纳米电子学基础

精品资料你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”纳米碳管PPT课件5PPT课件6****7PPT课件CdSe量子点PPT课件8PPT课件9尺度

当体系中电子之物质波(de

Broglie

Wave)波长

接近体系的尺寸大小时，体系界面为一能障，而使得电子形成驻波，其能量亦呈量子化。设体系的温度为T，在热平衡情況下，电子的动能（E）等于热能（kBT）因此在室温下此波长约为7.3nm，由于一般固体中的电子有效质量小于自由电子的质量，实际波长会比此值为大。10温度越低要让体系量子化的PPT尺课件寸越大。设尺一体度系的三维尺度为Lx,Ly与Lz，11PPT课件本征能量:不断减低维度所呈现的最明显的量子效应是能级量子化，从连续谱逐步变成离散谱。PPT课件12密度

能态密度(density

of

states,DOS)是指在单位体积单位能量宽度中的能态數目，一般以n(E)表示。由于Pauli不相容原则，每一波向量k最多只能容纳二不同自旋方向电子，定义n(E)如下：PPT课件133D2D1D

0D3D、2D、1D和0D电子气的态密度对能量依赖的示意图不断减低维度所呈现的最明显的量子效应是能级量子化，从连续谱逐步变成离散谱。PPT课件

14纳米体系的基本物理效应PPT课件15(1).小尺寸效应：尺寸与光波波长、德布罗意波长以及相干长度等相当或更小时，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。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。特殊的热学性质PPT课件16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1064℃，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℃。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。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。特殊的磁学性质PPT课件17

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2×10-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。学性质PPT课件18•陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。

超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。d(nm)N表面(%)1030,0002044,0004022508013099PPT课件19(2).表面效应：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。PPT课件20(3).量子尺寸效应：PPT课件21(4).库仑阻塞与库仑台阶效应：VI库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一．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，体系越小，C越小，能量越大。这个能量称为库仑堵塞能。PPT课件22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。PPT课件23当电极电压低于阈值时,电子传输过程不能发生,当电压大于该值时,充电过程可以发生.PPT课件24库仑阻塞的震荡特征,可应用于开关电路nmPPT课件25(4).量子隧道效应：一维单矩形势垒:设如图的对称矩形势垒,一维纵向波函数满足:PPT课件26对于E<U0的入射波,经计算:可以看到,能量为E<U0的粒子穿越势垒的概率不为零一维对称双矩形势垒的隧道效应:可看作两个单势垒+一个单势阱:PPT课件27(5).量子干涉效应：以电子的双缝干涉为例来说明量子干涉性:设φ1、φ2分别为电子穿过狭缝1、2到达观察屏的量子态，根据量子态叠加原理，电子穿过两狭缝到达屏的量子态就为电子到达屏上一一点P的几率为:PPT课件28A-B效应电子波绕过一磁通所产生的相位差正好等于该路径内的磁通量PPT课件29电子的几率密度为:

圆柱面形状的介观样品的磁电阻是沿着圆柱轴线施加的外磁场的磁通量的周期函数,磁电阻随磁通量振荡的周期为:

Φ0/2(Φ0

=h/e为磁通量子),这就是著名的

AAS效应PPT课件30AAS效应隧穿效应是STM的基础Nature

409,

304(2001)PPT课件如果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，观察到的条件是（

e2/2C）＞kBT。有人已作了估计