2-SiO2 + H2 → Ge / SiO2 Temperature time Ge/Si Ge nanoparticles with various sizes
44
45
46
PL results from Ge clusters J. phys. Chem 2003, 107, 13319
例如：Pt纳米粒子的反射率为1%, Au纳米粒子的反射率小于10%。
23 这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
b.红外吸收带的宽化
纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽 频带强吸收谱。 这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数 下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不 同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在 一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下， 它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布， 这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。
的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。
如果蓝移的影响大于红移的影响，吸收
带蓝移。
反之红移。
33
随着粒径的减小，量子尺寸效应会导致 吸收带的蓝移 但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加。 内应力 p = 2γ/r
r为粒子半径，γ为表面张力
34
这种内应力的增加，会导致能带结构的变 化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 带间距变窄， 这就导致电子由低能级向高能级，即半导 体电子由价带到导带跃迁，引起的光吸收 带和吸收边也发生红移。 纳米NiO 中出现的光吸收带的红移时由于 粒径减小是红移因素大于蓝移因素所至。
47
掺CdSexS1-x纳米微粒的波动在530nm波长光的激
第二章-纳米微粒的物理化学性质-2012
1990年，日本佳能研究中心的Tabagi发现，粒径小 于6nm的硅在室温下可以发射可见光．
(4)纳米微粒的发光
图示为室温下，紫外光激发引起的纳米硅的发光谱．可以看 出，随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向．当粒径 大于6nm时，这种光发射现象消失．
(4)纳米微粒的发光
Tabagi认为，硅纳米微粒 的发光是载流子的量子限 域效应引起的．
(5)纳米微粒分散物系的光学性质
(i)散射光强度(即乳光强度)与粒子的体积平方成正比．对低分子 真溶液分子体积很小，虽有乳光，但很微弱．悬浮体的粒子大 于可见光，故没有乳光，只有反射光，只有纳米胶体粒子形成 的溶胶才能产生丁达尔效应． (ii)乳光强度与入射光的波长的四次方成反比，故人射光的波长愈 短，散射愈强．例如照射在溶胶上的是白光，则其中蓝光与紫 光的散射较强．故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色， 而透射光呈现橙红色．
(iii)散相与分散介质的折射率相差愈大，粒子的散射光愈强．所以 对分散相和介质问没有亲和力或只有很弱亲和力的溶胶 (憎液 溶胶)，由于分散相与分散介质间有明显界限，两者折射率相差 很大，乳光很强，丁达尔效应很明显．
(iV)乳光强度与单位体积内胶体粒子数N成正比。
2.2.3
纳米微粒的电学性能
1.纳米晶金属的电导
4
下图为金的熔点与金纳米粒子的尺度关系图。随金粒 子尺寸的减小，熔点降低。金的常规熔点为1064℃， 当颗粒尺寸减小到2nm时，熔点仅为500℃左右。
纳米材料基础与应用
5
表2-2
物质种类
几种材料在不同尺度大小下的熔点
颗粒尺寸：直径(nm)或 总原子数(个) 熔 点(K)
金(Au)
锡(Sn) 铅(Pb) 硫化镉 (CdS)
纳米材料学(二)——纳米微粒的特性
表面效应
表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随 粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒 子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。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，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳 定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这 种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
蓝移和红移现象：与大块材料相比，纳 米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波长方向。对纳米微粒 吸收带“蓝移”的一种解释是基于纳米 微粒的量子尺寸效应。由于颗粒的尺寸 减小、能隙变宽，即已被电子占据分子 轨道能级与未被占据分子轨道能级之间 的宽度（能隙）随颗粒直径减小而增大， 这是产生蓝移的根本原因。
纳米微粒的化学特性
吸附 分散与团聚 催化作用
吸附
吸附是相接触的不同相之间产生的结合 现象。 吸附可分为两类，物理吸附和化学吸附。 物理吸附是吸附剂与吸附相之间以范德 华力之类较弱的物理力相结合； 化学吸附是吸附剂与吸附相之间以化学 键强结合。
纳米微粒由于有大的比表面和表面原子配位不 足，与相同材质的大块材料相比，有较强的吸 附性。 纳米粒子的吸附性与被子吸附物质的性质、溶 剂的性质以及溶液的性质有关。 电解质和非电解质溶液以及溶液的pH值等都对 纳米微粒的吸附产生强烈的影响。 不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大差别。
加入反絮凝剂形成双电层； 加入表面活性剂包裹微粒。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1． 2
纳米微粒的基本性质
一、 电子能级的不连续性 二、 量子尺寸效应 三、 小尺寸效应（体积效应） 四、 表面效应 五、 宏观量子隧道效应 六、 库仑堵塞与量子遂穿 七、 介电限域效应
一、 电子能级的不连续性
Kubo理论
1 ．简介： Kubo 理论是关于金属粒子电子性质 的理论。 提出：该理论最初 (1962 年 ) 由 Kubo 及其合 作者提出，后经他们发展。 发展：1986年，Halperin对这一理论又进行 了比较全面的归纳，并对金属超微颗粒的量子 尺寸效应进行了深入的分析。
波数K只能取分立值→动量空间中，电子的状态 只能取一系列分立的点→ N个电子将按能量 的大小依次从K小的状态向K大的状态逐一填 充（如此分布的状态，其整体能量最低，称为 体系的基态。） → N个电子填完后最大动量 是PF，其对应的最大波数为KF； 费米动量： N个电子填完后最大动量PF； 费米能EF：根据PF可以求出电子的最大能量 对二维体系和三维体系作类似的处理也可以得 到类似的结果。
（2）纳米材料 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说能 级是离散的（低温下） 纳米微粒，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。 （3）产生量子尺寸效应的条件 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，这时必须 要考虑量子尺寸效应。
（4）产生影响： 会导致纳米微粒磁、光、热、电以及超导电 性与宏观特性有着显著的不同。 量子尺寸效应产生的最直接影响：纳米材料吸 收光谱的边界蓝移 原因：在半导体纳米晶粒中，光照产生的电 子与空穴不再自由，而是存在库仑作用，此电 子—空穴对类似于宏观材料中的激子。由于空 间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带以及 导带中更高激发态均相应蓝移。
kBT<<W≈e2/d (1.3) 式中， W 为从一个超微颗粒取走或移入一个 电子克服库仑力所做的功； d为超微颗粒的直 径；e为电子电荷。 由式(1.3)可以看出，随着d值下降，W增加。 所以低温下热涨落很难改变超微颗粒的电中性。 有人曾作出估计，在足够低的温度下，当颗粒 尺寸为lnm时，W比δ小两个数量级，由式 (1.3)可知kBT<<δ ,可见lnm的小颗粒在低 温下量子尺寸效应很明显。
Kubo指出，间隔为△的二能态几率Pn(△)与哈 密顿量的变换性质有关。在自旋与轨道交互作 用较弱和外加磁场小的情况下，电子哈密顿量 具有时空反演的不变性。进一步地，在△比较 小的情况下，Pn(△)随△减小而减小。 显然，Kubo的模型优于等能级间隔模型，它 可以较好地解释低温下超微颗粒的物理性能。 (2)超微颗粒电中性假设 Kubo认为，对于一个超微颗粒，取走或移入 一个电子都是十分困难的。他提出了一个看到电子 体系的基态填满了动量空间中的一个有限区域 [三维是球，二维是圆，一维是线段]，这个填 满电子的区域都被称为费米球 费米面：这个填满电子的区域的边界都称为费 米面，实际上是k空间占有电子与不占有电子 区域的分界面。 实际费米面的形状：三维的费米面是球面，二 维的费米面是圆周，一维的费米面只是两点， 不同维度电子体系的费米面的这种差别特别重 要，这与一维体系具有派尔斯相变直接有关。
(2)内容：对于金属超微颗粒，费米面附近电子 能级状态分布与块体材料截然不同。 (3)原因：由于颗粒尺寸进入到纳米级时，量 子效应导致原块体金属的准连续能级产生离散 现象。 处理方式：有人将低温下单个小粒子的费米 面附近电子能级看成等间隔的能级，由此计算 出单个超微颗粒的比热容
2．等能级间隔模型（传统模型）
内容： (1)对象：金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分 布。与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分 布的传统理论不同。 一条普遍的物理规律是：具有一维结构的材料，即使 每个原子都有导电的价电子，也不能导电[更准确的 是低温下不能导电]。 例：聚乙炔中的π电子可以在相邻碳原子之间跃迁，因 此π电子可以导电。但纯净的聚乙炔中虽然与碱金属 相似，有一个导电电子，却是绝缘体，电导率很小。 只有掺入受主杂质[缺电子体]或施主杂质[给电子体]， 聚乙炔的电导率才会有大幅度的提高。
c(T)=kBexp(-δ/kBT) (1.1) 式中，δ 为能级间隔；kB为玻尔兹曼常数；T为 绝对温度。 在高温下： kBT>>δ ，c∝T，此时超微颗粒与 块体金属的比热容关系基本一致。 在低温下： (T→0)，kBT<<δ ，c(T) 呈指数关 系。 事实上：根本无法用实验验证(1.1)式，这是 因为我们无法对单个超微颗粒进行实验。 Kubo模型的两点假设：对小颗粒的大集合体 的电子能态。
二、
量子尺寸效应
1、定义： 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；以及纳米 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。 2、量子尺寸效应发生的原因 （1）能带理论： 金属费米能级附近电子能级一般是连续的（高温或 宏观尺寸），宏观物体包含无限个原子 (即导电电子 数 N→∞)，能级间距 δ→0，即对大粒子或宏观物体 能级间距几乎为零；
设一维体系的长度为L，其中有N个可以自由运 动的电子，当电子运动时，设其动量为P，波 数K与P之间的关系：用K=P/h表示 电子波函数：也可以转化为用波数表达的形式。 当电子在长度为L的直链中运动时：其波函数要 满足周期性的边界条件，即要求在链的两端波 函数要相等。根据这一条件得到波数K只能取 分立值。 K空间：固体物理中常用K作为坐标轴来表示电 子的运动状态，以K为坐标轴的空间称为K空 间，也可称为动量空间，对于一维空间，动量 空间也是一维的。
3．Kubo模型
（1）简并费米液体假设 Kubo认为，超微颗粒靠近费米面附近的电子状态是受 尺寸限制的简并电子气，他们的能级为准粒子态的 不连续能级，准粒子之间交互作用可以忽略不计。 当相邻二能级间平均能级间隔kBT<<δ 时，这种体系 费米面附近的电子能级分布服从Poisson分布，即
式中△为二能态之间间隔；Pn(△)为对应△的几率 密度；n为这二能态间的能级数。若△为相邻能级间 隔，则n=0。
纳米微粒的基本性质
一、 电子能级的不连续性 二、 量子尺寸效应 三、 小尺寸效应（体积效应） 四、 表面效应 五、 宏观量子隧道效应 六、 库仑堵塞与量子遂穿 七、 介电限域效应
一、 电子能级的不连续性
Kubo理论
1 ．简介： Kubo 理论是关于金属粒子电子性质 的理论。 提出：该理论最初 (1962 年 ) 由 Kubo 及其合 作者提出，后经他们发展。 发展：1986年，Halperin对这一理论又进行 了比较全面的归纳，并对金属超微颗粒的量子 尺寸效应进行了深入的分析。
波数K只能取分立值→动量空间中，电子的状态 只能取一系列分立的点→ N个电子将按能量 的大小依次从K小的状态向K大的状态逐一填 充（如此分布的状态，其整体能量最低，称为 体系的基态。） → N个电子填完后最大动量 是PF，其对应的最大波数为KF； 费米动量： N个电子填完后最大动量PF； 费米能EF：根据PF可以求出电子的最大能量 对二维体系和三维体系作类似的处理也可以得 到类似的结果。
（2）纳米材料 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说能 级是离散的（低温下） 纳米微粒，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。 （3）产生量子尺寸效应的条件 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，这时必须 要考虑量子尺寸效应。
（4）产生影响： 会导致纳米微粒磁、光、热、电以及超导电 性与宏观特性有着显著的不同。 量子尺寸效应产生的最直接影响：纳米材料吸 收光谱的边界蓝移 原因：在半导体纳米晶粒中，光照产生的电 子与空穴不再自由，而是存在库仑作用，此电 子—空穴对类似于宏观材料中的激子。由于空 间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带以及 导带中更高激发态均相应蓝移。
kBT<<W≈e2/d (1.3) 式中， W 为从一个超微颗粒取走或移入一个 电子克服库仑力所做的功； d为超微颗粒的直 径；e为电子电荷。 由式(1.3)可以看出，随着d值下降，W增加。 所以低温下热涨落很难改变超微颗粒的电中性。 有人曾作出估计，在足够低的温度下，当颗粒 尺寸为lnm时，W比δ小两个数量级，由式 (1.3)可知kBT<<δ ,可见lnm的小颗粒在低 温下量子尺寸效应很明显。
Kubo指出，间隔为△的二能态几率Pn(△)与哈 密顿量的变换性质有关。在自旋与轨道交互作 用较弱和外加磁场小的情况下，电子哈密顿量 具有时空反演的不变性。进一步地，在△比较 小的情况下，Pn(△)随△减小而减小。 显然，Kubo的模型优于等能级间隔模型，它 可以较好地解释低温下超微颗粒的物理性能。 (2)超微颗粒电中性假设 Kubo认为，对于一个超微颗粒，取走或移入 一个电子都是十分困难的。他提出了一个看到电子 体系的基态填满了动量空间中的一个有限区域 [三维是球，二维是圆，一维是线段]，这个填 满电子的区域都被称为费米球 费米面：这个填满电子的区域的边界都称为费 米面，实际上是k空间占有电子与不占有电子 区域的分界面。 实际费米面的形状：三维的费米面是球面，二 维的费米面是圆周，一维的费米面只是两点， 不同维度电子体系的费米面的这种差别特别重 要，这与一维体系具有派尔斯相变直接有关。
(2)内容：对于金属超微颗粒，费米面附近电子 能级状态分布与块体材料截然不同。 (3)原因：由于颗粒尺寸进入到纳米级时，量 子效应导致原块体金属的准连续能级产生离散 现象。 处理方式：有人将低温下单个小粒子的费米 面附近电子能级看成等间隔的能级，由此计算 出单个超微颗粒的比热容
2．等能级间隔模型（传统模型）
内容： (1)对象：金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分 布。与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分 布的传统理论不同。 一条普遍的物理规律是：具有一维结构的材料，即使 每个原子都有导电的价电子，也不能导电[更准确的 是低温下不能导电]。 例：聚乙炔中的π电子可以在相邻碳原子之间跃迁，因 此π电子可以导电。但纯净的聚乙炔中虽然与碱金属 相似，有一个导电电子，却是绝缘体，电导率很小。 只有掺入受主杂质[缺电子体]或施主杂质[给电子体]， 聚乙炔的电导率才会有大幅度的提高。
c(T)=kBexp(-δ/kBT) (1.1) 式中，δ 为能级间隔；kB为玻尔兹曼常数；T为 绝对温度。 在高温下： kBT>>δ ，c∝T，此时超微颗粒与 块体金属的比热容关系基本一致。 在低温下： (T→0)，kBT<<δ ，c(T) 呈指数关 系。 事实上：根本无法用实验验证(1.1)式，这是 因为我们无法对单个超微颗粒进行实验。 Kubo模型的两点假设：对小颗粒的大集合体 的电子能态。
二、
量子尺寸效应
1、定义： 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；以及纳米 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。 2、量子尺寸效应发生的原因 （1）能带理论： 金属费米能级附近电子能级一般是连续的（高温或 宏观尺寸），宏观物体包含无限个原子 (即导电电子 数 N→∞)，能级间距 δ→0，即对大粒子或宏观物体 能级间距几乎为零；
设一维体系的长度为L，其中有N个可以自由运 动的电子，当电子运动时，设其动量为P，波 数K与P之间的关系：用K=P/h表示 电子波函数：也可以转化为用波数表达的形式。 当电子在长度为L的直链中运动时：其波函数要 满足周期性的边界条件，即要求在链的两端波 函数要相等。根据这一条件得到波数K只能取 分立值。 K空间：固体物理中常用K作为坐标轴来表示电 子的运动状态，以K为坐标轴的空间称为K空 间，也可称为动量空间，对于一维空间，动量 空间也是一维的。
3．Kubo模型
（1）简并费米液体假设 Kubo认为，超微颗粒靠近费米面附近的电子状态是受 尺寸限制的简并电子气，他们的能级为准粒子态的 不连续能级，准粒子之间交互作用可以忽略不计。 当相邻二能级间平均能级间隔kBT<<δ 时，这种体系 费米面附近的电子能级分布服从Poisson分布，即
式中△为二能态之间间隔；Pn(△)为对应△的几率 密度；n为这二能态间的能级数。若△为相邻能级间 隔，则n=0。