纳米科技概论物理基础

纳米科学技术概论,主讲教师：杨辉、郭兴忠,纳米材料/体系的物理学基础,研究由电子、原子、分子构成特定物质结构与形态纳米材料/体系时的物质演化与运动规律。纳米材料/体系基本特性和物理特性的基础是量子物理、统计物理、介观物理。,一、纳米材料/体系的物质结构等基础概念二、纳米材料/体系的量子物理基础三、纳米材料/体系的介观物理四、纳米材料/体系的纳米效应,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（1）,1、元素周期表2、原子结构与大小3、物质相态与结构4、缺陷与界面/表面5、物质与能量,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（2）,1、元素周期表,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（3）,1、元素周期表根据之间相似的性质分类，按一定的规律把所有的元素排列得到。周期表中的列称为族；行称为周期。元素在元素周期表中的位置是其性质的反映。每一个族里的元素，其性质都在逐渐发生变化。元素所在的族与周围元素的特性可用来预测该元素的性质。纳米科技中特别关注的部分元素稀有元素构成的惰性气体，性质非常稳定，作为保护性气氛（制备）。与惰性气体相邻的卤族元素，是活泼的气体或者固体。第3族到第12族的过渡元素（包括铁、铜、银和金等元素），具有优良的导电性等，是纳米科技研究的重要元素区。第4A族的硅和碳，是半导体、导电纳米器件和纳米碳（管）材料的重要元素。,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（4）,2、原子结构与尺寸1）原子的结构简单描述：带正电荷实心原子核，被一层带负电荷电子云所包围电子云：电子云呈现波粒二象性，不是围绕原子核做固定的圆周运动的颗粒物质。结构特征：内部大部分是空的：作个形象比喻，原子核（质子/中子）是足球场中的足球，电子在足球场中运动。2）原子的尺寸原子的尺寸：就是核外的电子绕原子核运行所占据的物理空间。当原子失去电子变成离子后，其尺寸会有很大的变化。在不同的物质结构环境与化学键中，原子尺寸差异较大。,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（5）,2、原子结构与尺寸,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（6）,2、原子结构与尺寸2）原子的尺寸通过各种化学键（金属键、离子键和共价键三种强键类型），原子之间或离子之间形成稳定的物质结构。原子之间和离子之间的距离可以非常精确地测量；可以将这种距离作为原子或者离子半径（尺寸）的量度基准。原子半径的定义：相邻两个相同原子核间距离的一半，当相邻原子种类不同时，适当分割距离作为两钟不同原子的半径。几种不同的半径概念共价键半径：氯气分子氯原子、金刚石中碳原子等的半径离子键半径：食盐（氯化纳）分子中钠离子和氯离子的半径范德瓦尔斯半径：纳米科技中尤为重要,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（7）,3、物质相态与结构1）物质相态物质常见的三种相态（物质三态）：固态、液态和气态。这些相态中存在的分子就是由原子互相结合起来形成的聚集体。强健结合的类型：两原子间电子共用（共价键）：氧气分子（O2）两原子间电子转移（离子键）：食盐分子（NaCl）多原子间电子共用（金属键）：金、银、铜等弱键结合的类型：范德瓦尔斯力：1）伦敦力（色散力，原子中电荷在空间上的分布不均匀，造成了偶极矩作用，存在与所有原子和分子之间）；2）极化力（具有偶极作用的分子接近时，分子之间的正负电荷的相互作用力）；3）氢键（氢原子与其他分子中有多余未成键电子的原子所吸引，存在于水及其他含氢化合物中，如乙醇，DNA等）,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（8）,3、物质相态与结构1）物质相态,金属键示意图,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（9）,3、物质相态与结构2）物质结构A、钋晶体的原子排列B、固体食盐的结构原子有规则地排列，原子的排列位置可以简化/模型化为点阵结构，点阵结构与实际晶体结构中原子位置结构对应。,物质的理想结构=原子按点阵结构在三维空间上无限排列与延伸,晶格点阵,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（10）,固态物质晶体结构的7大晶系与14种布拉格子的示意图与特征表,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（11）,4、缺陷与界面/表面1）理想晶体结构：物质原子按14种点阵类型的晶体结构在三维空间的有序排布与无限延伸物质的“结构指纹”特征：用XRD可鉴别物相（物质晶相结构）2）实际的物质结构中：存在大量的缺陷！缺陷类型：点缺陷（格点空位空穴、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（表面与界面）、体缺陷（气孔、杂相等）缺陷作用：赋予材料各种功能，改变材料各种特性：硅单晶半导体；绝缘体半导体纳米材料的缺陷：原子排列与结合键的改变，表面缺陷等,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（12）,4、缺陷与界面/表面,材料点缺陷示意图,纳米材料的晶界示意图（白点为晶界区域的原子）,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（13）,5、物质与能量1）能量形式：非常多样，如热能、光能、化学能等等2）物质同时具有能量与质量特征：利用能量转换因子，可以将不同种类的能量表达为同一种形式：爱因斯坦方程E=mc2，c为光速。可利用上式计算分子形成过程中的聚集的能量：离子键的键能在4.210-20J，氢键键能在3.310-20J，色散力与极化力则为氢键键能的十分之一。3）电磁波的能量电磁波在太空中的传播速率是3108m.s-1，在原子尺度上，物质之间的相互作用呈现物质和波的两种特性（波粒二象性）。波长和质量的关系：德布罗意方程=h/m，其中h为普朗克常数，为质点运动速度。,一、纳米材料/体系的物质结构基础概念（14）,5、物质与能量,A、电磁波同物质作用时，所交换的能量不是连续的，而是一份一份地交换。B、比如，可见光波，紫外光波，射线，微波等与物质作用的场合。A、电子是一种具有波粒二象性的特殊能量形式，电子激发与回落时原子能量变化是非连续、量子化的，电子具有波长。,二、纳米材料/体系的量子物理基础（1）,1、从经典物理学到量子物理学2、波粒二象性与德布罗意波3、势阱中的粒子、势垒4、能带结构与理论,书中的推导不作考试内容，但是部分概念需要掌握。,二、纳米材料/体系的量子物理基础（2）,1、经典物理学到量子物理学经典物理学的成就与隐忧19世纪末，经典物理学取得了辉煌的成就：牛顿力学三定律：解释宏观物质的机械运动现象麦克斯韦方程式：解释电磁学现象（包括光的波动理论）热力学定律：解释热现象经典物理统计：经典物理学的隐忧：主要有三大问题：A、黑体辐射问题；B、光电效应；C、原子的线光谱和原子结构,二、纳米材料/体系的量子物理基础（3）,1、经典物理学到量子物理学A、黑体辐射问题；经典电动力学和统计力学理论的解释与实验结果严重不符合。普郎克提出黑体是一个带电谐振子，以不可分割的能量子h为单元进行发射和吸收，黑体辐射能量为其整数倍（h;2h;3h;nh）。第一次引入微观粒子具有分立能量值的概念，打开了认识微观世界的大门。B、光电效应；1988年赫兹发现光电效应。但后续的各种实验结果与经典物理光的波动理论存在不可调和的矛盾。爱因斯坦提出，光也有粒子性，称为光量子或光子。1921年获诺贝尔奖。C、原子的线光谱和原子结构经典理论无法解释原子由电子绕核运动及分立的原子线光谱问题玻尔采用量子化概念，提出三个假设，解决了氢原子的光谱；但仍有问题。,二、纳米材料/体系的量子物理基础（4）,2、波粒二象性与德布罗意波光的波粒二象性光的波动理论研究光的干涉、衍射现象，提出了光的波动学说。光的粒子理论研究黑体辐射和光电效应时，提出了光的粒子学说。光的本质是波-粒二象性的。德布罗意波（1924年）1924年，提出实物粒子具有波动性的假说，并给出关系式E=h；=h/m=h/P(频率与波长为实物粒子的波动性参量，能量E与动量P为实物粒子的粒子性参量)1927年，电子衍射实验证实上述假设。电子、质子、中子、分子等一切微观粒子都具有明显的波动性。,二、纳米材料/体系的量子物理基础（5）,3、势阱中的粒子、势垒（p.25）1）一维无限深势阱势阱的概念：粒子受到某种能量/作用的约束，在空间特定区域出现的概率大于其它区域，则此粒子受到某种限制而容易出现的特定区域称为势阱。常见的势阱：金属块体：其中的电子被约束；水库：约束对象是水一维势阱中粒子的势能曲线（下页）,二、纳米材料/体系的量子物理基础（6）,3、势阱中的粒子、势垒一维势阱中粒子的势能曲线,0，0xaU(x)=，x0或xa,势能分布：,二、纳米材料/体系的量子物理基础（7）,3、势阱中的粒子、势垒一维势阱中的势能,二、纳米材料/体系的量子物理基础（8）,3、势阱中的粒子、势垒一维势垒和隧道效应,势垒是与势阱相反的情况，势能分布函数U0，0xaU(x)=0，x0或xa,粒子运动方向,量子力学,二、纳米材料/体系的量子物理基础（9）,3、势阱中的粒子、势垒一维势垒和隧道效应,1）经典理论：粒子能量EU0时，粒子才能从区穿越区的势垒到达区；,隧道效应,2）量子力学：即使在EU0时，粒子也能从从区穿越区的势垒到达区；,扫描隧道显微镜（STM）原理,垂直距离改变1个原子距离时，流经针尖的隧道电流可变化上千倍！,水平方向,垂直方向,针尖,二、纳米材料/体系的量子物理基础（10）,4、能带结构与理论（p.32）,单个原子：只考虑能级结构多原子体系：能级分裂，一系列极端密集的能级构成了能带。,二、纳米材料/体系的量子物理基础（11）,二、纳米材料/体系的量子物理基础（12）,4、能带结构与理论,费米能级EF对了解材料的电子运动行为非常重要！,三、纳米材料/体系的介观物理（1）,1、介观系统概述2、介观物理概述3、介观物理研究成果概述,三、纳米材料/体系的介观物理（2）,1、介观系统概述：物质系统的尺度分类：微观系统：A、系统尺度在埃（0.1nm,10-10m）数量级；B、粒子数量有限；C、系统的物理性质取决于量子物理，微粒具有典型的波-粒二象性；D、生活中不可见。宏观系统：A、由大量微观粒子构成，空间尺度远大于德布罗意波长；B、微观离子的量子特性被统计平均的结果所掩盖，因此宏观系统的性质与其说是各个粒子的力学规律，不如说是系统大量微观粒子的统计平均行为；C、生活中随处可见。介观系统A、包含108-1011个微观粒子的系统，介于微观系统和宏观系统之间，与纳米系统有重叠部分；B、介观系统物理发展了近70年，可为纳米物理学提供借鉴。,三、纳米材料/体系的介观物理（3）,2、介观物理概述介观系统的“量子特性”：与宏观系统的物理特征截然不同，系统显示量子物理的特征；表现出强烈的非定域特性和剧烈的起伏干扰。介观系统的“宏观特性”：可在普通实验室中制备、研究、测量。关注显现出微观特征的宏观体系物理参量。介观物理的研究意义：A、微电子和微加工技术接近介观系统的尺度，B、在理解传统的电子器件行为以及现代技术的发展与应用方面，介观物理的研究意义重大。,三、纳米材料/体系的介观物理（4）,3、介观物理研究成果概述（p.48）传导电子的量子干涉现象：电子在固体中的两类碰撞过程：与大质量散射体（化学杂质、空位、晶界等）的碰撞：A、属于弹性碰撞过程，电子能量不改变，只改变动量；B、电子波的位相相干不改变；与小质量散射体的碰撞，如与声子（晶格振动）、电子等的碰撞：A、电子能量发生转移相位相干长度L：可长达数微米！电子具有经弹性散射仍旧保持位相相干的特征，电子可记忆自己的位相信息，这种电子保持相位记忆的平均路程，称为电子的相干长度，记作L在介观系统中，尺度小于L时，电子的随机“飞行”不破坏其相位记忆。“超导理论”,三、纳米材料/体系的介观物理（5）,3、介观物理研究成果概述弱局域化现象：设计一个电子扩散并以一定概率返回原出发点的闭合路径；对两个电子分波的闭合回路计算证明，电子经历漫散射后的电子回波得到了增强；这种电子散射后产生的“回波”现象，可看作原来的出发电子又回到了原地，称为“弱局域化现象”；A-B效应：A-B效应：电子在固体中输运时，在电磁势作用下，电子的波函数获得了新相位的现象具体实验：电子环绕磁通管，被调制而产生周期为h/e的振荡。应用：测量应用，电子在固体中运动行为的宏观可测的物理效应；器件应用，栅极调制的A-B振荡器。,三、纳米材料/体系的介观物理（6）,普适电导涨落：涨落幅度普适A、介观系统中，电子输运是位相相干的，电流-电压关系是非线性的，B、宏观系统的欧姆定律不再成立C、涨落特征：1）宏观电导随电流大小变化有剧烈的周期涨落，幅度为e2/h；2）电流减小，涨落增大；3）电流反向，涨落曲线不对称。D、涨落起因：电